Die Erfindung betrifft eine Gießkokille zum Vergießen von Stahlschmelze zu einem kontinuierlichen abgezogenen Strang, wobei an mindestens einer der zu vergießenden Schmelze zugewandten Innenfläche der Gießkokille eine Oberflächentextur eingeformt ist, die sich mindestens über den Bereich der Kokille erstreckt, die im Betrieb mit auf der in die Kokille eingegossenen Schmelze schwimmender Schlacke benetzt ist.
Beim Stranggießen wird Stahlschmelze aus einer Gießpfanne in einen als Puffer und gegebenenfalls zum Verteilen der Schmelze auf mehrere Stränge vorgesehenen Verteiler, auch Tundish genannt, gefüllt und gelangt von dort über ein Tauchrohr in die jeweilige Gießkokille. Die Gießrichtung entspricht dabei der Schwerkraftwirkung.
In der Gießkokille wird der Strang geformt. Dabei setzt die Erstarrung der Schmelze bei Kontakt mit den gekühlten Innenflächen der Gießkokille ein, so dass der aus der Gießkokille nach wie vor in vertikaler Richtung austretende Strang an seinen Außenseiten eine dünne Schale aus erstarrtem Stahl aufweist, die die im Innern des Strangs noch flüssige Schmelze umgrenzt.
Nach dem Austritt aus der Kokille wird der Strang in einem so genannten "Gießbogen" gestützt durch Rollen in eine horizontale Förderrichtung umgelenkt. Dabei erfolgt im Bereich des Gießbogens eine gezielt gesteuerte Kühlung, um eine gesteuerte Erstarrung des Strangs zu bewirken. Von dem in horizontaler Richtung abgeförderten und vollständig erstarrten Strang werden anschließend Brammen abgeteilt, die der Weiterverarbeitung zugeführt werden.
In der Kokille wird auf die freie Oberfläche der Schmelze Gießpulver gestreut, um Schlacke zu bilden. Die Schlacke deckt die Schmelze ab und verhindert, dass es im Bereich des so genannten "Gießspiegels" zu Reaktionen der Schmelze mit der Umgebungsatmosphäre kommt. Gleichzeitig bindet die Schlacke in der Schmelze aufsteigende Unreinheiten und dient als Schmiermittel zwischen der erstarrenden Schale des Stahlstrangs und der Kokille. Alternativ existieren Gießverfahren, bei denen entweder das Gießpulver vorgeschmolzen zugeführt wird oder bei denen das Gießverfahren eine Verwendung von so genannten "Gießölen", d. h. flüssigen Gießmedien, anstelle von Gießpulvern vorsieht. Letztere Technik wird vor allem im Knüppel- oder Rundstrangguss angewandt. Üblicherweise wird die Kokille oszillierend bewegt, um ein Anbacken des Stahls an den gekühlten Wänden der Kokille zu verhindern und das Abfördern des sich bildenden Strangs aus der Kokille zu unterstützen.
Stranggusskokillen können aus Kokillenplatten zusammengesetzt oder als ein einzelnes Stück ausgeführt sein. Die Innenseiten der Stranggusskokillen bestehen in der Regel aus Kupfer. Zur Verbesserung ihrer Verschleißbeständigkeit können ihre mit der Stahlschmelze und dem sich bildenden Strang in Kontakt kommenden Innenflächen mit einer Nickelbeschichtung belegt sein (
Unabhängig davon, ob die Gießkokille an ihren Innenflächen mit einer Nickelbeschichtung versehen ist oder nicht, wird im Stranggießprozess die Stahlschmelze vor allem im Bereich des Gießspiegels besonders schnell abgekühlt. Bei empfindlichen Stahlmarken kann dies dazu führen, dass sich aufgrund der beim Abkühlvorgang entstehenden Eigenspannungen Oberflächenfehler einstellen.
Dieses Problem ist bereits in der
Neben dem voranstehend erläuterten Stand der Technik ist aus der
Darüber hinaus ist in der
Vor dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Standes der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Gießkokille zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln ein optimales Erstarrungsverhalten in dem hinsichtlich der Gefahr von Rissbildung kritischen Bereich der Gießkokille gewährleistet ist.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine gemäß Anspruch 1 ausgestaltete Gießkokille.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
Bei einer erfindungsgemäßen Gießkokille zum Vergießen von Stahlschmelze zu einem kontinuierlichen abgezogenen Strang ist in Übereinstimmung mit dem eingangs erläuterten Stand der Technik mindestens an einer der der zu vergießenden Schmelze zugewandten Innenfläche der Gießkokille eine Oberflächentextur eingeformt. Dabei erstreckt sich die Oberflächentextur mindestens über den Bereich der Kokille, die im Betrieb mit auf der in die Kokille eingegossenen Schmelze schwimmender Schlacke benetzt ist.
Erfindungsgemäß ist nun diese Oberflächentextur als geschlossene Struktur mit abgeschlossen umgrenzten, stochastisch verteilten Vertiefungen ausgebildet.
Durch die erfindungsgemäß als Oberflächentextur vorgesehene, aus jeweils vollständig umgrenzten Vertiefungen gebildete Struktur sinkt der Wärmeübergang zwischen Kokille und flüssiger Schmelze. Dabei belegt ein Teil der erstarrenden Schlacke die Vertiefungen der stochastischen Oberflächenstruktur und haftet dort, anders als bei offenen Oberflächenstrukturen förmlich an. Auf diese Weise wirkt die an der Kokilleninnenfläche haftende Schlacke als Wärmedämmung, die einen direkten Kontakt der Schmelze mit der Innenfläche verhindert. Diese wärmedämmende Wirkung der Schlackenschicht führt zu einer geringeren und zu einer über die Kokillenbreite homogeneren Wärmeabfuhr im Gießspiegelbereich. In Folge der insgesamt verminderten und homogeneren Wärmeabfuhr entstehen während des Abkühlvorganges bei Einsatz einer erfindungsgemäß oberflächenstrukturierten Kokillenoberfläche im Vergleich zur konventionellen Kokillenoberfläche weniger Eigenspannungen in der Strangschale. Die Gefahr der Bildung von Oberflächenfehlern wird folglich gesenkt. Werden Gießöle verwendet, so wird die hier beschriebene Oberflächentextur benetzt. Die dann in den Vertiefungen haftende Ölschicht wirkt ebenfalls wärmedämmend.
Eine durch die beispielsweise in der
Neben dem so entstehenden topographischen Erscheinungsbild sind der Mittenrauwert Ra und die gemittelte Rautiefe Rz zur Kennzeichnung dieser Oberflächenstruktur von Bedeutung. Sowohl der Mittenrauwert Ra als auch die gemittelte Rautiefe Rz sind dabei gemäß DIN EN ISO 4287 zu bestimmen. Bei einer erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur beträgt der Mittenrauwert Ra 10 - 50 µm und die gemittelte Rautiefe Rz 80 - 250 µm. Bei in diesen Wertbereichen liegenden Mittenrauwerten und gemittelter Rautiefe ergibt sich eine maximale Reduktion der Oberflächenfehler und eine stabile Prozesssicherheit. Dies gilt im besonderen Maße dann, wenn der Mittenrauwert Ra 10 - 50 µm, insbesondere 15 - 50 µm, beträgt.
Eine optimale Haftung der Schlacke an der Oberflächentextur ergibt sich dann, wenn die maximale Tiefe der Vertiefungen der Oberflächentextur 500 µm beträgt. Mindestens sollte die Tiefe der Vertiefungen 5 µm betragen, um die angestrebte Rauigkeit sicher zu erzielen.
Gießkokillen der hier in Rede stehenden Art bestehen üblicherweise aus einer Nichteisenmetall-Legierung, die in der Regel auf der der Schmelze abgewandten Seite gekühlt wird. Der Kokillenquerschnitt kann eckig oder gerundet ausgeführt sein. Um bei Einsatz rechteckiger oder quadratischer Kokillen Stränge von unterschiedlicher Breite produzieren zu können, kann dabei mindestens eine der die Schmalseiten der Kokillenöffnung begrenzenden Platten in Breitenrichtung verstellbar sein (
Die erfindungsgemäß vorgesehene Oberflächenstruktur ist mindestens an einer der die Gießkokillenöffnungen begrenzenden Innenflächen vorgesehen. Dies schließt selbstverständlich die Möglichkeit ein, eine entsprechende Oberflächenstruktur an allen oder zumindest einander gegenüberliegenden Innenflächen der Gießkokille einzuformen. Auch bei breitenverstellbaren Gießkokillen sollte die erfindungsgemäß strukturierte Oberflächentextur an mindestens einer der Innenflächen vorhanden sein. Der Bereich, der beim Verstellen von der dabei relativ zu dieser Innenfläche bewegten Seite der Kokille überstrichen wird, kann dabei frei von der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur bleiben, wenn dies im Hinblick auf die Abdichtung der Eckbereiche zweckmäßig ist, an denen die die Kokillenöffnung begrenzenden Flächen aneinander stoßen. Dementsprechend erstreckt sich dann bei einer Gießkokille, die durch Verschieben mindestens einer ihrer Seiten dicken- oder breitenverstellbar ist, die Oberflächentextur über diejenige Breite der mit ihr versehenen Innenfläche, über die die Innenfläche mit der zu vergießenden Schmelze in Kontakt kommt, wenn die kleinste Dicke oder Breite der Gießkokille eingestellt ist.
Die erfindungsgemäß strukturierte Oberflächentextur soll sich mindestens über den Bereich der jeweiligen Innenfläche der Gießkokille erstrecken, der im Gießbetrieb von der den Gießspiegel abdeckenden Schlacke benetzt wird. Für heute eingesetzte Gießkokillen hat sich hier bewährt, wenn sich die Oberflächentextur über einen Bereich erstreckt, der, jeweils gemessen in Gießrichtung, in einem Abstand von mindestens 10 mm unterhalb der oberen Kokillenkante beginnt und in einem Abstand von höchstens 600 mm endet.
Im Fall, dass die mit der Oberflächenstruktur versehene Innenfläche über einen in einem Abstand von der Kokillenoberkante beginnenden Abschnitt mit einer Nickelschicht belegt ist, hat es sich im Hinblick auf die Reduzierung von Oberflächenfehlern des Gießstrangs als besonders günstig erwiesen, wenn die erfindungsgemäß ausgebildete Oberflächentextur den der Kokillenoberkante zugeordneten Randbereich der Nickelschicht überlappt. In der Praxis haben sich hier Überlappungsbereiche bewährt, die, in Gießrichtung gemessen, mindestens 50 mm betragen. Durch die Überlappung der erfindungsgemäßen Oberflächentextur mit der Nickelbeschichtung wird ein harter Bruch der Wärmeleitfähigkeit beim Übergang von dem nicht beschichteten zum nickelbeschichten Abschnitt der jeweiligen Innenfläche vermieden.
Die erfindungsgemäße Struktur der auf der jeweiligen Kokillenoberfläche vorgesehenen Oberflächentextur kann durch Prägen (Druck) oder durch einen Stoß- oder Schlagimpuls, beispielsweise durch Nadeln, in die Oberfläche eingebracht werden. Das Einbringen der Struktur erfolgt durch eine Verformung der Kokillenoberfläche, ohne dass dabei Material abgetragen wird. Die in Folge der schlagenden oder drückenden Belastung an der jeweiligen Kokilleninnenfläche bewirkte Kaltverfestigung kann zu einer höheren Kokillenlebensdauer beitragen.
Wird ein Prägeverfahren verwendet, so wird zunächst ein Negativ der zu erzeugenden Struktur auf eine Matrix, eine Kugel oder Walze aufgebracht. Mit diesem Negativ wird anschließend die Oberflächenstruktur, abhängig von Druck und Werkzeugoberfläche, auf die Kokille aufgebracht. Wenn die Struktur durch ein Verfahren erzeugt wird, welches auf einem Stoß- oder Schlagimpuls basiert, wird durch ein mit hohem Impuls auf die jeweilige schlagenden Werkzeug die erfindungsgemäß vorgegebene Struktur erzeugt. Hierzu eignet sich das so genannte "Nadeln" mit dem sich, wie beispielsweise in der
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
Zum Vergießen einer Stahlschmelze M zu einem Strang S in der in
Bei geöffnetem Tauchrohr 5 strömt die Stahlschmelze M in eine Gießkokille 7, die aus gekühlten Platten 8, 9, 10, 11 zusammengesetzt ist, welche aus einem Nichteisenmetall oder einer Nichteisenmetalllegierung bestehen. Vorzugsweise werden Kupfer oder Kupferlegierungen verwendet. Die Gießkokille 7 weist einen in Draufsicht im Wesentlichen rechteckigen Öffnungsquerschnitt auf, dessen Breitseiten jeweils durch eine breite Kokillenplatte 8,9 und dessen Schmalseiten jeweils durch eine schmale Kokillenplatte 10, 11 begrenzt ist.
An ihren jeweils der Gießkokillenöffnung 12 zugeordneten Innenflächen 13 können die Kokillenplatten 8 - 11 häufig mit einer Nickelschicht 14 belegt sein, die gemessen in der vertikal ausgerichteten Förderrichtung F der Stahlschmelze M in einem Abstand variabel zur dem Verteiler 3 zugeordneten Kokillenoberkante 15 der Gießkokille 7 beginnt. Der Abstand A1 beträgt im vorliegenden Fall 300 mm, kann jedoch generell variable gestaltet sein. Als Beispiel wird hier eine rechteckige Kokille mit einer Nickelschicht verwendet. Darüber hinaus sind jedoch auch weitere Kokillenformen mit unterschiedlichen Beschichtungen denkbar.
Der sich in der Gießkokille 7 aus der Stahlschmelze M bildende Strang S tritt in vertikal ausgerichteter Förderrichtung F aus der Gießkokille 7 aus und wird über einen Gießbogen 16 in eine horizontal ausgerichtete Förderrichtung Fh geleitet. Im Bereich des Gießbogens 16 wird der Strang S an Rollen 19,20 geführt. Gleichzeitig erfolgt eine intensive Kühlung, so dass der Strang S am Ende des Gießbogens 16 weitestgehend vollständig durcherstarrt ist und der Weiterverarbeitung zugeführt werden kann.
In einem der Kokillenoberkante 15 zugeordneten Abschnitt 21 ist an den Innenflächen 13 der die Kokillenöffnung 12 begrenzenden Kokillenplatten 8 - 11 eine Oberflächentextur 22 ausgebildet. Die Oberflächentextur 22 beginnt in diesem Ausführungsbeispiel in Förderrichtung F in einem Abstand A2 von 10 mm und endet in einem Abstand A3 von 400 mm von der Kokillenoberkante 15 entfernt. Dementsprechend überlappt die Oberflächentextur 22 die Nickelschicht 14 in einem Überlappungsbereich Ü über eine in Förderrichtung F gemessene Länge von 100 mm. Generell kann die Oberflächentextur auch bis zu einem Abstand A3 von 600 mm von der Kokillenoberkante 15 aus gesehen eingebracht werden. In dem von der Oberflächentextur 22 abgedeckten Abschnitt benetzt die im Gießbetrieb auf dem Gießspiegel der zu vergießenden Schmelze M schwimmende Schlacke K die Innenfläche 13 der Kupferplatten 8 - 11.
Die Oberflächentextur 22 ist durch eine Vielzahl von Vertiefungen 23 gebildet, die jeweils vollständig von einem Steg 24 umgrenzt sind. Jeder der Stege 24 grenzt dabei zwei benachbart zueinander angeordnete Vertiefungen 23 ab. Die Vertiefungen 23 können dabei als einzelne lochartige Einprägungen mit im Wesentlichen rundem Öffnungsquerschnitt oder aus mehreren solcher ineinander übergehenden Einprägungen gebildet sein, die dann wiederum gemeinsam von einem in sich geschlossen um die betreffende Vertiefung 23 umlaufenden Steg 24 umgrenzt sind. Materialaufschiebungen, wie sie beispielsweise beim Kugelstrahlverfahren erzeugt werden, sind in dieser Struktur unerwünscht, da diese Aufschiebungen von der Strangschale abgetragen werden. Eine Rückbildung der Struktur unter Verringerung der Rauheitskenngrößen wäre die Folge. Vielmehr werden Vertiefungen in das Kokillenmaterial eingebracht um eine Kaltverfestigung zu erzielen und die Oberflächenstruktur zu erhalten. Bei den die Kokillenöffnung 12 an ihren Breitseiten begrenzenden Kokillenplatten 8,9 ist die Breite B der Oberflächentextur 22 auf den schmalsten Bereich beschränkt, der, wenn die die Kokillenöffnung 12 an ihren Schmalseiten begrenzenden Kokillenplatten 10, 11 in Breitenrichtung verstellt werden, von den Kupferplatten 10, 11 nicht überstrichen wird.
Die bis zu 500 µm tiefen Vertiefungen 23 sind durch Nadeln mittels eines handelsüblichen, hier nicht gezeigten Nadelgerätes erzeugt worden. Die Nadeln des Nadlers haben dabei mit hoher Energie auf die Innenfläche 13 eingeschlagen und das von ihnen getroffene Material unter Ausbildung der jeweiligen Vertiefung 23 verdichtet. Ein Materialabtrag erfolgte nicht. Um die in
Die für zwei auf diese Weise erzeugte Oberflächentexturen innerhalb und außerhalb des Überlappungsbereichs von Oberflächentextur 22 und Nickelschicht 14 der Innenflächen 13 ermittelten gemittelten Rautiefe Rz und Mittenrauwerte Ra sind in Tabelle 1 angegeben.
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