EP0852165A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von umhüllten Stranggiessprodukten - Google Patents
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Abstract
Das Verfahren und die dazugehörigen Vorrichtungen dienen der Erzeugung
von umhüllten Stranggießprodukten. Hierbei kann sowohl eine
oszillierende als auch eine mitlaufende Kokille zum Einsatz gelangen.
In diesem Verfahren wird beispielsweise ein rostfreies Warmband,
das als Umhüllung dient, kontinuierlich zwischen die Kokillenwand
und beispielsweise eine Kohlenstoff-Schmelze eingeführt, um
mit der Strangschale zu verschweißen. Dieses Verfahren kann z.B.
vorteilhaft bei der 2-Rollen-Gießanlage, der Hazelett-Anlage oder
auf der Gießradanlage zur Anwendung kommen.
Vorteil der Erfindung ist die kostengünstige Herstellung vor allem
von Flachprodukten der Abmessung > 800 mm x < 10 mm, auch als
Verbundmaterial.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von dünnem
Metallband, bei dem flüssige Metallschmelze mit einem Metall-Flachprodukt,
vorzugsweise einem Warmband aus Stahl, in Kontakt gebracht
wird und verschweißt sowie eine Einrichtung zur Durchführung des
Verfahrens mit einer oszillierenden Kokille (Standkokille) oder
einer Wanderkokille, vorzugsweise einer 2-Rollen-Gießvorrichtung,
in der das Metall-Flachprodukt (Warmband) kontinuierlich so nachgeführt
wird, daß es die einlaufende Metallschmelze allseitig umgibt
und über ein Abzugssystem ausgefördert wird.
Heutzutage werden Flachprodukte in Dicken < 2 mm hauptsächlich über
das Walzen von Warmband erzeugt, die dann auch bis auf Dicken von
0,2 mm kaltgewalzt werden können. Hierbei müssen die an das Kaltband
gestellten Anforderungen hinsichtlich Profil und Planheit schon im
Warmwalzprozeß prozentual eingestellt sein, da eine Korrektur der
Maßhaltigkeit im Kaltwalzprozeß prozentual nicht mehr möglich ist.
Ab einem Breite-Dicken-Verhältnis von ca. 100/1 wird der Fließwiderstand
im Walzspalt in Breitenrichtung praktisch unendlich groß, so
daß eine prozentuale Korrektur von Profil bzw. Planheit nicht mehr
möglich ist, Deshalb sind Entwicklungen von Gießtechnologien, die
z.B. Formate mit Breiten > 1000 mm und Dicken < 10 mm realisieren
wollen, bis heute kaum über den Status einer Semi-Produktionsanlage
hinausgekommen.
Hauptproblem beim Gießen dünner Formate mit einer oszillierenden
Kokille unter systembedingter Schlackenfilmdicke und unter Voraussetzung
gleicher Produktion, wie sie bei einer konventionellen
Brammenanlage erreicht wird, ist, daß entsprechend der Absenkung
der Gießdicke und Erhöhung der Gießgeschwindigkeit die pro Zeiteinheit
produzierte Oberfläche um ein Vielfaches steigt und gleichzeitig
die Schlackenfilmdicke sinkt. Einhergehend steigt die pro
Zeiteinheit freiwerdende Erstarrungswärme und damit der Wärmestrom
in die Kokille.
Bild 1 stellt die resultierenden Wärmeströme in Abhängigkeit von
Gießdicke und Gießgeschwindigkeit dar. Liegt beispielsweise der
kritische Wärmestrom einer konventionell hergestellten 200 mm dicken
und mit 1 m/min gegossenen Bramme bei ca. 1 MW/m2, so führt die
Absenkung der Gießdicke auf z.B. 50 mm bei gleichzeitiger Erhöhung
der Gießgeschwindigkeit auf 6 m/min zu einer Erhöhung des Wärmestromes
auf 2,8 MW/m2. Entsprechend dem Schrumpfindex steigt auch die
Gefahr für Längsrisse von dem normierten Wert 1, im Falle der
Standardbramme, auf 2,8, d.h. die Dünnbramme ist, bei gleicher
Breite, 2,8 mal so anfällig für Längsrisse wie die Standardbramme.
Die Grenzbetrachtung der Teilbilder weist eine minimale relative
Schlackenfilmdicke von 0,001 bzw. 0,02 mm auf und spiegelt guasi
die Verhältnisse beim Gießen ohne Gießpulver wider. Der integrale
Wärmestrom nimmt einen Wert von ca. 5 MW/m2 an und findet sich auch
auf Knüppelanlagen wieder, auf welchen ohne Gießpulver bzw. Gießschlacken
gegossen wird.
Ähnliche Verhältnisse bezüglich des Wärmestroms liegen auch beim
Bandgießen mit mitlaufenden Kokillen vor. Das Fehlen von Schlacke
führt auch bei diesen Prozessen zu Wärmeströmen in Höhe der Grenzbetrachtung.
Die Übertragung dieser Ergebnisse auf Bandanlagen verdeutlicht, daß
Diese dargestellten Probleme führen zur Zeit zu nicht beherrschbaren
Oberflächenfehlern beim Gießen dünner Stränge in Dicken < 30 mm auf
Anlagen mit mitlaufender Kokille, beispielsweise nach dem 2-Rollen-Verfahren
(Bessemer Prinzip), dem Hazelett-Verfahren oder den
"Belt"-Anlagen und dem 1-Rollen-Verfahren.
Die größten Erfolge konnten bisher mit dem Twin-Roller erzielt
werden. Bei diesem Verfahren wird symmetrisch zwischen zwei gegenläufig
rotierende Rollen flüssiger Stahl gegossen, erstarrt im
engsten Spalt zwischen den Rollen (Kissing Point) und wird über eine
Auszugsvorrichtung ausgefördert.
Die erzielte Oberflächenqualität und insbesondere die Maßhaltigkeit
in Dicken- und Breitenrichtung (Planheit und Profil) sind nicht
reproduzierbar bzw. nicht in den vom Markt geforderten prozentualen
Toleranzen für Kaltband darstellbar. Dies gilt im besonderen für
die Erzeugung von C-Stahl.
Die Erklärung liegt in dem Erstarrungsverhalten des Stahls. Bei den
beim Twin Roller vorliegenden Gießbedingungen erstarrt der Stahl
auf einer "kalten" Rollenoberfläche in sehr kurzer Zeit. Der Wärmestrom
von ca. 5 MW/m2 fließt radial in die Rollenoberfläche und wird
über die Rollenkühlung abgebaut.
Hierbei treten folgende Effekte auf:
- Die thermisch hochbelastete Rollenkokille z.B. mit einem zylindrischen Kaltmaß, dehnt sich im Kontaktbereich durch thermisches Wachsen mit dem erstarrenden Strang aus und prägt dem Band eine negative Crown auf. Jedoch ist eine Korrektur des Profils in der Weiterverarbeitung im Walzwerk praktisch durch den fehlenden Querfluß im Walzspalt bei den vorliegenden Breite-/Dickenverhältnissen von >= 100/1 nicht mehr möglich.
- Die Strangoberfläche schrumpft während der Erstarrung parallel zur Rollenoberfläche sowohl in Gieß- als auch in Breitenrichtung, hierdurch wird eine Zugspannung in der Strangschale und eine Druckspannung in der Kokillenoberfläche ausgeübt. Gleichzeitig dehnt sich die Kokillenoberfläche während eines Rotationszyklus infolge des Wärmestromes in radialer sowie axialer Richtung aus und baut in beide Richtungen eine Zugspannung in der Strangoberfläche auf.
Die Überlagerung dieser Spannungen mit den über den Schrumpf der
Strangschale verursachten Spannungen führt zu einem Festschrumpfen
der Strangschale auf der Kokillenoberfläche. Dies führt zur Bildung
von Längsrissen infolge der axial (quer zur Gießrichtung) wirkenden
Spannungen und zu Querrissen infolge der radial (längs zur Gießrichtung)
wirkenden Spannungen. Je breiter die abgegossenen Formate
sind, desto größer wird der absolute Wert und dadurch der Einfluß
des axialen Schrumpfes auf die Gefahr der Längsrißbildung und auf
die Einstellung einer prozentual akzeptablen Planheit sowie Rißfreiheit
im gegossenen Band.
In verschiedenen Patentschriften, z.B. DE 34 40 234, DE 34 40 235,
DE 34 40 237, wird über mitlaufende Kokillen in Form von Bändern
und/oder Rollen berichtet. Hierbei wird versucht, die Oberflächenqualität
dadurch zu verbessern, daß die Reibung zwischen erstarrender
Oberfläche der Metallschmelze und dem Kokillenwerkstoff minimiert
und damit Risse vermieden und eine gleichförmige Oberflächenqualität
erreicht werden. Eine Verbindung bzw. Verschweißung zwischen
den gekühlten Flächen und dem kristallisierten Werkstoff wird
bewußt vermieden. Ein anderer Verfahrensvorschlag, DE 34 06 730,
beschreibt die kontinuierliche Zuführung einer Metallfolie in die
Kokille einer Horizontalstranggießanlage zum Zwecke der Schmierung
der Kokillenwand.
Ungelöst nach dem Stand der Technik für das Gießen von Bändern,
vorzugsweise aus Stahl, in Breiten zwischen 400 - 1600 mm und Dicken
< 10 mm sind bis heute die Probleme des hohen Wärmestromes sowie
die Profil- und Planheitstoleranz.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Stranggießverfahren
und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens auf der
Basis einer oszillierenden oder mitlaufenden Kokille vorzuschlagen,
bei denen der Wärmestrom aus der erstarrenden Schmelze so gesteuert
wird, daß der Schrumpf eine unterkritische Größe darstellt, gleichzeitig
eine Verschweißung zwischen der erstarrenden Schmelze und
dem Flachprodukt (beispielsweise ein Warmband) stattfindet sowie
eine optimale Bandgeometrie (Profil und Planheit) gewährleistet ist.
Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung,
wie sie in den Patentansprüchen beschrieben werden, unerwartet
gelöst.
Die unerwartete Lösung und Erfindung besteht darin, daß der kritische
Schrumpf der erstarrenden Strangoberfläche, die eine Zugsspannung
erfährt durch die Überlagerung einer entgegengesetzt
wirkenden Druckspannung, ausgelöst durch die Ausdehnung der Umhüllung,
welche sich zwischen Kokille und flüssigem Metall befindet,
kompensiert wird.
Die Umhüllung selber nimmt zunächst den Wärmestrom kapazitiv auf
und bleibt damit an der der Kokillenwand zugewandten Seite relativ
kalt und kann dort mehr Spannung ohne Rißbildung aufnehmen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Bilder 2 und 3 beispielhaft
erklärt.
Figur 2 stellt eine 2-Rollen-Gießmaschine mit den erfindungsgemäßen
Merkmalen beispielhaft dar.
Über einen Verteiler 1 gelangt flüssiger Stahl über ein Stahlzuführungssystem
2 in die Umhüllung 4, die zwischen der Schmelze 3
und einer mitlaufenden Kokille 5 kontinuierlich mindestens auf einer
Seite nachgeführt und mit der erstarrenden Schmelze ausgefördert
wird. In der Erstarrungszone, die gleichzeitig die Verschweißungszone
6 bildet, verschweißt die erstarrende Schmelze 7 oder Strangschale
mit der Umhüllung 4. Die Durcherstarrung des Metallbandes
13 ist am Kissing Point, Rollenzenit 8 oder im Bereich der Strangführung
10 beendet. Die Strangführung kann aus Rollen oder aus
Platten bestehen und zur Reduktion der Strangdicke genutzt werden.
Hierdurch ist eine Erhöhung der Gießgeschwindigkeit und somit der
Kapazität durch Herausführen der Enderstarrung 9 aus dem Rollenzenit
8 (Kissing Point) möglich. Ein Kühlsystem 14 ist unmittelbar der
mitlaufenden Kokille 5 nachgeschaltet. Der Bereich der Strangführung
ist eingehaust 15 und kann gas- und/oder temperaturkontrolliert
betrieben werden.
Verfahrenstechnisch stellt sich die Erfindung am Beispiel des Twin-Rollers
wie folgt dar:
Die während der Erstarrung der Stahlschmelze 3 freiwerdende Energie
heizt die zwischen mitlaufender Kokille 5 und Stahlschmelze 3 bzw.
Strangschale 7 befindliche Umhüllung 4 bis schmelzseitig über TSol
Umhüllung auf, was zu einer Verschweißung der Strangschale mit der
Umhüllung 4 im Wirkfeld der Kokille, Verschweißzone 6, führt.
Zusätzlich können schmelzpunkterniedrigende Substanzen 18 auf die
der flüssigen Schmelze zugewandten Seite der Umhüllung aufgebracht
werden, die die Verschweißung unterstützen. Durch den Materialverbund
von Umhüllung und erstarrter Schmelze 7, Strangschale, kommt
die in der Strangschale 7 auftretende Zugspannung 12 mit der in der
Umhüllung 4 auftretenden Druckspannung 11 zur Überlagerung und zum
Ausgleich.
Damit lassen sich Planheit und Profil des zu erzeugenden Bandes
kontrollieren und Längsrisse vermeiden. Die thermische Belastung
der beispielsweise Rollen-Kokille wird durch die kapazitive Aufheizung
der Umhüllung stark gesenkt, wodurch sich gleichzeitig die
Standzeit der Kokille erhöht.
Bei Verwendung von Umhüllungen aus z.B. Edelstahl, Aluminium, Cu
oder sonstigen Nicht-Eisen-Metallen, lassen sich mit der Erfindung
auch Verbundmaterialien herstellen, insbesondere beschichtete
Materialien wie z.B. rostfrei beschichteter Kohlenstoffstahl als
Flach- sowie auch Langprodukt.
Bild 3 stellt die Grundvoraussetzungen für einen Materialverbund
zwischen erstarrender Schmelze und Umhüllung dar.
Die Solidustemperatur des als Umhüllung dienenden Materiales muß
immer kleiner oder gleich der Solidustemperatur der eingesetzten
Schmelze, d.h. TS Sch > = TS Um sein.
Bei der Erstarrung von Schmelze an der Umhüllung wird selbst noch
bei Abkühlung der Strangschale von TS Sch bis auf TS Um Energie abgegeben,
die einer Verschweißung förderlich ist.
Beispiel sei eine Baustahlschmelze mit einer Solidustemperatur von
z.B. 1520 °C, die in eine Umhüllung aus Edelstahl mit einer Solidustemperatur
von z.B. 1460 °C gegossen wird. Die freiwerdende
Erstarrungswärme des Baustahles heizt die Umhüllung bis 1460 °C auf
und verschweißt mit ihr. Infolge des Solidustemperaturunterschiedes
von 60 °C wird die Edelstahlschicht partiell aufschmelzen und bei
nachfolgender gemeinsamer Abkühlung die Verschweißungszone bilden.
Die Erfindung läßt sich auch auf Hazelett-Anlagen sowie Gießrädern
(Bild 4) anwenden.
Die oben an den Beispielen beschriebene Erfindung führt zu folgenden
Vorteilen:
- kontrollierte Erzeugung eines 100%igen Materialverbundes durch eine sichergestellte Verschweißung zwischen der Schmelze und der Umhüllung aus Edelstahl, Nicht-Eisen-Metall oder anderen Stahlgüten,
- definierte Oberfläche in Profil und Planheit,
- Gießen heißrißempfindlicher Güten mit hohen Gießgeschwindigkeiten,
- wesentliche Kosteneinsparung durch Substitution von z.B. massiven Rostfreiprodukten durch Verbundmaterial mit mindestens einer rostfreien Oberfläche,
- frei wählbare End- und Beschichtungsdicke,
- neue Werkstoffkombinationen,
- Verknüpfung des Gießprozesses mit dem Walzprozeß in-line ist möglich
- durch gezielte Kühlung keine Verzunderung,
- geringe thermische Belastung der Kokille durch kapazitive Aufwärmung der Umhüllung,
- Möglichkeit der Erhöhung der Gießgeschwindigkeit (Kapazität) durch Herausführen der Enderstarrung aus dem Rollenzenit (Kissing Point)
- Erhöhung der Kokillenhaltbarkeit.
- 1
- Verteiler
- 2
- Stahlzuführungssystem
- 3
- Schmelze
- 4
- Umhüllung
- 5
- Mitlaufende Kokille
- 6
- Verschweißungszone, Erstarrungszone
- 7
- Erstarrende Schmelze, Strangschale
- 8
- Rollenzenit (Kissing Point)
- 9
- Enderstarrung
- 10
- Strangführung
- 11
- Druckspannungen
- 12
- Zugspannungen
- 13
- Durcherstarrtes Metallband
- 14
- Kühlsystem
- 15
- Einhausung, gaskontrolliert
- 16
- Tliq Schmelze
- 17
- TSol Schmelze
- 18
- Schmelzpunkterniedrigende Substanzen
Claims (14)
- Verfahren zum Metallstranggießen mit oszillierender oder mitlaufender Kokille, insbesondere zum Herstellen von umhülltem Material, bei dem eine Metallschmelze zwischen eine mit Gießgeschwindigkeit kontinuierlich mitlaufende metallische Umhüllung gegossen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Solidustemperatur der metallischen Umhüllung immer kleiner oder gleich der Solidustemperatur der Metallschmelze ist. - Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallschmelze vorzugsweise aus flüssigem Stahl besteht. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schmelze und die Umhüllung aus Stahl sind. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Umhüllung aus rostfreiem Stahl besteht. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Umhüllung aus einem Nicht-Eisen-Metall besteht. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Umhüllung < 50 % der Gesamtdicke ausmacht. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Umhüllungsmaterial vor dem Einsatz bis zu maximal TSol aufgeheizt wird. - Vorrichtung nach einem der Verfahrensansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Umhüllungsmaterial (4) mindestens an einer Kokillenfläche entlang geführt wird. - Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kokillen temperaturkontrolliert betrieben werden können. - Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine 2-Rollen-Kokille (5) zum Einsatz kommt. - Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kokillen aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff bestehen. - Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß das umhüllte Metallband (13) noch mit flüssigem Kern in seinem Querschnitt in der Strangführung (10) reduziert werden kann. - Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch schmelzpunkterniedrigende Substanzen (18) auf der schmelzenzugewandten Oberfläche der Umhüllung der Materialverbund zwischen Umhüllung (4) und erstarrender Schmelze bzw. Strangschale (7) unterstützt wird. - Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß das umhüllte Metallband (13) durch eine gaskontrollierte Einhausung (15) geführt wird.
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