Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von beschichteten Strängen aus Metall, insbesondere von Bändern aus Stahl, bei dem ein Metallstrang durch den Boden eines Gefäßes, gefüllt mit Schmelze gleicher oder unterschiedlicher Zusammensetzung wie der Metallstrang, geführt wird, wobei die Verweilzeit des Metallstranges in Abhängigkeit von der Schmelzbadhöhe, der Gießgeschwindigkeit, der Metallstrangdicke und der Vorwärmtemperatur des Metallstranges so gewählt wird, daß die abgelagerte Schmelze auf dem Metallstrang eine gewünschte Dicke von dem Mehrfachen der Ausgangsdicke des Metallstranges annimmt und der Metallstrang mit ankristallisierter Schicht nach Austritt aus dem Schmelzebad einen Glättstich erfährt, der dann vorgenommen wird, wenn die Oberflächentemperatur des ankristallisierten Stranges kleiner als die Solidus-Temperatur des Schmelzbades ist und damit zumindest die Oberfläche der ankristallisierten Schicht erstarrt ist
Bei einem aus der EP 0 832 990 A2 bekanntgewordenen Verfahren und Vorrichtung wird ein Nachteil bei der Erzeugung von beschichteten Metallsträngen, vorzugsweise Bänder aus einer Stahlgüte oder unterschiedlichen Stahlgüten, wie z.B. Monomaterial oder Verbundmaterial und hier im besonderen auch Verbundmaterial aus Kohlenstoff-Stahl, dünnbeschichtet mit Rostfrei-Stählen behoben. Als nachteilig hat sich bei derartigen Inversionsgießeinrichtungen bei einer ankristallisierten Schicht mit einer "teigigen Oberfläche und teigigem Kem" gezeigt, daß die am Mutterband anhaftende Schicht einerseits zwar schon relativ weit erstarrt ist, aber andererseits in ihrer Außenzone noch ausreichende Anteile an flüssiger Phase beim Eintritt in das Glättrollenpaar aufweist. Das Band erfährt dann beim Durchlaufen des Glättrollenpaares eine starke Unterkühlung, womit die Neigung der Rißbildung sowohl längs und quer zur Bandrichtung auftritt. Diese Gefahr erhöht sich noch bei höheren Gieß- und Walzgeschwindigkeiten. Es wird dort deshalb der Glättstich dann vorgenommen, wenn die Oberflächentemperatur des ankristallisierten Stranges kleiner als die Solidus-Temperatur des Schmelzbades ist und damit zumindest die Oberfläche der ankristallisierten Schicht erstarrt ist. Gleichwohl ist nicht auszuschließen, daß die Dicke der ankristallisierten Schicht schwankt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Glättung des Bandes mit einer Banddickentoleranz von maximal 2% ohne Rißbildung sowohl in der Oberfläche als auch im Inneren des Bandes bei gleichzeitiger Dickenkontrolle der Ankristallisation sicherstellen.
Die überraschende Lösung wird hinsichtlich des Verfahrens durch die in den Ansprüchen 1 bis 3 angegebenen kennzeichnenden Merkmale und bezüglich der Vorrichtung durch die in den Ansprüchen 4 bis 7 enthaltenen Merkmale erreicht.
Die Hauptmerkmale zur Erzeugung von fehlerfreien, planbeschichteten Bändem, beispielsweise mit einem Breite-/Dicke-Verhältnis größer 60 und einer Gesamtdicke von maximal 12 mm, vorzugsweise 2 bis 6 mm, aus einem Werkstoff oder aus Verbundwerkstoffen unterschiedlicher Metallgüten wie Kohlenstoff-Stahl als Monowerkstoff oder Kohlenstoff-Stahl mit einer Rostfrei-Stahl-Beschichtung von mindestens 5% der Gesamtbanddicke als Verbundwerkstoff und einer Dickenabweichung von maximal 2% zwischen dem Rand (40 mm von der Kante) und der Mitte des Bandes, sind hinsichtlich des angestrebten Ziels einer gleichen Dicke der ankristallisierten Schicht insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schmelzbad und dem Beginn der Erstarrung auf der Bandoberfläche eine Abstreifung der Ankristallisation mit einer gewünschten Dicke auf eine kleinere Dicke erfolgt. Im Endeffekt wird nur so viel Material abgestreift bzw. -getragen, wie erforderlich ist, um eine gleiche Dicke der ankristallisierten Schicht über die Länge des Stranges zu erreichen. Es wird somit das Übermaß der ankristallisierten Schicht abgestreift.
Die Abstreifung der Ankristallisation mit einer gewünschten Dicke auf eine kleinere Dicke wird vorrichtungsmäßig vorteilhaft zwischen dem Schmelzbad und dem Beginn der Erstarrung auf der Bandoberfläche vorgenommen, wobei die Wände des das Glättrollenpaar aufnehmenden Raumes sowie das Glättrollenpaar selbst wärmekontrolliert ausgebildet sind. Zur Abstreifung eignen sich vorteilhaft mechanische Abstreifvorrichtungen in Form von vorzugsweise Messern, alternativ läßt sich eine pneumatische Abstreifvorrichtung einsetzen.
In den Figuren 1 bis 3 ist die Erfindung sowohl hinsichtlich des Verfahrens als auch der Vorrichtung dargestellt. Es zeigen:
Die Figuren 1 und 2 geben die Gesamtansicht des Verfahrens und die Vorrichtung zur Glättung beschichteter Stränge vorzugsweise Bänder aus Stahl 1 mittels eines Glättrollenpaares 2 wieder. Das Mutterband 1.1 wird in den Kristallisator 3, gefüllt mit Schmelze 3.3, die über einen Schmelzenzulauf 3.1 eingeleitet wird, duch die Düsen einer Bodeneinlaßvorrichtung 3.2 mit einer Gieß- und Walzgeschwindigkeit 7.1 von 0,05 bis 10 m/s mittels eines Antriebsrollenpaares 1.5 unterhalb des Kristalllisators gefördert.
Das Mutterband 1.1, mit einer Temperatur von wahlweise 20 bis 80°C vor Eintritt in den Kristallisator 3, beginnt oberhalb des Stahlmeniskus 3.5 am Düsenaustritt 3.2 mit der Ankristallisation 3.6 von Schmelze in Punkt 3.6.1 und entzieht der Schmelze 3.3 Überhitzungs- und Kristallisationsenergie unter gleichzeitiger Erwärmung. Dieser Energiestrom 4 aus der Schmelze in das Mutterband findet beim Durchlaufen des Mutterbandes durch das Schmelzbad 3.3 zwischen dem Meniskus 3.5 und der Badoberfläche 3.4 über die Schmelzbadhöhe 3.3.1 statt. Beim Austritt 5 des beschichteten Bandes 1 aus der Badoberfläche 3.4 des Schmelzbades mit einer Oberflächenrauhigkeit 1.3 hat es eine bestimmte Dicke 1.2 erreicht, die im wesentlichen von der Bandtemperatur beim Einlauf in den Kristallisator, von der Schmelzentemperatur und der Kontaktzeit des Bandes mit der Schmelze bestimmt wird, mit der das Band 1 in den Walzspalt 2.1 des Glättrollenpaares 2 einläuft.
Das so beschichtete Band 1 ist am Austritt 5 aus dem Bad 3.4 an der Oberfläche "teigig" (zwei Phasen: Schmelze und Kristall) und weist eine Oberflächenrauhigkeit 1.3 von größer 2% auf, die den Planheitskriterien eines Bandes mit einem Breite-/Dicke-Verhältnis von größer als 60 nicht gerecht wird.
Beim Verlassen des beschichteten Bandes 1 aus dem Bad 3.4 mit der Enddicke 5.1 verläuft die Erstarrung vom Austritt 5 bis zum Glättrollenpaar 2 und darüber hinaus in der ankristallisierten Schicht, die aus Schmelze und Kristal besteht, von außen nach innen, d.h. der Energiestrom 6 kehrt sich im Vergleich zu dem Wärmestrom 4 in der Schmelze 3.3 um und verläuft von innen (Bandmitte) nach außen in die Wände 6.1 mit wärmekontrollierten Durchgang. Dieser kontrollierte Wärmestrom kann durch Wandelemente 6.2 in entsprechend für die Temperaturführung des Bandes 1 notwendige Zonen in Gieß- und Walzrichtung 7 aufgeteilt werden. Diese Vorrichtungsmerkmale erlauben es, den Wärmestrom 6 vom Band zu den wärmedurchgangskontrollierten Wänden 6.1 und 6.2 zu beherrschen, d.h. zu steuern oder in Abhängigkeit von der Stahlgüte, der Gießgeschwindigkeit 7.1 und der Position 2.4 des Glättrollenpaares 2 zu regeln.
Zur Beschreibung und zum Verständnis der unerwarteten Lösung, die die Erfindung ausmacht, ist es auch notwendig, die Temperaturfelder und damit die Phasenzustände des beschichteten Bandes 1 im Wechselspiel mit den Wärmeströmen 4.6 und 2.7 von der Schmelze 3.3 in das Mutterband 1.1, vom beschichteten Band 1 in die Wände mit einem wärmekontrollierten Durchgang 6.1 zwischen der Badoberfläche 3.4 und dem Glättrollenpaar 2 sowie darüber hinaus vom beschichteten Band 1 im Walzspalt 2.1 des Glättrollenpaares 2 über den Walzenkörper in die Innenkühlung 2.5 des Glättrollenpaares zu kontrollieren.
Die Ankristallisation 3.6 im Bad 3.3 besitzt auf ihrer Oberfläche 4.1 eine Temperatur 8 (T-x), die größer als die Solidus-Temperatur und kleiner als die Liquidus-Temperatur (T-li > T-x > T-sol) ist und weist einen Zwei-Phasenzustand, bestehend aus Schmelze und Kristall, auf. Diese Ankristallisation nimmt in ihrer Temperatur von der Oberfläche senkrecht zum Mutterband 1.1 stetig ab. Funktional zum Oberflächenprofil 4.1 der Ankristallisation 3.6 verläuft die Liquidus-Isotherme 10 im Schmelzbad bis an die Badoberfläche 3.4.
Beim Auftauchen des beschichteten Bandes 1 aus dem Bad 3.4 an der Stelle 5 ist die aufgeschmolzene Schicht 9.2 des Mutterbandes 1.1 am größten, die im Schmelzbad 3.3 an der Stelle 9.1 mit Erreichen der Solidustemperatur begann. Mit Beginn dieser Aufschmelzung des Mutterbandes setzt die Verschweißung zwischen dem Mutterband 1.1 und der aufkristallisierten Schicht 3.6 ein.
Oberhalb der Schmelze mit Umkehrung des Energiestromes 6 beginnt nun die Erstarrung der Restschmelze in der aufkristallisierten Schicht, bestehend aus den Phasen Schmelze und Kristall, von der Oberfläche des Bandes 1 senkrecht in Richtung Bandmitte sowie in der Oberfläche selber in Richtung Glättrollenpaar 2 parallel zur Gieß- und Walzrichtung 7, d.h. die Oberflächentemperatur des Bandes sinkt, ausgehend von der Badoberfläche 3.4 an der Stelle 5 in Richtung des Glättrollenpaares 2, stetig ab, durchläuft die Solidustemperatur im Punkt 9.3 vor Einlauf 2.1.1 des beschichteten Bandes 1 in das Glättrollenpaar 2, wo sie dann einen Wert annimmt, der unterhalb von T-Solidus liegt.
Außerdem wird die Dicke 1.2 des beschichteten Bandes zwischen der Bandoberfläche 3.4 und dem Beginn der Erstarrung 9.3, also noch im "teigigen" (zwei Phasen: Schmelze und Kristall) Bandoberflächenbereich 24, durch eine Abstreifung 20 auf eine kleinere Dicke 21 reduziert. Diese Reduktion muß vor der Durcherstanung 9.3 erfolgen, um eine saubere und plane Bandoberfläche zu erhalten.
Diese Abstreifung 20 oder Kontrolle der Beschichtungsdicke kann alternativ sowohl mit einem mechanischen Abstreifer 22 (Messer), der aus Metall und/oder Keramik besteht und auch gekühlt sein kann, als auch mit einem pneumatischen Abstreifer, der mit einem sauerstofffreien Gasstrahl 23 betrieben wird, bestehen.
Außerdem können beide Arten der Abstreifer 22 und 23 nacheinander zum Einsatz gelangen. Zudem sind beide Abstreifer in ihrer Position, d.h. mit ihrem Abstand zur Bandoberfläche 1.3, zur Badoberfläche 3.4 sowie zueinander frei wählbar.
Zur Kontrolle einer gewünschten Temperaturführung des beschichteten Bandes 1 sind die Position 2.4 des Glättrollenpaares 2, der Energiestrom 6 in die Wände mit wärmekontrolliertem Durchgang 6.1 und 6.2 und die Gieß- und Walzgeschwindigkeit 7.1 im Sinne der Erfindung so zu regeln, daß die Oberflächentemperatur des beschichteten Banes 1 vor Eintritt in das Glättrollenpaar 2 sich unterhalb der Solidus-Temperatur befindet und damit das beschichtete Band zumindest in seiner Oberfläche erstarrt ist.
Diese Bedingung ist für eine rißfreie Oberfläche zwingend notwendig, da die erstarrte Phase besonders unmittelbar unterhalb der Erstarrung ein ausgeprägtes Dehnungsverhalten ohne Rißbildung aufweist. Im Gegensatz zu diesem guten Dehnungsvermögen des Werkstoffes "Stahl" unmittelbar unterhalb des Erstarrungspunktes, T-Solidus, ist es bekannt, daß die Deformationsgrenze im "teigigen" Bereich, im Zwei-Phasengebiet Schmelze/Kristall und damit die Vermeidung von Rissen sehr klein ist und je nach Stahlgüte zwischen 0,1 bis 0,3% liegt
Bei sogenannten innenrißempfindlichen Stahlgüten also Stählen, die im "teigigen" Bereich bei geringsten Deformationen, d.h. Dehnungsbeanspruchungen zur Rißbildung neigen, ist es für das erfindungsgemäße Verfahren bedeutsam, daß das Erstarrungsprofil 9 an der Phasengrenze fest/flüssig so gesteuert wird, daß die Erstarrung 9.4 des beschichteten Stranges 1 bis spätestens zum Ausgang 2.1.2 und 9A des Walzspaltes bzw. bis spätestens zum Eingang 2.1.1 und 9B in den Walzspalt des Glättrollenpaares 2 beendet ist.
Diese Bedingungen des beschichteten Bandes 1 im Glättrollenpaar können, bei vorgegebener Gießgeschwindigkeit 7.1 mit Hilfe der Regelung der Wärmestöme 6 und 2.7 mittels der Wandelemente 6.1 und 6.2 und/oder dem in der Position, zum Abstand vom Gießspiegel 2.4.1 verstellbaren Glättrollenpaar 2 mit Innenkühlung 2.5, eingestellt werden.
Bei der Sicherstellung eines mindestens im Oberflächenbereich erstarrten Bandes 9.5 im Walzspalt 2.1 mit der gedrückten Länge 2.2 kann nun mit Dickenabnahmen von bis zu 20% durch Anstellung des Glättrollenpaares 2 in Dickenrichtung 2.3 das Band 1 mit seiner rauhen Oberfläche 1.3 gewalzt bzw. geglättet 1.4 werden, ohne daß Oberflächenrisse bzw. Innenrisse in der aufkristallisierten Schicht bei gleichzeitiger Sicherstellung einer guten Verschweißung zwischen Mutterband 1.1 und der aufkristallisierten Schicht 3.6 auftreten. Das so geglättete und plane Band 1.4.1 ist rißfrei in seiner Oberfläche 1.4 und im Inneren seiner erstarrten aufkristallisierten Schicht 3.6. Die Planheit bzw. das entstehende Profil des Bandes 1.4.1 kann unter den oben beschriebenen erfinderischen Merkmalen mit einer Toleranz von max. 2% der Dicke in Quer- und Längsrichtung eingestellt werden.
Die Figur 3 stellt den Bereich des Glättrollenpaares 2 etwas mehr im Detail dar. Das beschichtete Band 1 mit seiner Ankristallisation 3.6 läuft in den Walzspalt 2.1.1 mit einer Oberflächentemperatur, T-2.1.1 kleiner als T-Solidus ein (T-2.1.1 < T-sol) und tritt mit einer kontrolliert abgesenkten Temperatur T-2.1.2 kleiner T-2.1.1 (T-2.1.2 < T-2.1.1 < T-sol) aus dem Walzspalt 2.1 an seinem Austritt 2.1.2 heraus. Der Temperaturverlust im Walzspalt sollte kontrolliert und klein gehalten werden. Dies kann erfindungsgemäß durch ein entsprechend wärmedurchgangskontrolliertes Glättrollenpaar 2 mit Innenkühlung 2.5 und wärmekontrollierender Schicht 2.6 oder Schichten erzielt werden.
Hierzu müssen die Kühlung, die Werkstoffe und die Dicke der Rollen 2, ihr Schichtenaufbau 2.6 und die Wahl der unterschiedlichen Rollen-Werkstoffe wie z.B. Stahl, Metalle, Metallkeramik und/oder Keramik aufeinander abgestimmt werden.
Der gesamte Raum 11 oberhalb der Badoberfläche 3.4 ist in seiner Temperatur und Atmosphäre (Stickstoff und/oder Argon) kontrolliert, so daß die oben beschriebenen Bedingungen sichergestellt werden sowie eine Oxidation der Badoberfläche vermieden wird.
Das so beschichtete Band wird direkt oder indirekt einem weiteren Walzwerk 12 und Walzprozess zur Erzeugung von Fertigwarmband und/oder Kaltband sowohl als Mono-Material als auch als Verbundmaterial mit oder auch ohne vogeschalteter Beize zugeführt.
Zur Kontrolle, Steuerung und/oder Regelung des Temperaturfeldes im beschichteten Band 1 und auf der Bandoberfläche 1.3 zwischen der Schmelzbadoberfläche 3.4 und dem Austritt des beschichteten und geglätteten Bandes 1.4.1 aus dem Glättrollenpaar 2 werden Meßgeräte zur Temperaturerfassung 2.8 an der Innenseite der wärmekontrollierten Wandelemente 6.2 angebracht.