Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Metallsträngen, bei dem insbesondere ein Metallband aus Stahl durch die Bodendurchlaßvorrichtung eines Gefäßes, gefüllt mit Schmelze, insbesondere aus Stahl, gefördert wird und nach Ankristallisation von Schmelze der beschichtete Metallstrang, insbesondere das beschichtete Metallband, oberhalb des Gefäßes, abgezogen wird und der Ankristallisationsträger, das Mutterband, durch eine Bodendurchlaßvorrichtung des Gefäßes mit lichter Weite zwischen Mutterband und Durchlaßvorrichtung geführt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Verfahren und Vorrichtung befassen sich mit der Beschichtung von vorwiegend Bändern aber auch Profilen und Draht, vorzugsweise aus Stahl. Das Band, wie z.B. Kohlenstoff-Stahl wird durch den Boden eines Schmelzengefäßes, gefüllt mit einer Stahlschmelze gleicher Güte wie das Band oder einer anderen Stahlgüte wie z.B. nichtrostender Stahl, mit der Schmelze, kontrolliert in ihrer Temperatur während einer bestimmten Zeit zur Beschichtung in Kontakt gebracht.
Solche Verfahren und Vorrichtungen kommen zum Einsatz bei dem Verfahren und der Einrichtung zum Erzeugen von dünnen Metallsträngen gemäß EP 0 311 602 B1. Bei diesem Verfahren ist der Boden des Kristallisators (Gefäß mit Schmelze) gegen das durchlaufende Band mechanisch verschlossen. Dieser mechanische Kontakt kann mit einem Körper aus fester Materie, wie z.B. einem feuerfesten Stein, oder auch Stahl gleitend oder rollend erzeugt werden.
Aus DE 44 26 705 C1 ist eine Inversionsgießeinrichtung mit Kristallisator bekannt. Hierbei wird ein ungekühltes, gereinigtes Metallband niedrigen Wärmeinhalts von einer Metallrolle abgenommen und durch eine in dem Kristallisator befindliche Metallschmelze geführt. Bei dem Kontakt des Metallbandes kristallisiert die Schmelze an dem relativ kühlen Metallprofil an. Die Ankristallisationsdicke ist abhängig von der Länge der Kontaktzeit sowie den Temperaturen des Metallprofils und der Metallschmelze. Bei der vorbekannten Inversionsgießeinrichtung ist eine den Kristallisator in Bodennähe horizontal umgreifende Vorlage vorgesehen. Von der Vorlage führen Düsen zum Innenraum des Kristallisators. Die Düsenmündungen sind dabei so angeordnet, daß die ausströmende Schmelze in einem flachen Winkel in Bandabzugsrichtung auf das Trägerband auftreffen soll, um bei einer Relativgeschwindigkeit von nahezu Null die Schmelze an dem Band ankristallisieren zu lassen. Im Boden des Kristallisators ist ein Durchtritt für das Metallband vorgesehen, der durch eine mechanische Abdichtung ein Auslaufen der Schmelze aus dem Kristallisator verhindert.
Aus der DE 195 09 691 C1 ist bei einer Inversionsgießeinrichtung mit Kristallisator eine Bodendurchführung für das Metallband in den Kristallisator durch einen schlitzförmigen Kanal berührungsarm derart vorgesehen, daß die Metallschmelze im Bereich der Mündung des Kanals auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der in einem Zwei-Phasen-Gebiet ein Kristallanteil zwischen 50 und 90% vorliegt, wobei das Metallband dann im Bereich der Mündung des Kanals mit dieser kühlen Schmelzenmenge kontaktiert wird. Das Zwei-Phasen-Gebiet soll dabei eine so hohe Viskosität aufweisen, daß es die Funktion einer sich selbst erneuernden Dichtung übernimmt und ein Eindringen der Schmelze in den Spalt und den Bodendurchlaß verhindern soll.
Aus DE 195 09 681 C1 ist eine weitere Inversionsgießeinrichtung mit einem mit Schmelze gefüllten Kristallisator bekannt, bei dem das Trägerband auf eine Temperatur von etwa 200 °C vorgewärmt wird, ehe das Band in das Schmelzebad eingeführt wird. Die Vorwärmung des Trägerbandes erfolgt durch einen indirekten Wärmeaustausch in sauerstofffreier Umgebung. Zu diesem Zweck wird das Trägerband in einem in dem Kristallisator senkrecht angeordneten längeren Kanal hindurchgeführt. Im Nahbereich der Eintrittsstelle des Trägerbandes aus dem Wärmeübertragungskanal in die Metallschmelze bildet sich ein Meniskus aus, der im Zwei-Phasen-Gebiet der Schmelze liegt mit einer Isotherme, die zwischen Liquidustemperatur und Solidustemperatur liegt. Dieses Zwei-Phasen-Gebiet der Schmelze weist wie bei DE 195 09 691 C1 eine so hohe Viskosität auf, daß es die Funktion einer sich selbst erneuernden Dichtung übernehmen soll, um das Ausfließen der Schmelze aus dem Kristallisator zu verhindern.
Zu dem zuvor genannten Stand der Technik gehört auch das Dokument GB-PS 992 426.
Dieses Dokument befaßt sich mit der Kupferbeschichtung von Kupferdraht mittels einer Beschichtungsantage. Die Beschichtungsanlage weist hierzu ein Inversionsgefäß auf, welches mit schmelzflüssigem Kupfer gefüllt ist, und durch das der Kupferdraht von unten nach oben durchgezogen wird. Das Inversionsgefäß zeigt femer die Durchtrittsöffnung für den Draht sowie einen Spalt zwischen dem Draht und der Durchtrittsöffnung. Hierzu heißt es, dass die Metallschmelze einen Meniskus formt zwischen dem relativ schnell durchlaufenden Draht und der Durchtrittsöffnung. Femer heißt es, dass ein leichtes momentanes Einfrieren der Schmelze auftreten kann. Aus dieser Schilderung kann gefolgert werden, dass die Meniskusabdichtung im Zwei-Phasen-Gebiet erfolgen soll, d.h. in einem Gebiet einer relativ hohen Viskosität der Schmelze.
Die zuvor beschriebenen Lösungsbeispiele zur Verhinderung des Ausfließens der Schmelze aus einem Kristallisator einer Inversionsgießeinrichtung weisen jeweils spezifische Nachteile auf.
So ist bei dem mechanischen Verschluß eine gleichförmige Bewegung des zu beschichtenden Bandes nur schwer realisierbar und der Verschleiß des Reibverschlusses zu hoch.
Hingegen ist bei der partiellen Unterkühlung der Schmelze im Bodendurchlaßbereich des zu beschichtenden Bandes in den Kristallisator eine Temperaturführung nur sehr schwierig und hier besonders bei einem klein ausgeprägten Zwei-Phasen-Gebiet, Temperaturdifferenz zwischen T-Liquidus und T-Solidus, wie es besonders bei kohlenstoffarmen Stahlschmelzen (0,005 bis 0,2 % C) vorliegt. Außerdem kann es zu der Gefahr der Vorerstarrung und Regulusbildung am Kristallisationsträger kommen.
Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung, die es unabhängig von der Stahlgüte, d.h. unabhängig von der Ausbildung des Zwei-Phasen-Gebietes erlauben, sowohl reibschlußfrei als auch ohne genaueste Temperaturführung von +/- 2 °K im Unterkühlungsbereich der Schmelze störungsfrei gießen zu können.
Die unerwartete Lösung der Aufgabe kann mit folgenden Verfahrensmerkmalen erzielt werden:
Es erfolgt eine kontrollierte Kühlung im Bodenbereich des Schmelzegefäßes, dem Kristallisator. Am Düsenausgang der Bodendurchlaßvorrichtung wird eine Schmelzentemperatur eingestellt, die größer als die Liquidus-Temperatur der Schmelze ist. Am Düsenausgang der Bodendurchlaßvorrichtung wird ein Meniskus in der reinen Schmelzphase ausgebildet. Zwischen dem Meniskus der Schmelze am Düsenausgang und dem Erstarrungsbeginn wird ein Abstand ausgebildet. Die Wärmeabfuhr im Bereich der Bodendurchlaßvorrichtung wird in Abhängigkeit von der Bandgeschwindigkeit, Badtemperatur und Spaltbreite so geregelt, daß der Meniskus der reinen Schmelze sich frei und stationär am Düsenausgang ausbildet.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens. Die Vorrichtung umfaßt einen Kristallisator gefüllt mit schmelze, insbesondere aus Stahl, bestehend aus Stahlkonstruktion, Feuerfestauskleidung, Metallzulauf und mit einer Bodendurchlaßvorrichtung, die den Durchlauf eines Metallbandes (Ankristallisationsträger) erlaubt. Erfindungsgemäß weist die Feuerfestauskleidung im Bereich der Bodendurchlaßvorrichtung eine zum kontrollierten Wärmedurchgang in die Bodenplatte des Kristallisators definierte Dicke auf und zwischen der Feuerfestauskleidung und der Bodenplatte des Kristallisators ist ein Metallblock mit Medienkühlung angeordnet und es ist eine elektromagnetische Vorrichtung zum Verschluß des Schmeizengefäßes vorgesehen.
Durch diese Maßnahme wird eine kontrollierte Wärmeabfuhr im Bereich des Meniskus ermöglicht.
In Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Spalt der Düse am Düsenausgang zwischen Düsenwand und Mutterbandoberfläche maximal 5,0 mm, vorzugsweise 0,2 bis 3,0 mm. Diese Spaltbreite verhindert eine mechanische Berührung zwischen dem Kristallisationsträger und der Bodendurchtrittsdüse sowie ein Auslauf der Schmelze durch den Spalt des Bodendurchlasses und gleichzeitig eine unerwünschte Vorerstarrung, die zur ungleichmäßigen Kristallisationsoberfläche des beschichteten Produktes führt. Dieses positive unerwartete Verhalten führt zu der hier beschriebenen Erfindung, die u.a. durch folgende Merkmale charakterisiert werden kann:
Weiterhin können im Falle von unterschiedlichen Bandbreiten die Positionen der Düsenbegrenzungselemente im Bereich der Bandkanten durch Verschieben zwischen den Düsenbreitseitenelementen, entsprechend der Bandbreite unter Berücksichtigung der Spalte im Bandkantenbereich, verschoben und optimal positioniert werden. Dies kann sowohl vor Beginn einer Gießsequenz als auch während des Gießprozesses erfolgen.
In den Fig. 1 bis 4 sind Beispiele der Erfindung der Bandbeschichtungsanlage mit Bodendurchtrittsvorrichtung dargestellt.
Die Figur 1 gibt eine Gesamtansicht (Schnitt) der Bandbeschichtungsanlage schematisch wieder. Der Kristallisator (1) gefüllt mit Schmelze (2), der im wesentlichen aus einer Stahlkonstruktion (1.1), einer feuerfesten Auskleidung (1.2), einem Stahlzulauf (1.3) und einem Notauslauf (1.4) besteht, nimmt den Ankristallisationsträger, das Mutterband (3) über die Bodendurchlaßvorrichtung (4) mit Düse (4.1) auf. Die Schmelze (2), die eine Temperatur im Öffnungsbereich der Düse, Düsenausgang (4.2) größer als T - Liquidus aufweisen muß, bildet einen Meniskus (5) am Spalt zwischen Mutterband (3) und Düsenausgang (4.2) aus, der ein Auslaufen der Schmelze verhindert. Diese Ausbildung des Meniskus (5) kann nur dann störungsfrei erfolgen, wenn die Schmelze in der Temperatur oberhalb T - Liquidus ist, also eine reine flüssige Phase und keine Vorerstarrungen in der Schmelze vorliegen. Diese Schmelzphase im Überhitzungsbereich (T-ist>T-li) erstreckt sich zwischen der Badoberfläche (6), der T-li Isotherme (7) und der Feuerfestauskleidung (1.2).
Die Schmelze sollte eine mittlere Temperatur von ca. T - Liquidus + 10 ° K aufweisen . Der Verlauf der T - li Isotherme (7) ist so einzustellen, daß die Isotherme das Mutterband (3) oberhalb des Meniskus (5) im Punkt (7.1) erreicht. Bei einer solchen Temperaturführung beginnt die Erstarrung oberhalb des Düsenausgangs (4.2) d.h. oberhalb des Meniskus (5) bzw. oberhalb der Isotherme (7) und des Punktes (7.1) und zwar im Punkt (8), der einen deutlichen Abstand (8.1)zum Meniskus (5) aufweist. Diese thermischen Bedingungen erlauben es, selbst auch bei Temperaturschwankungen des Schmelzbades, die zu Veränderungen des Abstandes (8.1) führen, ein störungsfreies, gleichförmiges Beschichtungsprofil (9) auf dem Mutterband (3) enstehen zu lassen.
Das Stahlband (3) wird über angetriebene Rollenpaare (10) und auch eine Rollenführung (11), die sich in einem inerten und temperaturkontrollierten Raum befinden, senkrecht durch die Schmelze mit einer nach oben gerichteten Bewegungsrichtung (3.1) getrieben. Im Bodendurchlaßbereich (4), der mit der Düse ausgestattet ist, muß der Wärmedurchgang in die Bodenplatte (12) des Kristallisators (1) in der Art und Weise kontrolliert werden, daß im Bereich des Meniskus (5) am Düsenausgang (4.2) keine Erstarrung also eine Schmelzentemperatur vorherrscht, die größer als T - Liquidus ist und die während der Gießzeit nicht unter T - Liquidus absinkt.
Diese Bedingung kann mit relativ einfachen Mitteln beispielsweise durch folgende alternative oder auch kombinierte Vorrichtungsmerkmale unerwartet eingestellt werden, wie sie in den Figuren 2 und 3 dargestellt sind.
Die Figuren 2 und 3 stellen den Kristallisator (1) mit möglichen Bodendurchtrittsvorrichtungen (4) für das Mutterband (3) dar. Im Boden können zur freien Ausbildung des Meniskus (5) am Düsenausgang (4.2) unterschiedliche Vorrichtungen alternativ oder in Kombination zum Einsatz gelangen. Voraussetzung ist eine Schmelzentemperatur am Meniskus von T -ist > T- liquidus, um einen einphasigen Schmelzenzustand sicherzustellen. Der Abstand, Spalt (13) zwischen dem Ankristallisationsträger,dem Mutterband (3) und dem Düsenausgang (4.2) sollte zwischen 0,2 und 3 mm betragen, um einerseits ein Verklemmen des Mutterbandes (3) in der Düse (4.1) und andererseits ein Auslaufen der Schmelze (2) aus dem Kristallisator (1) zu verhindern.
Der Bodendurchlaßbereich (4) ist zwischen der Schmelze (2) und der Bodenplatte (12) zur kontrollierten Wärmeabfuhr wie folgt aufgebaut :
Der Spalt (13) am Düsenausgang (4.2) sowie am Düseneingang (4.3) kann parallel (Fig. 2) aber auch konisch ( Fig. 3) ausgebildet sein. Die konische Ausbildung führt zu einem störungsfreien Lauf des Mutterbandes (3) und einer freien Ausbildung des Menikus (5).
Der in der Bodenplatte (12) eintretende Wärmestrom kann nun auf verschiedene kontrollierte Arten alternativ oder in Kombination abgeführt werden :
Diese vorgeschlagenen Ausführungen der Bodendurchlaßvorrichtung (4) können in Kombination oder alternativ zur optimierten Einstellung der Schmelzentemperatur am Düsenaustritt (4.2) und Ausbildung des Schmelzenmeniskus (5) am Düsenausgang (4.2) gewählt werden, um einen störungsfreien Lauf des Bandes sicherzustellen.
Außerdem kann, wie in Figur 4 dargestellt, die Düsenbreite (21) bei Einsatz eines Bandes durch verstellbare Breitenbegrenzungen (22) beliebig vorgewählt werden. Der Spalt (13) zwischen Düse (4.1) und Mutterband (3) kann durch die Verstellung der Breite (21) bei vorgegebener Bandbreite (23) optimal über die Breite unter Einbeziehung der Spalte (13) eigestellt werden. Weiterhin erlaubt diese Vorrichtung auch eine Veränderung der Bandbreite während einer Gießkampagne.