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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktherstellung
von Knüppeln und Blöcken hoher oder ausgezeichneter Güte aus
einem stranggegossenen Stahl gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Realisierung eines
solchen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
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Es ist bekannt, daß das Stranggießen für die Herstellung von
Stahl immer stärker angewandt wird, und zwar wegen der
deutlichen und wohlbekannten Vorteile, die damit gegenüber
anderen Gießverfahren verbunden sind.
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Es sind auch Verfahren bekannt, nach denen das
Gießereierzeugnis im Zustand des noch flüssigen Kerns dickenreduziert
oder auf andere Weise einer Formänderung unterworfen wird,
bevor es vollständig erstarrt; siehe z. B. US-A-3 478 809,
JP-A-63 171 255, EP-A-0 391 824, WO-A-8912517.
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Es ist jedoch ersichtlich, daß das so erhaltene Erzeugnis,
wie es an der Austragvorrichtung am Ende der bogenförmigen
Gießroute erscheint, die Merkmale eines typischen Gußstücks
mit allen qualitativen Nachteilen zeigt, die für diese
Halbzeuge charakteristisch sind. Tatsächlich kann man mittels
metallographischer Analyse sehen, daß die Korngröße und die
Isotropie der Struktur unbefriedigend sind und der
Kohlenstoffanteil nicht homogen, sondern hauptsächlich in der
Mittelzone des Erzeugnisses konzentriert ist, woraus eine
Entmischung folgt, die das vom Stranggießen kommende
Erzeugnis nicht direkt zum Walzen brauchbar macht, wenn
Endprodukte erhalten werden sollen, die aus Stahl hoher und
ausgezeichneter Güte bestehen.
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Im Fall eines Stahls hoher Güte kann das Stranggießen zum
Erhalt von Vorblöcken angewandt werden, die einen Ofen
durchlaufen und zu einem Reduzierwalzwerk gefördert werden,
um zu Knüppeln umgeformt zu werden, die wiederum unter
fakultativem Erwärmen in einem weiteren Ofen schließlich einem
Fertigwalzwerk zugeführt werden. Im Fall eines Stahls
ausgezeichneter Güte erfolgt das Gießen sogar in Form eines
Blocks, und zwar nicht fortlaufend, und für jeden Block wird
die Abkühlung unter Anwendung eines vorbestimmten Zyklus
eingestellt; daher werden die Blöcke oder die großen
Vorblöcke der Größenreduzierung und anschließend dem Vorwalzen
und dem Fertigwalzen zugeführt, wobei gewöhnlich zwischen
jeweils zwei aufeinanderfolgenden Bearbeitungsgängen
Zwischenwärmen in einem Ofen vorgesehen ist, so daß ein extrem
langer und teurer Arbeitszyklus durchgeführt wird.
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Es ist daher ein Zweck der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren anzugeben, das mit Hilfe von Stranggießen die
Direkterzeugung von Knüppeln oder Blöcken erlaubt, die solche
Eigenschaften aufweisen, daß sie zu einem späteren Zeitpunkt
und ohne zusätzliche Schritte ohne weiteres dem Fertigwalzen
zugeführt werden können. Eine andere Aufgabe der Erfindung
ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Realisierung
des Verfahrens.
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Ein Vorteil, der sich bei dem nachstehend beschriebenen
Verfahren gemäß der Erfindung einstellt, besteht darin, daß das
resultierende Korn des Gießereierzeugnisses diejenigen
Merkmale der Feinheit, Homogenität und Isotropie sowie der
absoluten Abwesenheit von Entmischung zeigt, die gewöhnlich bei
einem zum Fertigwalzen bereiten Erzeugnis beobachtet werden,
so daß die Schritte betreffend die Größenreduzierung und das
Vorwalzen einschließlich des jeweiligen Zwischenwärmens
entfallen und dadurch eine beträchtliche Energieeinsparung
erzielt wird.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt einen Schritt, bei
dem in der Bahn zwischen dem untersten Punkt auf der
Gießachse, an dem noch überhitzte Flüssigkeit vorhanden ist, und
dem Endpunkt der metallurgischen Länge, wo das Produkt
vollständig erstarrt ist, der flüssige Kern des in einem
Stranggießverfahren erhaltenen Gießereierzeugnisses verformt wird,
was zu einer Querschnittsabnahme des Erzeugnisses führt,
wobei der Perimeter bzw. die Mantelfläche dieses Querschnitts
unverändert bleibt, und wobei der Verformungsschritt in
einer Zone durchgeführt wird, in der die Konzentration der
festen Körner zwischen 10 und 80 % liegt, gemäß dem
Kennzeichenteil des Anspruchs 1.
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Die oben erwähnte Verformung kann in der Praxis die
Umwandlung der Gestalt von rund zu quadratisch (Knüppel) oder
rechteckig (Block) umfassen, oder auch von Knüppel zu Block
oder, ausgehend von letzterem, zu einem flacheren
Querschnitt.
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Stranggießmaschinen sind z. B. aus "Handbook on Continuous
Casting", 1980, S. 506, Ref. 2357, bekannt und umfassen
äußere feststehende Rollensegmente und innere bewegliche
Segmente einer bogenförmigen Rollgangstrecke, wobei die
inneren Segmente durch geeignete Einrichtungen zu den
gegenüberliegenden feststehenden Segmenten hin bewegt werden.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der
Erfindung weist im wesentlichen diese Maschinenbauart auf,
wobei das mobile Segment aus wenigstens dem ersten Segment
nach der Kokille abstromseitig von den Fußrollen in einer
Zone gemäß der obigen Definition unter Bezugnahme auf das
Verfahren gebildet ist, wobei das bewegliche Segment
insbesondere an seinem obersten Ende schwenkbar und an seinem
untersten Ende mit dem Arbeitskolben eines
Hydraulikzylinders verbunden ist, und wobei außerdem in Querrichtung
angeordnete Rollenkäfige vorgesehen sind, die zwischen sich
die erstgenannte Rollgangstrecke definieren und beweglich
sind, gemäß dem Kennzeichenteil von Anspruch 5.
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Die Ziele, Vorteile und Merkmale des Verfahrens und der
Vorrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus der
nachstehenden genauen Beschreibung und den Zeichnungen, die nur dem
Zweck der Veranschaulichung dienen und den Umfang der
Erfindung in keiner Weise einschränken.
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Die Zeichnungen zeigen in:
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Fig. 1 eine sehr schematische Darstellung des einzigen
Gießereiprodukts entlang der bogenförmigen
Strekke, zur Verdeutlichung der Grundparameter des
Verfahrens nach der Erfindung;
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Fig. 2 eine ebenso schematische Darstellung einer
Stranggießvorrichtung, die modifiziert ist, um das
Verfahren nach der Erfindung zu realisieren; und
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Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III von Fig.
2, wobei die Formänderung einer Stange gezeigt
ist.
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Fig. 1 zeigt sehr schematisch und in einem Schnitt, der die
Gießachse X-X enthält, ein Stahlerzeugnis während des
Stranggießens. Dabei ist lo die freie Oberfläche der
Flüssigkeit in der Kokille, und 5 ist der unterste geometrische
Punkt auf der Gießachse, an dem es noch möglich ist,
überhitzte Flüssigkeit vorzufinden. Das heißt also, unterhalb
von 5 erreicht die Temperatur die für jeden einzelnen Stahl
typische Liquidustemperatur, wohingegen oberhalb der beiden
Linien sl und 52 der Temperaturwert höher ist und die
Flüssigkeit in dieser Zone überhitzt ist und keine festen Körner
aufweist.
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Die Position des Punkts 5 kann für jede Gießanlage in
Abhängigkeit von dem Temperaturwert oberhalb der
Liquidustemperatur des in der Kokille befindlichen Stahls entsprechend
der Art des Stahls bestimmt werden und kann mit Hilfe von
Zeitgliedern (t) ausgedrückt werden, die einer gegebenen
Geschwindigkeit entsprechen. Aus der Bestimmung der Zeit t
kann dann die Position von 5 in Abhängigkeit von den
verschiedenen möglichen Gießgeschwindigkeiten extrapoliert
werden.
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Gewöhnlich wird angenommen, daß der Punkt 5 unterhalb der
Kokille liegt, und zwar exakt in dem ersten Abschnitt der
Rollgangstrecke, der gewöhnlich als "Segment Null" (entnehm
barer Querschnitt) definiert wird. L bezeichnet den Punkt,
an dem das Gießereierzeugnis vollständig erstarrt ist, und
die Distanz im, die zwischen einem solchen Punkt und dem
Punkt 5 eingehalten wird, wird gewöhnlich als die
"metallurgische Länge" definiert.
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Man glaubt, daß die Flüssigkeit, die unter den beiden Linien
s1 und s2 liegt und zwischen diesen Linien und den
Innenwandungen des bereits erstarrten Bereichs P (der "Haut")
enthalten ist, bereits feste Körner enthält, deren
Konzentration in Richtung zu der unteren Zone bis zur
vollständigen Erstarrung in L zunimmt. Tatsächlich sind in dieser
viskosen oder halbviskosen Masse (M) entweder die
eigentliche Flüssigkeit oder die festen suspendierten Körner im
Gleichgewicht. Auf der X-X-Achse ist die Konzentration der
festen Körner in der Masse (M) gleich Null in 5 und gleich
100 % in L, wobei sie über die metallurgische Länge linear
ansteigt.
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Die Vorschubgeschwindigkeit des festen Bereichs P ist
selbstverständlich in jedem Punkt die gleiche, wohingegen
die Geschwindigkeit der Masse (M) einer anderen Bedingung
genügen muß, und zwar muß sie den Erstarrungsprozeß speisen,
um die Ausbildung von Leerzonen vor dem Punkt L zu
vermeiden, was zu der Anwesenheit von Rissen im Endprodukt führen
würde. Ferner ist zu beachten, daß die metallurgische Länge
im derart sein muß, daß der Punkt L an der Aufstromseite der
Austrageinrichtung 20 liegen kann, die sich am Ende der
bogenförmigen Stranggießstrecke befindet (siehe Fig. 2).
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Überraschend wurde nunmehr gefunden, daß durch Aufbringen
von Druck gemäß der Erfindung auf die Wandungen P des
Gießereierzeugnisses mit "flüssigem Kern", d. h. vor dem Punkt
L, wodurch das Volumen dieses Erzeugnisses durch Verformen
seines Querschnitts vermindert wird, ein Vorblock oder
Knüppel erhalten wird, der sämtliche vorgenannten erwünschten
Merkmale zeigt, so daß er zum Erhalt eines Stahlerzeugnisses
hoher oder ausgezeichneter Güte geeignet ist.
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Der Mechanismus, der eine solche Umwandlung ermöglicht, ist
nicht vollständig klar, man glaubt aber, daß dadurch, daß
die festen Wände P näher zueinander gebracht werden, im
Inneren der fluiden Masse M, die bereits erstarrte Körner
enthält und als halbfest oder "viskos" bezeichnet werden
kann, ein Geschwindigkeitsgradient oder eine Beschleunigung
auftritt, was zum Aufbrechen der Dendritenverzweigungen
führt, die die Tendenz haben, sich im Inneren dieser Masse
zu bilden. Die derart zerdrückten Körner werden
größenvermindert und auf eine Weise orientiert, die möglichst
ungeordnet (regellos) ist, wodurch bestimmte Isotropie- und
Homogenitäts-Eigenschaften erhalten werden, während
gleichzeitig Entmischungsvorgänge, d. h. steigende Konzentrationen
von Kohlenstoff (Primärgraphit) in Richtung zum inneren
Bereich des Erzeugnisses, vermieden werden.
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Eine wichtige Bedingung zum Erreichen solcher Ergebnisse
besteht aber darin, daß die Formänderung des flüssigen Kerns,
die zwischen den Punkten S und L ausgeführt wird, das
Volumen des Gießereierzeugnisses verringert, wobei die Länge des
Perimeters gleich (unverändert) bleibt, wohingegen seine
Seitenfläche konstantgehalten wird. In diesem Fall gibt es
tatsächlich weder eine Reck- noch eine Walzwirkung im
eigentlichen Sinn, die mit Kriechen (Gleiten) von festem
Material einhergeht, bis wir in Gegenwart einer viskosen
Masse M im Inneren des Produkts selbst sind, und zwar
entlang der Gesamtlänge lm.
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Bezogen auf den Querschnitt (die Länge spielt tatsächlich
keine Rolle, da sie konstantgehalten wird) muß die
Querschnittsfläche verkleinert werden, wohingegen der Perimeter
ungefähr konstantgehalten wird.
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Die folgenden Formänderungen sind daher möglich:
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- vom Runderzeugnis zum quadratischen Erzeugnis (Knüppel)
oder zum rechteckigen Erzeugnis (Blöcke); oder
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- von quadratischen Knüppeln zu rechteckigen Blöcken; oder
schließlich
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- von einem bestimmten Block zu einem flacheren Produkt
(Block oder Bramme), also einem Produkt, das ein größeres
Verhältnis zwischen den verschiedenen Seiten hat.
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Theoretisch gesehen wäre auch eine Formänderung möglich, die
die Umwandlung eines Gießquerschnitts mit n Seiten zu einem
verformten Querschnitt betrifft, der am Ende der
metallurgischen Länge n-1 Seiten hat, auch wenn eine solche Hypothese
kaum Chancen hat, in der Praxis angewandt zu werden.
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Es soll betont werden, daß dann, wenn die Formänderung
erfolgt, ohne daß eine solche Bedingung erfüllt ist, das
Volumen zunehmen oder zumindest auf einem konstanten Wert
bleiben würde; damit wäre die Voraussetzung zum Erhalt der
gewünschten Merkmale nicht gegeben, die es ermöglichen, daß
das Produkt ohne einen Zwischenbehandlungsschritt dem
Fertigwalzen direkt zugeführt wird, da es bereits sämtliche
Merkmale des gewünschten Halbzeugs hat.
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Wie bereits gesagt wurde, kann die Formänderung gemäß der
Erfindung entlang der gesamten metallurgischen Länge
erfolgen, und zwar ausgehend vom Punkt S, aber bevorzugt
innerhalb einer begrenzten Zone dieser Länge; letztere kann als
die Zone definiert werden, die 10 bis 80 % der Konzentration
x
von festen Körnern in der Masse M entspricht und die
leicht zu bestimmen ist, wenn man berücksichtigt, daß xS=
und xL=100. Wenn also lS die Distanz zwischen S und lo ist,
ist die Konzentration xl in jedem Punkt, der von lo um l
entfernt ist:
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x = l - lS/lm
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Tatsächlich kann es nutzlos sein, die Formänderung mit
Volumenverminderung in einer zu hohen Zone des Gießereiprodukts
durchzuführen, in der die Konzentration der festen Körner am
niedrigsten ist und die Körner selbst wegen ihrer Verteilung
in der flüssigen Masse durch die von den erstarrten Wänden P
aufgebrachte mechanische Wirkung nicht beeinflußt werden
können. Von der anderen Seite ausgehend kann es sogar ein
Nachteil sein, die Formänderung in der untersten Zone in der
Nähe des Punkts L durchzuführen, wo die Wände P bereits so
nahe sind, daß ohne weiteres ein paar Schweißstellen und
infolgedessen einige Taschen ausgebildet werden könnten, die
flüssiges Material enthalten, das durch Erstarrung und damit
einhergehende Volumenabnahme zu Hohlräumen in dem Erzeugnis
führen würde, die bevorzugt vermieden werden sollen.
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Fig. 2 zeigt sehr schematisch eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, wie nachstehend kurz
erläutert wird. Das Produkt 1, das in der Kokille 10
enthalten ist, bewegt sich durch die sogenannten "Fußrollen" 11
entlang der Rollgangsstrecke 13, die durch Paare von
gegenüberstehenden Sektoren von Rollenkäfigen 12, 14, 12', 14'
usw. gebildet ist. Der erste Sektor unmittelbar nach den
Fußrollen 11, wo es in bestimmten Fällen als ausreichend
angesehen wird, die volumenverringernde Formänderung gemäß
der Erfindung zu begrenzen, wird gewöhnlich als "Segment
Null" bezeichnet. Die Segmente 12, 12', 12" usw. liegen
sämtlich an dem äußeren Bereich der bogenförmigen
Rollgangstrecke, d. h. sie haben einen größeren Biegeradius,
wohingegen
die Segmente 14, 14' usw. als innere Segmente
definiert sind. Die Rollen des Segments 12 sind mit 12a
bezeichnet, und diejenigen des Segments 14 sind mit 14a bezeichnet
usw.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung und der obigen Hypothese,
nach der die Formänderung gemäß der Erfindung durch das
erste Segment bestimmt ist, ist der innere Bereich 14 in
bezug auf den äußeren Rollgang 12 auf irgendeine bekannte
Weise beweglich ausgebildet, wobei eine Einrichtung 16
vorgesehen ist, um den Käfig 14 in die Nähe des
gegenüberstehenden Käfigs 12 zu ziehen, der ortsfest bleibt. Wie Fig.
2 zeigt, ist der Käfig oder die Lagerkonstruktion 14, die
Rollen 14a aufweist, bei 15 an einem ihrer Enden, und zwar
bevorzugt dem oberen, schwenkbar, und ein Hydraulikkolben 16
schiebt das entgegengesetzte Ende der inneren Konstruktion
in Richtung zu dem ortsfesten äußeren Rollgang 12.
Selbstverständlich kann jede dem Fachmann bekannte andere Lösung
der Probleme vorgesehen sein; es ist beispielsweise möglich,
das innere Segment 14 entlang einer Kufeneinrichtung gleiten
zu lassen und ein oder mehr Hydraulikkolben für den Schub
entlang derselben Kufeneinrichtung vorzusehen. In jedem Fall
kann eine Vorrichtung dieser Art verwendet werden, wenn ein
quadratisches Erzeugnis oder ein Knüppel zu einem Block
umgeformt werden soll oder wenn ein bereits rechteckiges
Erzeugnis wie etwa ein Block zu einer immer noch rechteckigen,
jedoch flacheren Gestalt, z. B. zu einer (dicken) Bramme,
umgeformt werden soll.
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Wenn dagegen ein Runderzeugnis mittels Formänderung zu einem
Produkt mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt
umgewandelt werden soll, genügt es nicht mehr, in der Ebene
von Fig. 2 zu arbeiten, sondern eine entsprechende Wirkung
muß gleichzeitig in einer zu dieser Ebene, die immer die
Gießachse X-X enthält, senkrechten Ebene ausgeübt werden,
wie das in der Schnittdarstellung von Fig. 3 gezeigt ist. In
diesem Fall erfolgt die Formänderung eines Runderzeugnisses
gleichzeitig durch zwei Paare von Rollen, die in diametral
entgegengesetzten Positionen des Perimeters dieses
Runderzeugnisses liegen, und zwar die Rollen 12a und 14a der
entgegengesetzten äußeren und inneren Käfige 12 und 14, die in
Fig. 2 gezeigt sind, sowie Rollen 22a und 24a, die zu
Rollenkäfigen gehören, die in Fig. 2 nicht gezeigt sind und
deren gegenüberliegende Rollen zu den Rollen 12a und 14a der
Käfige 12 und 14 normal orientiert sind.
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Bevorzugt sind die anschließenden Rollen abstromseitig von
denjenigen, die in dem die Formänderung erfahrenden Sektor
angeordnet sind, mit Kolben ausgerüstet, die einen Druck zur
Innenseite des Gießereierzeugnisses aufbringen können, und
zwar nicht mehr zum Zweck der Formänderung, sondern um dem
ferrostatischen Druck und dem möglichen daraus
resultierenden Auswölben entgegenzuwirken, das zwischen dem Kontakt mit
einer Rolle und der nächstfolgenden auftreten kann, so daß
eine Anpassung an die in der vorhergehenden
Formänderungsstufe erreichte Größe erhalten wird.
BEISPIEL
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Aus einer Stranggießkokille mit rundem Querschnitt wurde mit
einer Vorschubgeschwindigkeit V=2 m/min ein Runderzeugnis
(eine Stange) gegossen, die einen Durchmesser von 130 mm
hatte. In einer Zone zwischen 28 % und 76 % der
Konzentration der festen Körner und um eine metallurgische Länge (in
diesem Fall) gleich 8 m wurde eine Formänderung bewirkt, die
zu einem im wesentlichen quadratischen Knüppel mit einer
Seite von 100 mm führte.
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Anschließend wurde die gleiche Stange zu einem anderen
Knüppel einer ähnlichen Größe umgeformt, wobei jedoch die
Vorschubgeschwindigkeit bis auf 3 m/min erhöht wurde und die
Formänderung gemäß der obigen Beschreibung in einer Zone
ausgeführt wurde, die zwischen den Konzentrationswerten x
gleich 14 % und 46 % lag, während die metallurgische Länge
12 m betrug.
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In beiden Fällen wurden nach Beendigung der Erstarrung
Proben des Gießereierzeugnisses genommen, und die
makrographische Analyse ergab folgendes:
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a) feine Struktur, keine Dendriten erkennbar;
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b) Struktur-Isotropie ohne irgendeine Hauptorientierung der
Körner;
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c) Abwesenheit von (Primärgraphit) Entmischungen sowie, be
zogen auf die chemische Analyse, Homogenität über den
gesamten Querschnitt;
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d) Isotropie der mechanischen Merkmale (Zugfestigkeit,
Streckgrenze, Bruchdehnung, Schlagfestigkeit);
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e) bessere mechanische Eigenschaften gegenüber einem
Erzeugnis aus einem traditionellen Gießvorgang, so daß die
gleichen Eigenschaften des Endprodukts mit geringeren
Prozentsätzen der Querschnittsabnahme beim Walzschritt
erreicht wurden.
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Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß die Vorrichtung
gemäß der Erfindung es ermöglicht, daß das aus dem
Stranggießverfahren kommende Erzeugnis, das nach dem obigen
Verfahren hergestellt wurde, einem Fertigwalzwerk direkt
zugeführt werden kann, indem nur ein Wärmofen, fakultativ ein
Induktionsofen, zwischengeschaltet wird, um die Temperatur
entsprechend den Walzwerten einzustellen.