Verfahren und Vorrichtung zum Block- oder Stranggiessen von Metallen

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Block- oder Stranggießen von Metallen in einer Kokille mit wärmeabführenden Wänden. Um die Bildung von Guß- beziehungsweise Oszillationsmarken an der Oberfläche des zu gießenden Blockes oder Stranges möglichst weitgehend zu verhindern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, der Schmelze (2) im wandnahen Bereich des Badspiegels (3) Wärme zuzuführen, so daß in diesem Bereich das Metall schmelzflüssig gehalten wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Block- oder Stranggießen von Metallen in einer Kokille mit wärmeabführenden Wänden sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Sowohl beim Blockguß als auch beim Strangguß treten an der Oberfläche des Gußproduktes in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen kleine, in Umfangsrichtung verlaufende Vertiefungen auf. Diese werden beim Blockguß als Gußmarken und beim Stranggießen als Oszillationsmarken bezeichnet. Diese Marken können aufgrund ihrer Kerbwirkung die Entstehung von Strang-Oberflächenrissen begünstigen, beim Warmwalzen sowohl von Block- als auch von Stranggußmaterial zu einer Rißbildung beitragen. Untersuchungen haben ergeben, daß die Bildung dieser unerwünschten Marken an der Oberfläche des gegossenen Blockes oder Stranges darauf zurückzuführen ist, daß die Schmelze im an den wärmeabführenden Wänden der Kokille angrenzenden Bereich aufgrund der Oberflächenspannung der Schmelze konvex gekrümmt ist und hier zu einer Meniskusschale erstarrt.

[0003] Diese erstarrte Meniskusschale bildet mit den wärmeabführenden Wänden einen Spalt, der durch beim weiteren Gießen nachfließendes schmelzflüssiges Metall nur teilweise aufgefüllt werden kann, weil dieses nachfließende Metall wegen der Kühlung an den Wänden schnell erstarrt.

[0004] Um die Bildung solcher Guß- beziehungsweise Oszillationsmarken an den Oberflächen von gegossenen Blöcken oder Strängen zumindest zu vermindern, sind verschiedene Vorschläge gemacht worden, die aber entweder für die Praxis untauglich sind oder die in der Praxis zu keinem befriedigendem Ergebnis geführt haben.

[0005] Ein bekannter Vorschlag zur Verringerung der Oszillationsmarken beim Stranggießen besteht darin, für die Oszillation der Kokille hohe Frequenzen (f >= 110 min⁻¹) und kleine Schwingungshübe (S = 3 - 10 mm) zu wählen. Da das Ergebnis eines Gießverfahrens unter diesen Bedingungen nicht befriedigte, hat man versucht, die Schwingungsbedingungen durch eine mittels pulverförmiger Additive verbesserten Schmierwirkung zwischen der Schmelze und den gekühlten Kokillenwänden derart zu verbessern, daß eine Verformung des Schmelzbadspiegels durch auf dem Spiegel aufliegende Schlacke bei den Hubbewegungen nicht auftreten kann. Es ist nicht bekannt, ob ein solches Verfahren Eingang in die Praxis gefunden und sich da bewährt hat (DE 31 13 611 A1).

[0006] Bei einem anderen bekannten Verfahren ist vorgesehen, die Kühlintensität der gekühlten Wände der Kokille auf die Schmelze im Bereich des Schmelzbadspiegels mittels eines im Bereich des Badspiegels an der Schmelze angrenzenden, in der gekühlten Kokillenwand angeordneten Einsatzes geringer Wärmeleitfähigkeit zu vermindern. In der Praxis hat diese Maßnahme keine befriedigende Realisierung gefunden, weil bereits nach wenigen Güssen Rißbildungen und/oder Verschleiß des Einsatzes auftreten und deshalb Fehler an der Strangoberfläche oder sogar Strangdurchbrüche entstehen können (EP 0 030 308 A1).

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Block- oder Stranggießen von Metallen sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen, mit dem beziehungsweise mit der es möglich ist, Blöcke beziehungsweise Stränge zu gießen, die möglichst frei von Guß- beziehungsweise Oszillationsmarken an der Oberfläche sind.

[0008] Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß das in die Kokille gegossene Metall durch Zufuhr von Wärme in einem an den Wänden angrenzenden Bereich des Badspiegels schmelzflüssig gehalten wird.

[0009] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Unterschied zu dem einen bekannten Verfahren nicht die Kühlintensität der Wände auf die Schmelze zur Bildung einer erstarrten Schale vermindert, sondern es wird durch die gezielte Wärmezufuhr an der kritischen Stelle des an den gekühlten Kokillenwänden angrenzenden Bereichs des Badspiegels die Bildung einer von den gekühlten Wänden ausgehenden erstarrten Meniskusschale wenn nicht verhindert, so doch wesentlich vermindert. Deshalb kommt es praktisch nicht mehr zur Bildung von Gußbeziehungsweise Oszillationsmarken. Da bei der Erfindung dafür nicht die Kühlwirkung der Kokillenwand, zum Beispiel durch die Heiz- oder Isoliereinsätze, vermindert oder gar aufgehoben wird, wird ein erwünschtes möglichst frühzeitiges Wachsen der Strangschale nicht unterbunden. Vergleichende Untersuchungen mit einem herkömmlichen Verfahren zum Stranggießen und dem erfindungsgemäßen Verfahren haben ergeben, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Verminderung der Tiefe der Oszillationsmarken um mehr als eine Zehnerpotenz bis zwei Zehnerpotenzen erreicht werden kann.

[0010] Bei einer versuchsweisen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden dann gute Ergebnisse erzielt, wenn die Eindringtiefe der zugeführten Wärme in die Schmelze bis zu 15 mm betrug. Die Breite des durch die Wärmezufuhr flüssig gehaltenen Bereichs sollte von einem Abstand zur Kokillenwand von nahe 0 mm bis zu einem Abstand von ca. 15 mm zur Kokillenwand reichen. Die Bestimmung der einzelnen Maße hängt natürlich von der Kühlintensität der Wände, dem Kokillenquerschnitt, der Gießgeschwindigkeit und dem Material der Schmelze ab.

[0011] Durch die Wärmezufuhr sollte die Schmelze bis 15 ^oC über der Liquidustemperatur überhitzt werden, damit beim Überspülen des Meniskus an den Wänden der Spalt zwischem dem Meniskus und den Wänden möglichst weitgehend aufgefüllt wird.

[0012] Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Zufuhr von Wärme von oben auf die Schmelze. Dafür kann eine Induktionsheizung verwendet werden. Alternativ kann aber auch ein Gasbrenner verwendet werden. Zur weitgehenden Vermeidung von Oxidation des Badspiegels durch die Flamme des Gasbrenners darf diese einen nur schwach oxidierenden Charakter haben. Sicher vermeiden läßt sich eine Oxidation der Stahlschmelze, wenn eine indirekte Wärmezufuhr durch Aufheizen des Badspiegels mittels eines Inertgases als Zwischenträger für die Energie erfolgt. Auch wäre eine indirekte Wärmezufuhr durch Beheizen der auf dem Schmelzbadspiegel liegenden Gießschlacke denkbar. In jedem Fall ist die Wärmezufuhr so zu gestalten, daß nur ein vorbestimmter schmaler Bereich der Badoberfläche entlang der Kokillenwände erwärmt wird, eine direkte Beheizung der gekühlten Kokillenwände aber unterbleibt.

[0013] Sofern ein Gasbrenner verwendet wird, ist darauf zu achten, daß bei mit Gießöl oder flüssiger Gießschlacke beziehungsweise Gießpulver abgedecktem Badspiegel der Strahl im wandnahen Bereich das Gießöl beziehungsweise die Gießschlacke nicht verdrängt, weil sonst hier die Schmierwirkung vermindert wird beziehungsweise es zu unerwünschten Oxidationen kommt.

[0014] Wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung der Gasbrenner von schräg oben mit einer gegen die Kokillenwand gerichteten Komponente auf die Schmelze gerichtet, dann bleibt das Gießöl beziehungsweise die Gießschlacke auch im wandnahen Bereich, so daß die geschilderten Probleme nicht auftreten.

[0015] Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung, die mit besonderem Vorteil beim Stranggießen zum Einsatz kommt, erfolgt die Beheizung der Schmelze im Badspiegelbereich durch von der Seite in die Schmelze eindringende elektromagnetische Induktionsfelder. Durch eine entsprechende Wahl der Frequenz des die elektromagnetischen Induktionsfelder antreibenden Stromes kann erreicht werden, daß eine hohe spezifische Heizleistung ausschließlich in die wandnahen Oberflächenbereiche des Schmelzbadspiegels, nicht aber in die Kokillenwände eingebracht wird.

[0016] Bei einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung sind in der Kokille im wandnahen Bereich seitlich oder oberhalb des Badspiegels wirksame Heizeinrichtungen vorgesehen. Die Heizeinrichtungen sind vorzugsweise eine Induktionsheizung oder auf den Schmelzbadspiegel gerichtete Gasbrenner. Beim Stranggießen kommt vorzugsweise eine Heizeinrichtung zur Anwendung, welche aus mehreren in den Kokillenwänden eingebauten Induktionsspulen besteht, welche in geeigneter Weise in Höhe des Badspiegels beziehungsweise der Schlackenschicht angeordnet sind.

[0017] Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispiele in schematischer Darstellung darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1

eine Kokille zum Blockgießen ausschnittweise im Wandbereich im Axialschnitt
und

Fig. 2

eine Kokille zum Stranggießen ausschnittweise im Wandbereich im Axialschnitt.

[0018] Beim Gießen schmelzflüssigen Metalls in eine Kokille mit wärmeabführenden Wänden 1 bildet die Schmelze 2 aufgrund der Oberflächenspannung des schmelzflüssigen Metalls am Gießspiegel 3 im wandnahen Bereich einen konvex gekrümmten Meniskus. Dort wo die Schmelze 2 mit ihrem in Richtung 7 ansteigenden Gießbadspiegel 3 die wärmeabführende Wand 1 berührt, erstarrt die Schmelze. Dieser erstarrte Bereich 4 wird bei weiterer Zufuhr von schmelzflüssigem Metall überspült. Hierbei füllt die Schmelze 2 den Spalt zwischen Meniskusschale 4 und Kokillenwand 1 nur teilweise aus, weil das Eindringen der Schmelze in den engen Spalt aufgrund der Abkühlwirkung der Kokillenwand 1 behindert ist. Es entsteht deshalb bei jedem Überspülen der Meniskusschale durch flüssige Schmelze eine linienförmige Vertiefung 5 der Blockoberfläche am Umfang des Blockes.

[0019] Damit die am Badspiegel 3 erstarrende Schmelze möglichst wenig in das Kokilleninnere hineinwächst, ist oberhalb des Badspiegels 3 eine Heizeinrichtung in Form von Gasbrennern 6 angeordnet, deren Strahlrichtung auf den Badspiegel 3 gerichtet ist. Mit einer Komponente sollte die Strahlrichtung auch auf die Wand 1 gerichtet sein. Da beim Blockgießen der Badspiegel 3 ständig ansteigt, ist es erforderlich, die Heizeinrichtung 6 synchron mit dem Ansteigen des Badspiegels anzuheben. So werden die Verhältnisse während des Blockgießens gleichgehalten.

[0020] Wie aus Figur 2 ersichtlich, wird beim Gießen schmelzflüssigen Metalls 2 in eine Stranggußkokille 1 der Gießspiegel ständig mit Gießpulver abgedeckt. Dieses Pulver schmilzt durch den Kontakt mit dem flüssigen Stahl auf.

[0021] Ähnlich wie beim Blockgießen, bildet sich auch hier eine erstarrende konvexe Meniskusschale 4. Bei der oszillierenden Bewegung der Kokille, gleichzeitigem Abzug des Stranges in Richtung 7 und weiterer Zufuhr von schmelzflüssigem Metall wird die Meniskusschale von Metall überspült, das den Spalt zwischen der Meniskusschale 4 und der Wand 1 der Kokille nur teilweise ausfüllen kann, weil das Einfließen in den engen Spalt unter der starken Abkühlung der Wand 1 behindert wird. Es entsteht deshalb bei jedem Oszillationszyklus der Kokille eine linienförmige Vertiefung 5 am Umfang des Stranges.

[0022] Damit die am Badspiegel 3 erstarrende Schmelze möglichst wenig in das Kokilleninnere hineinwächst und bei dem vorgenannten Überspülen der Schmelze den Spalt möglichst vollständig ausfüllt, ist in der Kokillenwand 1 im Bereich des Badspiegels 3 eine induktive Heizeinrichtung 9 angeordnet. Die Höhe des Induktors 9 beträgt rund 30 bis 100 mm. Diese feste Installation des Induktors 9 in der Kokillenwand 1 ist möglich, weil beim Stranggießen der Badspiegel wegen des kontinuierlichen Abzuges des Stranges und der kontinuierlichen Zufuhr von schmelzflüssigem Metall auf dem gleichen Niveau gehalten wird.

[0023] Bei einer anderen, hier nicht dargestellten Ausgestaltung der Erfindung für das Stranggießen befindet sich der Induktor nicht in der Wand 1 der Kokille, sondern unmittelbar davor dicht oberhalb des den Badspiegel 3 abdeckenden Gießpulvers 8.

[0024] Versuche haben gezeigt, daß die anzubringende spezifische Heizleistung mehrere tausend kW/m² betragen muß. Bei einer Heizleistung von rund 4000 bis 8000 kW/m² läßt sich bei einer Steig- beziehungsweise Gießgeschwindigkeit einer Stranggußschmelze von 0,15 m/min. für Stahl eine Eindringtiefe von 15 mm erreichen. Die Tiefe der dabei auftretenden Gußmarken betrug weniger als 0,01 mm. Es versteht sich, daß bei den beim Stranggießen üblichen höheren Gießgeschwindigkeiten die nötige spezifische Heizleistung wegen der geringen Verweilzeit des Meniskus im Wirkungsbereich der Heizeinrichtung 6 höher gewählt werden muß. Für das Stranggießen wird man deshalb spezifische Heizleistungen zwischen 4000 und 30000 kW/m² benötigen. In einem typischen Beispiel für das Stranggießen beträgt die Gießgeschwindigkeit etwa 1 m/min. In diesem Fall ist eine spezifische Heizleistung von 8000 kW/m² erforderlich. Bei einem mit dieser Heizleistung zu beaufschlagenden wandnahen Bereich bis zu 20 mm Abstand von der Kokillenwand 1 ergeben sich für verschiedene Formate folgende Leistungen:
Brammenformat 2000 mm x 260 mm : 720 kW
Vorblockformat 380 mm x 260 mm : 205 kW.

Ansprüche

1. Verfahren zum Block- und Stranggießen von Metallen in einer Kokille mit wärmeabführenden Wänden (1),
dadurch gekennzeichnet, daß das in die Kokille gegossene Metall durch Zufuhr von Wärme in einem an den Wänden (1) angrenzenden Bereich des Badspiegels schmelzflüssig gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe der zugeführten Wärme in die Schmelze (2) bis zu 50 mm beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des durch die Wärmezufuhr schmelzflüssig gehaltenen Bereiches bis zu einem Abstand von der jeweiligen Kokillenwand von 30, insbesondere 15 mm, reicht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Wärmezufuhr schmelzflüssig gehaltene Bereich in einem Abstand von > 0 mm von den Wänden (1) ausgeht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wärmezufuhr die Schmelze (2) bis 30^oC über der Liquidustemperatur des Metalls überhitzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr von oben auf die Schmelze (2) erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr mittels einer Induktionsheizung erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr mittels Gasbrenner (6) erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gasbrenner (6) von schräg oben mit einer gegen die Kokillenwand (1) gerichteten Komponente auf die Schmelze (2) gerichtet sind.

10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Flamme des Gasbrenners (6) eine nur schwach oxidierende Wirkung hat.

11. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung mittels Gasbrenner (8) über ein Inertgas als Zwischenträger erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung mittels der Gasbrenner (8) über die auf dem Badspiegel liegende Gießschlacke erfolgt.

13. Vorrichtung zum Block- oder Stranggießen von Metallen, bestehend aus einer Kokille mit wärmeabführenden Wänden (1),
dadurch gekennzeichnet, daß eine im wandnahen Bereich des Badspiegels (3) der Schmelze (2) wirksame Heizeinrichtung (6) in der Kokille angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung eine Induktionsheizung ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsheizung einen in Gießbadspiegelhöhe in der Kokillenwand (1) eingebauten Induktor (9) aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsheizung einen in der Nähe der Kokillenwand (1) oberhalb der Gießschlacke (8) angeordneten Induktor aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtungen Gasbrenner (6) sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gasbrenner von schräg oben mit einer gegen die Kokillenwand gerichteten Komponente auf den Badspiegel (3) der Schmelze (2) gerichtet sind.

Zeichnung