Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggießen von Brammen-, Dünnbrammen-, Vorblock-, Vorprofil-, Rundprofil-, Rohrprofil- oder Knüppelsträngen und dergleichen aus flüssigem Metall in einer Stranggießanlage, bei dem Metall aus einer Kokille senkrecht nach unten austritt, wobei das Metallband dann entlang einer senkrechten Strangführung vertikal abwärts geführt und dabei gekühlt wird, wobei das Metallband dann aus der vertikalen Richtung in die horizontale Richtung umgebogen wird und wobei im Endbereich der Umbiegung in die horizontale Richtung oder nach der Umbiegung in die horizontale Richtung eine mechanische Umformung des Metallbandes erfolgt. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Stranggießanlage, insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens.
Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Stranggießen ist beispielsweise aus der
Ähnliche Lösungen sind in der
Der Kühlung des Metallbandes nach seinem Austritt aus der Kokille kommt eine wichtige Bedeutung zu. Die
Die
Eine Vielzahl weiterer Lösungen beschäftigt sich gleichermaßen mit der Frage, wie ein gegossener Metallstrang effizient und in verfahrenstechnisch richtiger Weise gekühlt werden kann. Hierzu wird auf die
Es hat sich herausgestellt, dass neben der verfahrenstechnisch richtigen bzw. effizienten Kühlung des gegossenen Metallbandes dessen Verzunderung eine erhebliche Rolle spielt. Infolge der sehr hohen Temperatur des Metallbandes unmittelbar nach dem Austritt des Metalls aus der Kokille unterliegt das Band einem starken Verzunderungseffekt, der insbesondere die nachfolgenden Prozessschritte nachteilig beeinflusst. Es ist daher anzustreben, dass der Grad der Verzunderung möglichst gering gehalten wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine entsprechende Vorrichtung derart weiterzuentwickein, dass es möglich wird, neben einer optimalen Kühlung des Metallbandes auch zu erreichen, dass die Verzunderung der Bandoberfläche minimal gehalten wird.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist verfahrensgemäß dadurch gelöst, dass in Förderrichtung des Metallbandes hinter der Kokille und vor der mechanischen Umformung des Metallbandes in einem ersten Abschnitt eine Kühlung des Metallbandes mit einer Wärmeübergangszahl zwischen 3.000 und 10.000 W/(m2 K) erfolgt, wobei in Förderrichtung nach der Kühlung in einem zweiten Abschnitt durch Wärmeausgleich im Metallband ohne oder mit reduzierter Kühlung der Oberfläche des Metallbandes eine Erwärmung der Oberfläche des Metallbandes auf eine Temperatur über Ac3 bzw. Ar3 erfolgt, wonach in einem dritten Abschnitt die mechanische Umformung erfolgt.
Wenn nach einem bevorzugten Vorschlag der Erfindung die Oberflächen des Metallbandes vor der Beaufschlagung mit dem Kühlmedium zur Kühlung gesäubert werden, lässt sich die Wirkung der nachfolgend einsetzenden Kühlung weiter verbessern. Das Säubern kann durch Entzundern erfolgen, beispielsweise dadurch, dass die in Strang- bzw. Metallband-Auszugsrichtung einander gegenüberliegeriden, zuerst von dem Metallband/Strang erreichten und somit vordersten bzw. obersten Kühlmittel (Düsen, Düsenbalken od. dgl.) das Kühlmedium unter Hochdruck aufbringen, so dass sich eine Entzunderung ergibt.
Die mechanische Umformung in dem dritten Abschnitt kann dabei ein Richtprozess des Metallbandes sein oder einen solchen Prozess umfassen. Alternativ oder additiv kann vorgesehen werden, dass die mechanische Umformung in dem dritten Abschnitt ein Walzprozess des Metallbandes ist oder einen solchen Prozess umfaßt.
Die Kühlung im ersten Abschnitt kann -als Intensivkühlung ausgebildet - auf den Bereich der senkrechten Strangführung beschränkt werden. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass der Begriff der senkrechten Strangführung auch umfassen soll, dass das Metallband weitgehend vertikal geführt wird.
Die Kühlung im ersten Abschnitt kann auch intermittierend erfolgen, wobei das Metallband/der Strang abwechselnd intensiv und schwach gekühlt wird, z.B. durch Veränderung der Kühlmediumbeaufschlagungsdichte [ I: min:m2] und/oder Einstellung unterschiedlicher Abstände der Kühlmittel zum Metallband.
Die vorgeschlagene Stranggießanlage zum Stranggießen von Brammen-, Dünnbrammen-, Vorblock-, Vorprofil-, Rundprofil-, Rohrprofil- oder Knüppelsträngen und dergleichen aus flüssigem Metall, mit einer Kokille, aus der das Metall senkrecht nach unten austritt, einer unterhalb der Kokille angeordneten senkrechten Strangführung und Mitteln zum Umbiegen des Metallbandes aus der vertikalen Richtung in die horizontale Richtung, wobei im Endbereich der Umbiegung in die horizontale Richtung oder nach der Umbiegung in die horizontale Richtung mechanische Umformmittel für das Metallband angeordnet sind, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die senkrechte Strangführung eine Anzahl in Förderrichtung des Metallbandes beiderseitig des Metallbandes angeordnete Rollen aufweist, wobei im Bereich der Rollen erste Kühlmittel angeordnet sind, mit denen ein Kühlfluid auf die Oberfläche des Metallbandes aufgebracht werden kann, wobei die Kühlmittel in vertikale und/oder horizontale Richtung verschieblich angeordnet sind und wobei zusätzliche zweite Kühlmittel im Bereich der senkrechten Strangführung ortsfest angeordnet sind
Alternativ oder ergänzend können die Kühlmittel vorteilhaft oszillierbar ausgebildet sein.
Die ersten und/oder die zweiten Kühlmittel können ein Gehäuse aufweisen, aus dem das Kühlfluid mittels mindestens einer Düse aufgebracht wird. Das Kühlfluid kann aus dem Gehäuse mittels zweier Düsen oder Düsenreihen aufgebracht werden.
Gemäß dem Erfindungsvorschlag erfolgt im Bereich der Sekundärkühlung des Metallbandes eine Kühlung mit definierter Intensität, die so gewählt ist, dass einerseits ein qualitativ hochwertiges Metallband produziert werden kann, das die gewünschte Gefügestruktur und Gefügezusammensetzung aufweist, dass andererseits aber auch der Grad der Verzunderung der Bandoberfläche minimal gehalten werden kann.
Durch den Vorschlag wird auch die Anreicherung von unerwünschten Begleiterscheinungen an der Bandoberfläche vermindert.
Durch die vorgeschlagene Vorgehensweise entsteht ein so hinreichender Thermoschock, dass sich auf der Oberfläche des Metallbandes befindliche Oxidschichten abtrennen und fortgespült werden. Das führt zu einer gesäuberten Strangoberfläche, was für eine gleichmäßige Abkühlung des Metallbandes und auch für eine mögliche Aufheizung im Tunnelofen von Vorteil ist.
Das vorgeschlagene Verfahren vermindert die Gefahr durch Ausscheidungen oder von so genannter "Hot Shortness", so dass auch diesbezüglich Vorteile erzielt werden. Durch die für den Thermoschock notwendige Absenkung der Oberflächentemperatur - diese sollte die Martensitstarttemperatur nicht unterschreiten - erfolgt eine Umwandlung des Austenits im Metallband in Ferrit, verbunden mit einer Kornfeinung. Bei der sich anschließenden Wiedererwärmung infolge des großen Temperaturgradienten zwischen Strangoberfläche und Kern des Metallbandes erfolgt eine Rückumwandlung des feinen Ferrits in Austenit mit kleinen Körnern. Bei diesen Umwandlungen werden die Aluminiumnitride (AIN) oder andere Ausscheidungen überwachsen, und auf den Korngrenzen befinden sich prozentual weniger Aluminiumnitride als bei dem großen Austenitkorn vor der Umwandlung. Das feinere Gefüge ist daher weniger rissanfällig, wenn Ausscheidungen vorliegen sollten.
In der Strangführung unterhalb der Kokille ist der Bereich für die Intensivkühlung vorgesehen, damit die Wiedererwärmung möglichst früh erfolgen kann. Die Ferrit-Umwandlung und die anschließende Umwandlung in Austenit sollen vor der mechanischen Belastung der Strangoberfläche, beispielsweise in den Biegetreibern, erfolgen. Durch diese Maßnahme wird die Gefahr der Rissbildung reduziert, die infolge der Temperaturserokung des Stranges durch den Thermoschock besteht. Eine Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die genannte (Intensiv)-Kühlung etwa ein Viertel bis ein Drittel des (Bogen-)Weges von der Kokille bis zur mechanischen Umformung umfasst, woran sich ca. drei Viertel bzw. zwei Drittel dieses Weges anschließen, auf denen nicht mehr oder nur reduziert gekühlt wird.
Die erfindungsgemäße vorgesehene Intensivkühlung kann zwischen den Strangführungsrollen angeordnet sein und sich je nach gewünschter Kühlwirkung über einen längeren Bereich der Strangführung erstrecken. Es kann - wie erwährt - auch vorteilhaft sein, die Intensivkühlung intermittierend anzuwenden, um die Oberfläche insbesondere bei rissempfindlichen Werkstoffen nicht zu sehr zu unterkühlen.
Damit kann auch die Warmbrüchigkeit, d. h. die Rissbildung an der Brammenoberfläche, vermindert werden, die insbesondere durch einen hohen Kupfergehalt im Material entstehen kann. Dies ist insbesondere bei Schrott als Ausgangsmaterial relevant, der mitunter einen entsprechend hohen Kupfergehalt aufweist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
In
Der Bereich des Metallbandes vom Austritt aus der Kokille 3 bis zur mechanischen Umformung ist in drei Abschnitte unterteilt: In einem ersten Abschnitt 6 erfolgt eine Intensivkühlung des heißen Metallbandes 1, in einem zweiten Abschnitt 7 wird praktisch keine Kühlung mehr vorgenommen, und die sich im Metallband 1 befindliche Wärme wärmt die gekühlte Oberfläche des Metallbandes 1 wieder auf. Vorrangig im dritten Abschnitt 8, aber auch bereits schon im zweiten Abschnitt 7, findet dann schließlich die mechanische Umformung statt. Das Ausführungsbeispiel zeigt, dass der erste Abschnitt 6 in sich nochmals in Teilabschnitte unterteilt ist. Das ermöglicht in einfacher Weise eine intermittierende Kühlung in dem ersten Abschnitt 6, nämlich eine Intensivkühlung in einem ersten Teilabschnitt und eine schwächere bzw. reduzierte oder auch gar keine Kühlung in dem zumindest einen weiteren Folgeteilabschnitt, dem sich nämlich wiederum ein Intensivkühlabschnitt usw. anschließend kann.
Die Kühlung des Metallbandes 1 erfolgt mit ersten Kühlmitteln 11 und zweiten Kühlmitteln 12, wie es am besten in
Zur genannten Wärmeübergangszahl sei bemerkt: Die Wärmeübergangszahl (Formelzeichen α), auch Wärmeübergangskoeffizient oder Wärmeübertragungskoeffizient genannt, ist ein Proportionalitätsfaktor, der die Intensität des Wärmeübergangs an einer Oberfläche bestimmt. Der Wärmeübergangskoeffizient beschreibt hierbei die Fähigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit, Energie von der Oberfläche eines Stoffes abzuführen bzw. an die Oberfläche abzugeben. Sie hängt unter anderem von der spezifischen Wärme, der Dichte und dem Wärmeleitkoeffizienten des wärmeabführenden sowie des wärmeliefernden Mediums ab. Die Berechnung des Koeffizienten für Wärmeleitung erfolgt meist über den Temperaturunterschied der beteiligten Medien. Die genannten Einflussgrößen lassen sofort erkennen, dass die Auslegung der Intensität der Kühlung direkte Auswirkungen auf die Wärmeübergangszahl hat. Die Kühlleistung lässt sich beispielsweise durch Veränderung des horizontale Abstandes zwischen den Kühlmitteln 11 bzw. 12 und dem Metallband 1 beeinflussen; sie wird umso niedriger, je größer der Abstand ist.
Nach der Kühlung in dem Abschnitt 6 erfolgt im zweiten Abschnitt 7 durch Wärmeausgleich im Metallband 1 ohne weitere Kühlung der Oberfläche des Metallbandes 1 eine Erwärmung der Oberfläche des Metallbandes 1 durch Wärmeausgleich auf eine Temperatur über Ac3 bzw. Ar3. Erst dann erfolgt die mechanische Umformung 5 in den Abschnitten 7 (durch das Abbiegen) und 8, vor allem durch das Richten im Abschnitt 8.
Die genannten Kühlmittel 11 werden nicht für jeden Anwendungsfall benötigt. Daher sind sie - wie es aus
Wird die Intensivkühlung nicht benötigt, können die Kühlmittel 11 vertikal in die gestrichelt dargestellte Position verfahren werden, so dass eine klassische, geringere, d. h. weniger intensive Kühlung durch die Kühlmittel 12 bewerkstellig wird.
Andere Maßnahmen zur Beeinflussung (Reduzierung oder Erhöhung) der Kühlleistung bestehen darin, den Abstand zwischen den Kühlmitteln 11, 12 und dem Metallband 1 durch horizontales Verschieben zu verändern und/oder die Kühlmittel 11, 12 oszillieren zu verstellen.
Nicht dargestellt sind entsprechende Leitungssysteme mit Ventilen, so dass der jeweils benötigte Strom Kühlwasser eingestellt bzw. geschalten werden kann.
In den
Die Düsen können auch als Düsenbalken ausgebildet sein, d. h. als Balken, der sich quer über die Breite des Metallbandes 1 erstreckt und aus einer Anzahl Düsenöffnungen Kühlwasser auf die Bandoberfläche leitet.
Die vorgeschlagene Vorrichtung für die Intensivkühlung weist also ein Gehäuse auf, das mit geringem Abstand zwischen die Stranggussführungsrollen 10 geschoben werden kann und so einen Kühlkanal bildet. Das Gehäuse 13 kann durch ein Schutzblech (nicht dargestellt) vor der Zerstörung bei einem eventuellen Durchbruch geschützt werden, so dass es in diesem Fall wieder eingesetzt werden kann. Durch Änderung des Abstandes zwischen der Strangoberfläche und dem Gehäuse 13 kann die Kühlwirkung beeinflusst werden. Weitere Einflussmöglichkeiten auf die Kühlwirkung können durch die Konstruktion des Gehäuses und der Düsen 14, 15 erreicht werden.
So besteht die Möglichkeit, die Düsen in mehrere Gruppen zu unterteilen und die einzelnen Düsengruppen mit einer eigenen Wasserversorgung zu versehen. Durch Zu- bzw. Abschalten einzelner Düsengruppen und/oder durch Änderung des Durchflusses bzw. des Fluiddruckes kann dann die Kühlwirkung variiert werden. Im Falle einer Standardkühlung, d. h. falls Stähle verarbeitet werden, bei denen eine Intensivkühlung nicht sinnvoll ist, kann eine geringere Zahl an Düsen zugeschaltet werden. Eine andere Möglichkeit ist, die Intensivkühlvorrichtung aus dem Sprühbereich der Standardkühlung wegzuschwenken oder wegzufahren.
Eine Unterkühlung der Kantenbereich des Metallbandes kann ebenfalls durch ein Zu- bzw. Abschalten von Düsengruppen vermieden werden.
Zur Intensivkühlung können auch Sprühdüsen eingesetzt werden. Diese sollten nahe aneinander über die Breite des Metallbandes verteilt werden, um die notwendige Abkühlung und die notwendige Abkühlung und die damit verbundene Kornfeinung und Entzunderungswirkung zu erzielen. Durch Zu- und Abschalten dieser Gruppen kann auch hier eine Unterkühlung der Kanten vermieden werden. Für den Gießbetrieb, bei der eine intensive Kühlung nicht vorteilhaft ist, können die Düsen deaktiviert, weggeschwenkt, weggefahren oder der Durchfluss des Kühlmediums (Wasser) gesenkt werden, um die Standardkühlung zu gewährleisten.
Vorgesehen kann auch werden, dass zu der vorhandenen Sekundärkühlung eine zusätzliche Kühlung, bestehend aus mehreren mit Sprühdüsen versehenen Sprühbalken mit einer separaten Wasserversorgung eingesetzt werden. Die zusätzlichen Sprühbalken werden dabei nur bei Bedarf eingeschaltet. Ebenfalls kann auch hier durch Zu- und Abschalten von Düsengruppen eine Unterkühlung der Kanten vermieden werden.
Im Stand der Technik sind für die Entzunderung spezielle Entzunderungsdüsen bekannt, die Wärmeübergangszahlen von mehr als 20.000 W/(m2 K) erreichen.
Derartige Düsen kommen für die vorliegende Erfindung wegen ihrer zu intensiven Kühlwirkung und der damit verbundenen niedrigen Oberflächentemperatur der Oberfläche des Metallbandes nicht zum Einsatz bzw. sie sind hier nicht brauchbar.
Der erfindungsgemäße Kerngedanke kann also darin gesehen werden, dass eine Intensivkühlung im Bereich der Sekundärkühlung insbesondere bei Dünnbrammenanlagen erfolgt, um eine Säuberung der Oberfläche der Bramme zu erreichen, bei der die Intensivkühlung kurz nach der Kokille - in Förderrichtung betrachtet - beginnt. Allerdings ist weiter vorgesehen, dass die Kühlung so frühzeitig endet, dass eine Wiedererwärmung über die Temperatur Ac3 bzw. Ar3 erfolgen kann, bevor mechanische Beanspruchungen auftreten, wie es beispielsweise am Biegetreiber der Fall ist. Ziel ist es dabei, keine bzw. eine nur geringe Ausscheidung auf den Korngrenzen.
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Intensivkühlung weist eine deutlich höhere Kühlwirkung auf, als es sonst bei der Sekundärkühlung einer Stranggießanlage der Fall ist. Bei vorbekannte Anlagen liegen die üblichen Wärmeübergangszahlen zwischen 500 W/(m2 K) und 2.500 W/(m2 K). Andererseits sind Entzunderungsanlagen bekannt, bei denen eine Kühleinrichtung eingesetzt wird, die Wärmeübergangszahlen von mehr als 20.000 W/(m2 K) realisieren.
Die vorliegend benötigten Wärmeübergangszahlen sind - wie bereits oben angedeutet - werkstoffabhängig und auch abhängig von der Gießgeschwindigkeit. Sie ergeben sich aus der maximalen Abkühlgeschwindigkeit, bei der noch kein Martensit- oder Zwischenstufengefüge erzeugt wird. Für niedrige Kohlenstoffstähle beträgt die Abkühlungsgeschwindigkeit ca. 2.500 °C/min, was bei einer Gießgeschwindigkeit von 5,0 m/min einer Wärmeübergangszahl von ca. 5.500 W/(m2 K) entspricht.
Durch ein schnelles Umschalten zwischen Standard- und Intensivkühlung wird die vorgeschlagene Stranggießeinrichtung sehr individuell und flexibel nutzbar.
Werden die vorgeschlagenen Systeme mit den beschriebenen Kühldüsen eingesetzt, werden infolge der sich bildenden hohen Turbulenz des Wassers zwischen dem Gehäuse der Kühlmittel und dem Metallband bei relativ geringer Wassermenge höhere Wärmeübergangszahlen als bei der konventionellen Sprühkühlung erreicht.
Die Intensität der Kühlung kann durch die Anzahl der nebeneinander angeordneten Düsen variiert werden. Weiterhin ist es auch möglich, zusätzliche Düsenbalken zu konventionellen Sprühkühlungseinrichtungen einzusetzen.
Die Länge der Intensivkühlung - in Förderrichtung F betrachtet - wird durch das Erstarrungsgefüge bis 2 mm unter der Oberfläche des Metallbandes bestimmt. Bei einer dendritischen Erstarrung verlängert sich die Intensivkühllänge ca. um den Faktor 2 bis 3 gegenüber der Länge bei einer globulitischen Erstarrung.
Die Wärmeübergangszahl ergibt sich auch aus der Konstruktion der Kühlmittel, vorliegend insbesondere der ersten Kühlmittel 11. Die Zahl wird gezielt im beanspruchten Bereich gewählt, da hier die Bedingungen zur Intensivkühlung des gefertigten Metallbandes 1 optimal sind und gleichzeitig eine weitgehend zunderfreie Bandoberfläche erzielt werden kann.
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