WO2017202420A1 - Verfahren zur verbesserung des verschleissverhaltens von anlagenkomponenten bei der weiterverarbeitung von hochlegierten stählen sowie anlage zur verarbeitung dieser hochlegierten stähle - Google Patents

Verfahren zur verbesserung des verschleissverhaltens von anlagenkomponenten bei der weiterverarbeitung von hochlegierten stählen sowie anlage zur verarbeitung dieser hochlegierten stähle Download PDF

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Uwe Grafe
Uwe Plociennik
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    • B22D11/12—Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
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    • B21B1/00—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
    • B21B1/46—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling metal immediately subsequent to continuous casting
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    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/16—Controlling or regulating processes or operations
    • B22D11/22—Controlling or regulating processes or operations for cooling cast stock or mould
    • B22D11/225—Controlling or regulating processes or operations for cooling cast stock or mould for secondary cooling

Definitions

  • the present invention relates to a method for improving the wear behavior of equipment components in the manufacture and further processing of castings from materials having a stronger segregation tendency, such as high alloy steels, in which casting and hot working take place in one line.
  • a brittle fracture or a hot crack may occur from the cutting edge when cutting the cast product, which runs in planes other than the cut edge and may also lead to the breaking out of material from the cast product.
  • Such non-straight, non-planar geometries of cut edges on the cut product degrade the quality of the product and may complicate subsequent rolling, for example, when threaded into the mill stand.
  • rolls and rolls such as e.g. Furnace rolls are affected during reheating of the cast product, even if near-surface areas have liquid films that have arisen by segregation.
  • material transfer from the cast product to the roll or roll surfaces can occur, which in turn leads to increased wear of these equipment components.
  • the result is costly repairs associated with downtime in which the plant can not produce and a lower quality of the product produced.
  • the LIT and the ZDT are used to characterize the hot crack sensitive temperature interval of a material. Between these temperatures, the permeability of the partially solidified area is so low that a make-up of melt is no longer possible and, for example, porosity and hot cracks can occur. Even slight strains are sufficient between the ZDT and LIT in order to cause a material separation or a hot crack.
  • the ZDT is also identified with the temperature at which the coalescence (or coherency temperature) of the secondary dendrite arms occurs.
  • the object of the present invention is to provide a safe and inexpensive process for the production of materials, e.g. high-alloyed steels, with an increased tendency to segregations, so as to enable large-scale production of such grades in a line consisting of casting and hot forming. Furthermore, a device for carrying out the method should be provided.
  • the method according to the invention is characterized in that intensive cooling of the cast material takes place in the strand guide of the casting plant and taking into account the casting plant downstream cooling devices, wherein the cooling of the cast material is controlled such that the highest temperature in the cross section of the cast material (perpendicular to the casting direction) the zero toughness temperature (ZDT) at the end of the casting plant and before the first forming step, but at least before a mechanical cutting to length of the cast material by means of scissors, undershoot tet.
  • intensive cooling of the cast material takes place in the strand guide of the casting plant and taking into account the casting plant downstream cooling devices, wherein the cooling of the cast material is controlled such that the highest temperature in the cross section of the cast material (perpendicular to the casting direction) the zero toughness temperature (ZDT) at the end of the casting plant and before the first forming step, but at least before a mechanical cutting to length of the cast material by means of scissors, undershoot tet.
  • ZDT zero toughness temperature
  • this temperature must be at least in the area that is influenced by the paper cutting / forming, in addition, before and behind lying areas in G confusestrang can for the purpose of saving energy in the wider area of the system in the Processing to remain at a higher temperature level.
  • the temperature profile in the cross section is balanced (low temperature difference between surface and core) in order to reduce the load on the shears or the forming unit. Below the ZDT, the liquid films have virtually disappeared, so that no material transfer or hot crack / brittle fracture can occur.
  • the ZDT can be experimentally determined experimentally by hot tensile testing after previous melting by measuring the fracture necking.
  • the ZDT represents the temperature at which Brucheinschnürungsock greater than zero can be achieved for the first time.
  • the ZDT may be calculated using a micro-segregation model.
  • This model provides the ZDT temperature to the temperature calculation model of the automation of the casting plant (control model).
  • This control model controls or controls the amount of cooling water cooling the casting plant (secondary cooling), or a tertiary cooling unit so that the condition
  • the microsegregation model as part of the computational model calculates the solid phase fraction at least as a function of chemical composition, eg by means of the Scheil-Gulliver model and possibly as a function of secondary denial. third arm distance and the cooling speed.
  • the surface temperature of the cast product in the directional range of a continuous casting or strip casting plant should be higher than 850 ° C. Therefore, the new cooling must be arranged after or far in front of the straightening area. Usually, the coolant intensity is reduced at a greater distance from the mold. In the method according to the invention, this is deviated from and intensive cooling is carried out in order to lower the core temperature in good time before reaching the shears or the forming unit so that no liquid films are present on the grain boundaries in the structure of the cast product.
  • the invention also relates to the areas in which the band deflected, or placed in loops, transversely divided by scissors and should be rolled directly.
  • the water pressure, the amount of water, if necessary, the water / air ratio, the nozzle type or the nozzle spacing in the cooling can be adjusted so that thereby an increased heat dissipation can be realized.
  • the cut-out cast product (the cast material) must be reheated for subsequent processing steps. This takes place in a heating unit.
  • the surface and possibly also the core of the cast product can again exceed the ZDT and liquid films can form again between the grain boundaries in the structure of the cast product.
  • the cast product is understood to mean the strand or strip that is made from the cast material. Wherein this cast material has an increased tendency to segregation or micro segregation during its cooling / heating or exceeding the ZDT.
  • cooling devices are provided after the heating unit (for example ovens or induction heating). These cooling devices are preferably provided in the working direction immediately behind the heating unit and before the inlet further processing units such as rolling stands. The cooling devices are controlled by the controller so that they can cool the surface of the cast product below the ZDT in a very short time interval, depending on its transport speed; but so that the further processing in the warm state can be ensured.
  • the chemical composition altered by macrosegregation (changed by segregation at most) can also be taken into account in the last solidifying region of the cross section of the cast product.
  • the latter can be determined experimentally by means of a cross-sectional sample of the cast product (perpendicular to the casting direction, "pickling wheel") of a specific material quality with a limited chemical composition
  • the nominal composition Ci c 0 , i, actual * k, which is currently to be cast, can be corrected for a melt and passed to the microsegregation model.
  • ZDT zero toughness temperature
  • a device is understood, with a tundish from which the material, consisting of a molten steel with an increased tendency for segregation or micro segregation, abandoned; a continuous mold with a primary cooling in which the melt can be cast into a strand / strip, a strand / strip guide with a secondary cooling, in which the cast material can be cooled down to reach the ZDT, as well as arranged in the strand guide directing means.
  • Downstream of the casting plant may be further means for cooling the cast material, as well as means for cutting to length and reheating units in which the cast material can be conveyed by means of roller conveyors. All together forms a plant or forms a plant concept.
  • FIG. 1 shows the ZDT control and integration of the micro enlargement model into the temperature control in a diagram
  • Fig. 2 is a plant concept with cooling unit for
  • Fig. 3 shows the arrangement of the cooling within the
  • a microdigestion model 10 is used to determine the zero ductility temperature (ZDT) as a function of the chemical composition of a melt.
  • the microsegregation model 10 as part of a control model computes the solid phase fraction as a function of chemical composition, for example, using the Scheil-Gulliver model. This results in a temperature value at which the cast product is completely solidified and no liquid films are present at the grain boundaries of the solidified structure. This temperature is referred to as T SOM 11 and is also the ZDT.
  • the determined ZDT is used to control or control the cooling and / or the transport speed.
  • the cooling must be controlled in such a way that the ZDT is reached or undershot before the first forming step, but at least before any mechanical cutting of the cast product (the cast material) by means of scissors. This can be a dynamic control process that is continuously monitored and controlled.
  • Fig. 2 shows an exemplary plant concept 12 with cooling units 13 for cooling the core of a strand 14.
  • the strand 14 or the cast product consisting of the cast material is made of a molten steel 16 having a specific chemical composition with an increased tendency for segregation Casting formed from a ladle 17 via a tundish 18 in a continuous casting mold 19.
  • Important for the cooling concept it is that before and after the straightening of the strand 14 is intensively cooled. Too intense cooling during straightening would increase the risk of cracking the strand 14.
  • the intensive cooling of the strand 14 (of the cast material) thus takes place before and after straightening in the region of the strand guide (not shown) by means of the cooling units 13, cooling down to a temperature which corresponds to the calculated ZDT or just below it may. In any case, it is important that the ZDT is achieved by means of scissors 15 before separation. Cooling of the surface of the strand 14 (of the cast material) is provided after a heating unit 20. Due to the heating, a liquid film can again form on the grain boundaries by exceeding the ZDT at the surface or into the core. This liquid film would lead in the subsequent operations to aggregations of system parts, or to cracks during rolling.
  • a further cooling 21 is provided in the working direction, which cools down the surface, or the core, of the strand to the ZDT, before it is introduced, for example, into a multi-stage rolling stand 22.
  • the rolled strand 14 is reeled to a coil 23.
  • FIG. 3 is a detail view according to FIG. 2.
  • it is provided to cool intensively within a region 24 that lies in front of the straightening region in the strand guide, as indicated by the arrow 25.
  • a further region 26 is provided in which the strand 14 within the strand guide is intensively cooled once more, as indicated by the arrow 27.
  • the ZDT should be reached for the particular cast product so that it can easily be sheared to the desired length.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern des Verschleißverhaltens von Anlagenkomponenten bei der Herstellung und Weiterverarbeitung von Gussprodukten aus Werkstoffen mit einer verstärkten Tendenz zur Seigerung wie beispielsweise hochlegierten Stählen. Hierbei erfolgt eine intensive Kühlung des gegossenen Werkstoffs in der Strangführung der Gießanlage und unter Berücksichtigung der Gießanlage nachfolgenden Kühleinrichtungen, wobei die Kühlung für den gegossenen Werkstoff derart gesteuert wird, dass die höchste Temperatur im Querschnitt des gegossenen Werkstoffs (senkrecht zur Gießrichtung) die Nullzähigkeitstemperatur (ZDT) am Ende der Gießanlage und vor dem ersten Umformschritt, aber mindestens vor einem mechanischen Ablängen des gegossenen Werkstoffs mittels einer Schere, unterschreitet.

Description

Verfahren zur Verbesserung des Verschleißverhaltens von
Anlagenkomponenten bei der Weiterverarbeitung von hochlegierten Stählen sowie Anlage zur Verarbeitung dieser hochlegierten Stähle
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern des Verschleißverhaltens von Anlagenkomponenten bei der Herstellung und Weiterverarbeitung von Gussprodukten aus Werkstoffen mit einer verstärkten Tendenz zur Seigerung wie beispielsweise hochlegierten Stählen, bei dem das Gießen und das Warmumformen in einer Linie stattfindet.
Die Erzeugung von Werkstoffen mit einer verstärkten Tendenz zur Seigerung, insbesondere bei hochlegierten Stählen und neuartigen Manganstählen mit >7% Mangan, hochkohlenstoffhaltigen Stählen, phosphor- und borlegierten Stählen in einer Linie, beispielsweise in einem CSP-Process, dem Bandgießen, wie etwa dem BCT-Verfahren oder dem Twin-Roll-Gießverfahren, konnte in der Vergangenheit nicht mit genügend großer Betriebssicherheit und auf Grund der geforderten Produktqualitäten auch nicht kosteneffizient hergestellt werden. Es hat sich gezeigt, dass selbst die Aggregate zum Wiederaufwärmen von Gussprodukten aus den o.g. Stählen, beispielsweise CSP-Ofen, Induktionserwärmung, Hubbalken-, Stoßofen usw. in dem das Gussprodukt mittels Rollentransportvorrichtungen befördert wird, besonders hohen Verschleiß ausgesetzt sind, was eine wirtschaftliche Produktion und Weiterverarbeitung derartiger Stähle zusätzlich erschwert.
Denn auch an Anlagenbauteilen wie Messern tritt während des Schneidvorgangs ein Materialübertrag auf die Messeroberfläche auf. Der Materialübertrag ist auf die Flüssigkeitsfilme im Gefüge bzw. auf den Korngrenzen des Gussprodukts zurückzuführen. Diese Flüssigkeitsfilme sind auf Seigerungen, die wäh- rend der dendritischen Erstarrung (transkristallin oder globulitisch) entstehen, zurückzuführen. Dieser Materialübertrag führt letztendlich zu einem verstärken Verschleiß.
Gleichzeitig kann von der Schnittkante beim Schneiden des Gussprodukts ein spröder Bruch bzw. ein Heißriss ausgehen, der in anderen Ebenen als der Schnittkante verläuft und auch zum Herausbrechen von Material aus dem Gussprodukt führen kann. Solche nicht-geraden, nicht-ebenen Geometrien von Schnittkanten am geschnittenen Produkt beeinträchtigen die Qualität des Produkts und können das nachfolgende Walzen beispielsweise beim Einfädeln in das Walzgerüst erschweren.
Auch können Walzen und Rollen wie z.B. Ofenrollen beim Wiederaufwärmen des Gussprodukts betroffen sein, wenn auch oberflächennahe Bereiche Flüssigkeitsfilme aufweisen, die durch Seigerung entstanden sind. Wenn die oberflächennahen geseigerten Bereiche wieder aufschmelzen, kann ein Materialübertrag vom Gussprodukt auf die Walzen- bzw. Rollenoberflächen erfolgen, was wiederum zu verstärken Verschleiß dieser Anlagenbauteile führt. Die Folge sind kostenintensive Reparaturen verbunden mit Stillstandszeiten in der die Anlage nicht produzieren kann und eine Minderqualität des erzeugten Produkts.
Ebenso wird das Verhalten beim Umformen z.B. Walzen, Biegen usw. negativ beeinflusst, da die Verbindung an den Korngrenzen nicht gegeben ist und dadurch An- bzw. auch Aufrisse entstehen, welche nicht zulässig sind und eine Abwertung des Materiales hervorrufen .
Der Stand der Technik zur Regelung des Flüssigsumpfes („Sumpfspitze") in einer Gießanlage geht davon aus, dass bei einem kontinuierlichen Gießprozess der Flüssigsumpf innerhalb der gestützten Länge der Gießmaschine liegt, wenn der metallo- oder ferrostatische Druck nicht mehr zu einer Geometrieveränderung, wie der Vergrößerung der Strangdicke („Wal", „Ausbauchung" des Strangs), führt. Die Temperatur des zuletzt erstarrenden Querschnitts („Kern") des Gussprodukts wird derart geregelt, dass der Flüssigsumpf innerhalb der gestützten Länge der Gießanlage liegt („Sumpfspitzenregelung"). Häufig wird der Begriff„Sumpfspitze" oder„final point of soldification in the machine" verwendet, womit üblicherweise die Koordinaten (in Bezug auf die Gießrichtung und den Querschnitt des Gussprodukts) bezeichnet werden, die das zuletzt erstarrende Volumenelement enthalten.
In der nicht Patentliteratur (K-h Kim, T-j. Yeo, K. H. Oh, D.N. Lee:„Effect of car- bon and sulfur in continuously cast Strand on longitudinal surface cracks", ISIJ International, Vol. 36 (1996), No. 3, pp. 284-289 und YM. Won, K-h Kim, T-j. Yeo, K.H. Oh:„Effect of cooling rate on ZST, LIT and ZDT of Carbon Steel near melting point", ISIJ International Vol. 38 (1998), No. 10, pp. 1093-1099) werden charakteristische Temperaturen im Erstarrungsintervall bzw. im teilerstarrten Bereich („mushy zone") beschrieben und mit einem „fraction solid" korreliert. Dabei werden die Nullzähigkeitstemperatur (Zero Ductility Temperature, ZDT, fraction solid ca. fs =0,99), die Nullfestigkeitstemperatur (Zero Strength Temperature, ZST, fraction solid ca. fs =0,80) und die Null-Nachspeisungstemperatur (Liquid Impenetrable Temperature, LIT, fraction solid ca. fs =0,90 berücksichtigt.
Die LIT und die ZDT werden herangezogen, um das heißrissempfindliche Tem peraturintervall eines Werkstoffes zu charakterisieren. Zwischen diesen Temperaturen ist die Permeabilität des teilerstarrten Bereichs so gering, dass eine Nachspeisung von Schmelze nicht mehr möglich ist und beispielsweise Porosität und Heißrisse entstehen können. Zwischen der ZDT und LIT reichen schon geringe Dehnungen, um eine Materialtrennung bzw. einen Heißriss zu verursachen. Die ZDT wird auch mit der Temperatur identifiziert, bei der die Koaleszenz (auch„coherency temperature") der sekundären Dendritenarme eintritt.
Die Auswahl der Prozessparameter bei einer Sumpfspitzenregelung (z.B. Gießgeschwindigkeit, Sekundärkühlung) erfolgt in der Regel für Flachprodukte so, dass der„fraction solid" im Kern zwischen fs=0.90 (Temperatur kleiner LIT) und fs =1 ,0 liegt und sich dieser innerhalb der Strangführung befindet. Dabei wird der Bereich um fs =0,95 bevorzugt. Bei nicht stark seigernden Stählen ist die Ausdehnung des Temperaturbereichs zwischen fs =0,95 und fs =0,99 in der Regel kleiner als 50K. Abweichend davon steigt die Ausdehnung des Temperaturbereichs bei stark seigernden Stählen größer als 50K bis über 150K. Hiermit wird folglich der Begriff stark bzw. verstärkt seigernd für den Werkstoff wie beispielsweise einen hochlegierten Stahl, definiert.
Die Erfahrung zeigt, dass eine solche Sumpfspitzenregelung nicht zu einer Ausbauchung nach der Strangführung führt. Ferner treten die oben beschriebenen Probleme bei einem Brennschnitt nicht auf, der bei konventionellem Brammen- strangguss üblich ist.
Beim konventionellen Brammenstrangguss hätte die Zugrundelegung der ZDT als Definition für die Sumpfspitze bei einem stark seigernden Stahl die Nachteile einer zu langen Strangführung oder einer zu geringen Gießgeschwindigkeit bzw. ein zu geringes Ausbringen oder einer zu hohen Wassermenge, die für die Sekundärkühlung bereitgestellt werden müsste. Zudem kommt es bei einem Scherenschnitt mit einer Sumpfspitzenregelung zu den oben beschriebenen Fehlern bzw. Schäden am Gussprodukt und an den Anlagenkomponenten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein sicheres und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Werkstoffen, z.B. hochlegierten Stählen, mit einer verstärkten Tendenz zu Seigerungen anzugeben, um somit eine großindustrielle Produktion derartiger Güten in einer Linie bestehend aus Gießen und Warmumformen zu ermöglichen. Des Weiteren soll eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine intensive Kühlung des gegossenen Werkstoffs in der Strangführung der Gießanlage und unter Berücksichtigung der Gießanlage nachfolgenden Kühleinrichtungen erfolgt, wobei die Kühlung für den gegossenen Werkstoff derart gesteuert wird, dass die höchste Temperatur im Querschnitt des gegossenen Werkstoffs (senkrecht zur Gießrichtung) die Nullzähigkeitstemperatur (ZDT) am Ende der Gießanlage und vor dem ersten Umformschritt, aber mindestens vor einem mechanischen Ablängen des gegossenen Werkstoffs mittels einer Schere, unterschrei- tet. Beim temporären Umformen, z.B. beim Scherenschnitt, muss diese Temperatur zumindest in dem Bereich, der durch den Scherenschnitt / die Umformung beeinflusst wird, erreicht werden, daneben, davor und dahinter liegende Bereiche im Gießstrang können zum Zwecke der Energieeinsparung im weiteren Bereich der Anlage bei der Verarbeitung auf einem höheren Temperaturniveau verbleiben.
Hierdurch wird sichergestellt, dass das Gussprodukt (der gegossene Werkstoff) beim Erreichen der Schere vollständig durchstarrt ist und an den Korngrenzen sich auch keine Flüssigkeitsfilme mehr befinden. Somit kommt es bei einem Scherenschnitt auch nicht mehr zu Aggregationen am Scherenblatt oder zu Heissrissen oder Sprödbrüchen im Scherbereich.
Von Vorteil ist, wenn das Temperaturprofil im Querschnitt ausgeglichen ist (geringe Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Kern), um die Belastung der Schere bzw. des Umformaggregats zu verringern. Unterhalb der ZDT sind die Flüssigkeitsfilme praktisch verschwunden, so dass kein Materialübertrag oder Heißriss / Sprödbruch auftreten kann.
Die ZDT kann experimentell mittels Heißzugversuchen nach vorhergehendem Aufschmelzen durch Messung der Brucheinschnürung experimentell bestimmt werden. Dabei stellt die ZDT diejenige Temperatur dar, bei der erstmalig Brucheinschnürungswerte größer Null erreicht werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die ZDT wird mit Hilfe eines Mikroseigerungsmodells berechnet werden. Dieses Modell liefert die ZDT - Temperatur an das Temperaturberechnungsmodell der Automatisierung der Gießanlage (Regelmodell). Dieses Regelmodell regelt bzw. steuert die Kühlwassermenge der Kühlung der Gießanlage (Sekundärkühlung), bzw. der einer tertiären Kühleinheit so, dass die Bedingung
I Querschnitt, max < ZDT erfüllt ist.
Das Mikroseigerungsmodell als Teil des Rechenmodells berechnet den Festphasenanteil mindestens als Funktion der chemischen Zusammensetzung, z.B. mittels des Scheil-Gulliver-Modells und ggf. als Funktion von sekundärem Den- dritenarmabstand und der Abkühlgeschwindigkeit.
Zur Vermeidung von Oberflächenfehlern wie z.B. Rissen sollte die Oberflächentemperatur des Gussprodukts im Richtbereich einer Stranggieß- oder Bandgießanlage höher als 850°C liegen. Daher muss die neuartige Kühlung nach oder weit vor dem Richtbereich angeordnet werden. Üblicherweise wird die Kühlmittelintensität mit größerem Abstand von der Kokille reduziert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird davon abgewichen und eine intensive Kühlung vorgenommen, um die Kerntemperatur rechtzeitig vor Erreichen der Schere bzw. des Umformaggregats so abzusenken, dass keine Flüssigkeitsfilme auf den Korngrenzen im Gefüge des Gussprodukts vorhanden sind.
Bei einem Anlagenkonzept, in dem der Strang mittels einer Zweirollengießmaschine bzw. einer Bandgießmaschine gegossen wird, betrifft die Erfindung auch die Bereiche in denen das Band umgelenkt, bzw. in Schlaufen gelegt, mittels Schere quergeteilt und direkt ausgewalzt werden soll.
Zur Realisierung der Intensivkühlung können der Wasserdruck, die Wassermenge, ggf. das Wasser-/ Luftverhältnis, der Düsentyp oder der Düsenabstand in der Kühlung so eingestellt werden, sodass hierdurch sich eine erhöhte Wärmeabfuhr realisieren lässt.
Es kann erforderlich sein, dass das abgelängte Gussprodukt (der gegossene Werkstoff) für die nachfolgenden Bearbeitungsschritte wieder erwärmt werden muss. Dies erfolgt in einer Erwärmungseinheit. Hierbei können die Oberfläche und ggf. auch der Kern des Gussprodukts wieder die ZDT übersteigen und es können sich wieder Flüssigkeitsfilme zwischen den Korngrenzen im Gefüge des Gussprodukts ausbilden.
Unter dem Gussprodukt wird der Strang oder das Band verstanden, dass aus dem gegossen Werkstoff hergestellt wird. Wobei dieser gegossene Werkstoff eine erhöhte Tendenz zur Seigerung bzw. Mikroseigerung bei der seiner Abkühlung / Erwärmung bzw. Überschreitung der ZDT aufweist.
Zur Verhinderung von Materialübertrag auf Rollen oder Walzen muss die Oberfläche, bzw. zur Vermeidung des Auftretens von Aufrissen auch bis in den Kern hinein, unterhalb der ZDT gekühlt werden. Hierzu sind nach der Erwärmungseinheit (beispielsweise Öfen oder Induktionserwärmungen) spezielle Kühleinrichtungen vorgesehen. Diese Kühleinrichtungen sind bevorzugt in Arbeitsrichtung unmittelbar hinter der Erwärmungseinheit und vor dem Einlauf weiter verarbeitender Aggregate wie Walzgerüste vorgesehen. Die Kühleinrichtungen werden von der Steuerung so gesteuert, dass sie in einem sehr kurzem Zeitin tervall die Oberfläche des Gussprodukts, in Abhängigkeit von dessen Transportgeschwindigkeit, unterhalb der ZDT abkühlen können; aber so dass die Weiterverarbeitung im warmen Zustand sichergestellt werden kann.
Um das Mikroseigerungsmodell und damit die Steuerung der Kühlung so genau wie möglich einstellen zu können, kann zusätzlich noch die durch Makroseigerung veränderte chemische Zusammensetzung (maximal durch Seigerung verändert) im zuletzt erstarrenden Bereich des Querschnitts vom Gussprodukt berücksichtigt werden.
Das kann einerseits durch Simulation von Makroseigerungen mit CFD-Software (Computational Fluid Dynamics, mit einer gekoppelten Berechnung von Erstarrung, Wärme- und Stofftransport) erfolgen oder durch die Ermittlung und Anwendung von Seigerungsindizes.
Letztere können anhand einer Querschnittsprobe des Gussprodukts (senkrecht zur Gießrichtung, „Beizscheibe") einer bestimmten Werkstoffgüte mit eingegrenzter chemischer Zusammensetzung experimentell bestimmt werden. Die dort im Bereich der maximalen Seigerungen gemessenen Konzentrationen Ci eines Elements i können ins Verhältnis zu den nominalen Konzentrationen c0,i der chemischen Elemente gesetzt werden und so Seigerungsindizes Ki = Cj/C0,i bestimmt werden.
Es kann angenommen werden, dass diese Indizes für eine bestimmte Werk- stoffgüte bei eingegrenzten Prozessparametern des betreffenden Gießprozesses relativ konstant sind. Mit den Seigerungskoeffizienten kann die aktuell zu vergießende Nominalzusammensetzung Ci = c0,i, aktuell * k, einer Schmelze korrigiert werden und an das Mikroseigerungsmodell übergeben werden. Einrichtung für die Herstellung von Gussprodukten aus Werkstoffen mit einer verstärkten Tendenz zur Seigerung wie beispielsweise hochlegierten Stählen, in einer Linie unter Anwendung des Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11 , um fassend eine Gießanlage, eine Strang- oder Bandführung, eine Kühlung zum Kühlen des gegossenen Werkstoffs, Richteinrichtungen und Ablängmittel, sowie Transportmittel zum Richten, Ablängen und Transportieren des gegossenen Werkstoffs, wobei eine intensive Kühlung des gegossenen Werkstoffs in der Strang- oder Bandführung der Gießanlage und unter Berücksichtigung der Gießanlage nachfolgenden Kühleinrichtungen erfolgt, wobei die Kühlung des gegossenen Werkstoffs derart steuerbar ist, dass die höchste Temperatur im Querschnitt des gegossenen Werkstoffs (senkrecht zur Gießrichtung) die Nullzähigkeitstemperatur (ZDT) am Ende der Gießmaschine und vor dem ersten Umformschritt, aber mindestens vor einem mechanischen Ablängen des gegossenen Werkstoffs mittels einer Schere, zumindest temporär für den jeweiligen Bearbeitungsschritt, unterschritten ist.
Als Gießanlage im Sinne der Erfindung wird eine Vorrichtung verstanden, mit einem Tundish aus dem der Werkstoff, bestehend aus einer Stahlschmelze mit einer verstärkten Tendenz zur Seigerung bzw. Mikroseigerung, aufgegeben wird; eine Durchlaufkokille mit einer Primärkühlung in der die Schmelze zu einem Strang / Band gegossen werden kann, eine Strang- / Bandführung mit einer Sekundärkühlung, in der der gegossene Werkstoff bis zum erreichen der ZDT heruntergekühlt werden kann, sowie in der Strangführung angeordnete Richtmittel. Der Gießanlage nachgeschaltet können sein, weitere Mittel zum Kühlen des gegossenen Werkstoffs, sowie Mittel zum Ablängen und Aggregate zum Wiedererwärmen, bei der der gegossene Werkstoff mittels Rollen-Transportvorrichtungen befördert werden kann. Alles zusammen bildet eine Anlage bzw. bildet ein Anlagenkonzept.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die ZDT-Regelung und Integration des Mi- kroseigerungsmodells in die Temperaturregelung in einem Schaubild;
Fig. 2 ein Anlagenkonzept mit Kühlaggregat zur
Kühlung des Kerns vor der Schere und der
Kühlung der Oberfläche eines Gussprodukts vor der Weiterbehandlung;
Fig. 3 die Anordnung der Kühlung innerhalb der
Strangführung einer vertikalen Bandgießanlage.
Wie in der Fig. 1 dargestellt wird ein Mikroseigerungsmodell 10 eingesetzt, um die Nullzähigkeitstemperatur (Zero Ductility Temperature, ZDT) in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung einer Schmelze zu bestimmen. Das Mikroseigerungsmodell 10 als Teil eines Regelmodells berechnet den Festphasenanteil als Funktion der chemischen Zusammensetzung beispielsweise unter Verwendung des Scheil-Gulliver-Modells. Hieraus ergibt sich ein Temperaturwert, bei dem das Gussprodukt vollständig durcherstarrt ist und auch keine Flüssigkeitsfilme an den Korngrenzen des erstarrten Gefüges vorliegen. Diese Temperatur wird als TSOM 11 bezeichnet und ist zugleich die ZDT. Die ermittelte ZDT wird zur Regelung bzw. Steuerung der Kühlung und/oder der Transportgeschwindigkeit verwendet. Die Kühlung muss so geregelt werden, dass vor dem ersten Umformschritt, aber mindestens vor einem mechanischen Ablängen des Gussprodukts (des gegossenen Werkstoffs) mittels einer Schere, die ZDT erreicht oder unterschritten wird. Dies kann ein dynamischer Regelprozess sein, der fortlaufend überwacht und geregelt wird.
Die Fig. 2 zeigt ein beispielhaftes Anlagenkonzept 12 mit Kühlaggregaten 13 zur Kühlung des Kerns eines Stranges 14. Der Strang 14 bzw. das Gussprodukt bestehend aus dem gegossenen Werkstoff, wird aus einer Stahlschmelze 16 mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung mit einer verstärkten Tendenz zur Seigerung durch Gießen aus einer Gießpfanne 17 über ein Zwischengefäß 18 in einer Durchlaufkokille 19 ausgebildet. Wichtig für das Kühlkonzept ist es, dass vor und nach dem Richten des Strangs 14 intensiv gekühlt wird. Während des Richtens zu intensiv zu kühlen würde eine erhöhte Rissgefahr für den Strang 14 bedeuten. Die intensive Kühlung des Strangs 14 (des gegossenen Werkstoffs) erfolgt also vor und nach dem Richten im Bereich der Strang - führung (nicht dargestellt) mittels der Kühlaggregate 13, wobei auf eine Temperatur heruntergekühlt wird, die der berechneten ZDT entspricht oder knapp unterhalb dieser liegen darf. In jedem Fall ist es wichtig, dass die ZDT vor dem Abtrennen mittels der Schere 15 erreicht wird. Eine Kühlung der Oberfläche des Strangs 14 (des gegossenen Werkstoffs) ist nach einer Erwärmungseinheit 20 vorgesehen. Durch die Erwärmung kann durch Überschreitung der ZDT an der Oberfläche, bzw. bis in den Kern hinein, wieder ein Flüssigkeitsfilm an den Korngrenzen entstehen. Dieser Flüssigkeitsfilm würde in den nachfolgenden Arbeitsgängen zu Aggregationen an Anlagenteilen, bzw. zu Aufrissen beim Walzen, führen. Um dies zu verhindern ist in Arbeitsrichtung eine weitere Kühlung 21 vorgesehen, die die Oberfläche, bzw. den Kern, des Strangs auf die ZDT herunterkühlt, bevor dieser beispielsweise in ein mehrstufiges Walzgerüst 22 eingeführt wird. Am Ende des„in Line" Prozesses wird der gewalzte Strang 14 zu einem Coil 23 aufgehaspelt.
Fig. 3 ist eine Detailansicht nach Fig. 2. Hierbei ist es vorgesehen, innerhalb eines Bereichs 24, der vor dem Richtbereich in der Strangführung liegt, intensiv zu kühlen, wie dies durch den Pfeil 25 angedeutet wird. Nach dem Richten ist ein weiterer Bereich 26 vorgesehen in der der Strang 14 innerhalb der Strangführung ein weiteres Mal intensiv gekühlt wird, wie dies durch den Pfeil 27 angedeutet wird. Nach dem zweiten intensiven Kühlen im Bereich 26 sollte die ZDT für das spezielle Gussprodukt erreicht sein, so dass es problemlos mit einer Schere auf die gewünschte Länge getrennt werden kann. Bezugszeichenliste
Mikroseigerungsmodell
Tsoll
Anlagenkonzept
Kühlaggregate
Strang
Schere
Stahlschmelze
Gießpfanne
Zwischengefäß
Durchlaufkokille
Erwärmungseinheit
weitere Kühlung
Walzgerüste
Coil
erster Kühlbereich
Pfeil
zweiter Kühlbereich
Pfeil

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbessern des Verschleißverhaltens von Anlagenkomponenten bei der Herstellung und Weiterverarbeitung von Gussprodukten aus Werkstoffen mit einer verstärkten Tendenz zur Seigerung wie beispielsweise hochlegierten Stählen, bei dem das Gießen und das Warmumformen in einer Linie stattfindet, umfassend eine Gießanlage mit einer Strang- oder Bandführung, Kühlmittel zum Kühlen, sowie Mittel zum Ablängen und Aggregate zum Wiedererwärmen, bei der der gegossene Werkstoff mittels Rollen-Transportvorrichtungen befördert wird dadurch gekennzeichnet dass, eine intensive Kühlung des gegossenen Werkstoffs in der Strangführung der Gießanlage und unter Berücksichtigung der Gießanlage nachfolgenden Kühleinrichtungen erfolgt, wobei die Kühlung für den gegossenen Werkstoff derart gesteuert wird, dass die höchste Temperatur im Querschnitt des gegossenen Werkstoffs (senkrecht zur Gießrichtung) die Nullzähigkeitstemperatur (ZDT) am Ende der Gießanlage und vor dem ersten Umformschritt, aber mindestens vor einem mechanischen Ablängen des gegossenen Werkstoffs mittels einer Schere, unterschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die ZDT für den gegossenen Werkstoff mittels Heißzugversuchen nach vorhergehendem Aufschmelzen durch Messung der Brucheinschnürung experimentell bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die intensive Kühlung des gegossenen Werkstoffs derart gesteuert wird, dass das Temperaturprofil des gegossenen Werkstoffs im Querschnitt ausgeglichen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der intensiven Kühlung die Nullzähigkeitstemperatur (ZDT) unter Verwendung eines Mikroseigerungsmodells unter Berücksichtigung der dem gegossenen Werkstoff zugrunde liegenden chemischen Zusammensetzung der Schmelze, berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die berechnete Nullzähigkeitstemperatur an ein Regelungsmodell zur Automatisierung der Gießanlage übertragen wird und für die Regelung der Kühlung und/oder der Transportgeschwindigkeit des gegossenen Werkstoffs übernommen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelmodell die Kühlwassermenge der Gießanlage für die Sekundärkühlung und der tertiären Kühlung so geregelt wird, dass die Bedingung TQuerschnitt,max < Nullzähigkeitstemperatur erfüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mi- kroseigerungsmodell als Teil des Regelmodells den Festphasenanteil im gegossenen Werkstoff mindestens als Funktion der chemischen Zusammensetzung und ggf. als Funktion von sekundärem Dendriten- armabstand und der Abkühlgeschwindigkeit berechnet.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Oberflächenfehlern die Oberflächentemperatur des gegossenen Werkstoffs im Richtbereich der Gießanlage höher als 850°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Makroseigerung veränderte chemische Zusammensetzung im zuletzt erstarrenden Bereich des Querschnitts des gegossenen Werkstoffs berücksichtigt wird, entweder durch die Simulation von Makroseigerungen mit CFD-Software oder durch die Ermittlung und Anwendung von Seigerungsindizes.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Seigerungsindizes anhand einer Querschnittsprobe des gegossenen Werkstoffs (senkrecht zur Gießrichtung) einer bestimmten Werkstoffgüte experimentell bestimmt wird, wobei die dort im Bereich der maximalen Seigerungen gemessenen Konzentrationen Ci eines Elements i ins Verhältnis zu den nominalen Konzentrationen c0,i der chemischen Elemente gesetzt werden und so die Seigerungsindizes Ki = Ci/C0,i bestimmt werden.
11 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit den
Seigerungsindizes die aktuell zu vergießende Nominalzusammensetzung Q = c0,i, aktuell * ki einer Schmelze korrigiert wird und an das Mi- kroseigerungsmodell als Korrekturwert zur Bestimmung der ZDT übergeben wird.
12. Einrichtung für die Herstellung von Gussprodukten aus Werkstoffen mit einer verstärkten Tendenz zur Seigerung wie beispielsweise hochlegierten Stählen, in einer Linie unter Anwendung des Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11 , umfassend eine Gießanlage, eine Strangoder Bandführung, eine Kühlung zum Kühlen des gegossenen Werkstoffs, Richteinrichtungen und Ablängmittel, sowie Transportmittel zum Richten, Ablängen und Transportieren des gegossenen Werkstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass eine intensive Kühlung des gegossenen Werkstoffs in der Strang- oder Bandführung der Gießanlage und unter Berücksichtigung der Gießanlage nachfolgenden Kühleinrichtungen erfolgt, wobei die Kühlung des gegossenen Werkstoffs derart steuerbar ist, dass die höchste Temperatur im Querschnitt des gegossenen Werkstoffs (senkrecht zur Gießrichtung) die Nullzähigkeitstemperatur (ZDT) am Ende der Gießmaschine und vor dem ersten Umformschritt, aber mindestens vor einem mechanischen Ablängen des gegossenen Werkstoffs mittels einer Schere, zumindest temporär für den jeweiligen Bearbeitungsschritt, unterschritten ist.
13. Einrichtung für die Herstellung von Gussprodukten aus Werkstoffen mit einer erhöhten Tendenz zur Mikroseigerung in einer Linie nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim temporären Umformen, z.B. beim Scherenschnitt, die Nullzähigkeitstemperatur (ZDT) zumindest in dem Bereich, der durch den Scherenschnitt bzw. die Umformung beeinflusst wird, erreicht ist und daneben, davor und dahinter liegende Bereiche im Gießstrang, zum Zwecke der Energieeinsparung, bei der Weiterverarbeitung des Gießstrangs auf einem Temperaturniveau über der Nullzähigkeitstemperatur (ZDT) verbleiben. Einrichtung für die Herstellung eines Gussprodukts aus Werkstoffen mit einer erhöhten Tendenz zur Mikroseigerung in einer Linie nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Einrichtung mit einem Anlagenkonzept, in dem der Strang des gegossenen Werkstoffs mittels einer Zweirollengießmaschine bzw. einer Bandgießmaschine gegossen wird, auch die Bereiche, in denen das Band umgelenkt bzw. in Schlaufen gelegt, mittels Schere quergeteilt und direkt ausgewalzt wird, eine intensive Kühlung des gegossenen Werkstoffs in diesen Bereichen unter Berücksichtigung nachfolgender Kühleinrichtungen erfolgt, wobei die Kühlung des gegossenen Werkstoffs derart steuerbar ist, dass die höchste Temperatur im Querschnitt des gegossenen Werkstoffs (senkrecht zur Gießrichtung) die Nullzähigkeitstemperatur (ZDT) vor diesen Bereichen unterschritten ist.
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