DE69217521T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Stranggiessen einer Metallschmelze - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggießen von Metallschmelzen, insbesondere Stahl, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
• Beispielshalber bezieht sich die Beschreibung insbesondere auf das Stranggießen von Stahl. Dies zieht keinerlei Beschränkung der Erfindung nach sich.
• Das Stranggießen ist eine weit verbreitete Technik, die es erlaubt, Stahl direkt aus einem Gießbehälter in eine Kokille ohne Boden zu gießen, aus der er als endloser, teilweise fester Strang abgeführt wird. Der Gießbehälter besteht üblicherweise aus einer Gießpfanne oder einem Tundish, im folgenden wird zur Vereinfachung auf einen Tundish Bezug genommen.
• Bei der üblichen Praxis ist der Boden des Tundishs mit einem Loch versehen, mit dem ein Verluß zusammenwirkt. Unter dem Tundish und koaxial mit dem Gießloch ist eine Gießdüse angeordnet, die frei in den oberen Teil der Kokille eintaucht. Diese Kokille besteht aus Kupfer und ist wassergekühlt. Des weiteren wird die Kokille üblicherweise in eine oszillierende Bewegung mit einer Amplitude von einigen Millimetern versetzt, um ein Anhaften des Stahls an den Kokillenwänden zu verhindern.
• Im Betrieb fließt der aus dem Tundish kommende Stahl durch die Düse in die Kokille, wo er nach und nach erstarrt und dabei eine Schale mit zunehmender Dicke bildet. Das untere Ende der Düse taucht in den flüssigen Stahl ein, dessen oberer Spiegel bzw. Meniskus sich im oberen Teil der Kokille befindet.
• Die derzeitige Stranggießtechnik weist verschiedene Nachteile auf, die im Strangguß unterschiedliche Fehler verursachen. Es ist insbesondere sehr schwierig, ein streng gleichbleibendes Niveau des Stahlspiegels in der Kokille aufrechtzuerhalten, insbesondere dann, wenn der Durchsatz hoch ist und die Kokille einen kleinen Querschnitt aufweist. Niveauänderungen stören zu Beginn der Erstarrung und verursachen Oberflächenfehler am Strang. Aus diesem Grunde bleibt die Gießgeschwindigkeit beschränkt, insbesondere bei Produkten mit kleinem Querschnitt. Schließlich ist es nicht möglich, das Entstehen von Innenrissen und ein axiales Seigern völlig zu verhindern, trotz aller Maßnahmen, die sich treffen lassen, um eine genaue Steuerung der Vorrichtung und der Verfahrensbedingungen zu gewährleisten.
• Die Erfindung hat zum Ziel, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zum Stranggießen von Metallschmelzen vorzuschlagen, die es erlauben, mit hoher Geschwindigkeit Produkte mit hoher Qualität der Oberfläche und der inneren Gesundheit zu gießen.
• Die Erfindung geht von der Überlegung aus, die Meniskusbildung im Bereich der beginnenden Erstarrung der Metallhaut zu vermeiden.
• Erfindungsgemäß ist das Verfahren zum Vergießen von Metallschmelzen, bei dem die Metallschmelze in eine Kokille, wo sie sich verfestigt, gegossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Badspiegel bzw. der Meniskus des schmelzflüssigen Metalls stromauf von der Stelle anordnet ist, wo die Erstarrung des Metalls in der Kokille beginnt.
• Es ist vorteilhaft, die Reibung zwischen dem vergossenen Stahl und der Innenwandung der Kokille zu vermindern. Zu diesem Zweck wird der Kokille eine vorzugsweise senkrechte Schwingung erteilt, die eine Amplitude von weniger als 0,5 mm, vorzugsweise von 0,2 bis 0,3 mm besitzt. Ebenso ist eine Zwangsschmierung der Kokille, vorzugsweise durch Einspritzen eines Schmiermittels durch wenigstens eine ihrer Wände hindurch möglich.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beginnt das Erstarren der Schmelze stets in der Kokille und setzt sich darin fort, wie bei den üblichen Gießverfahren. Der Meniskus ist indessen nach stromauf verlagert, mit Bezug auf die Zone der beginnenden Erstarrung. Die Verlagerung des Metallspiegels, d.h. des Meniskus stört daher den Beginn der Verfestigung nicht und hält das gegossene Produkt frei von Oberflächenfehlern.
• Die Erfindung betrifft des weiteren eine Vorrichtung zum Stranggießen schmelzflüssigen Metalls, die einen mit einem Gießloch versehenen Tundish und eine unter dessen Gießloch angeordnete, bodenlose Kokille besitzt und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie ein rohrförmiges Element aus feuerfestem Material enthält, das fluchtend zwischen dem Tundish und der Kokille angeordnet und mit seinem unteren Ende starr am oberen Ende der Kokille befestigt sowie an seinem oberen Ende mit dem Tundish verbunden ist.
• Die Kokille ist vorteilhafterweise mit Vorrichtungen versehen, die dazu dienen, die Reibung zwischen dem Strang und der Wandung der Kokille zu vermindern, die insbesondere der Kokille eine Schwingung mit einer Amplitude unter 0,5 mm, vorzugsweise von 0,2 bis 0,3 mm erteilen und/oder eine Zwangsschmierung bewirken, indem ein Schmiermittel durch wenigstens eine Kokillenwand eingespritzt wird.
• Vorzugsweise befindet sich zwischen dem Tundish und dem rohrförmigen Element aus feuerfestem Material eine elastische Dichtung, die dazu dient, die von der Kokille herrührenden Schwingungen zu absorbieren, um das rohrförmige Element nicht zu beschädigen.
• Verschiedene Vorrichtungen lassen sich zwischen dem Boden des Tundish und dem oberen Ende des rohrförmigen Elements aus feuerfestem Material anordnen, sofern diese Vorrichtungen eine geschlossene Einheit zwischen dem Tundish und dem rohrförmigen Element, und zwar vorzugsweise unter Anordnung der erwähnten elastischen Dichtung zwischen der geschlossenen Einheit und dem rohrförmigen Element bilden.
• Insbesondere kann die eine Vorrichtung unter dem Boden des Tundishs mit einem Schieberverschluß für das Gießloch versehen und das rohrförmige Element mit diesem Verschluß verbunden sein.
• Es ist des weiteren vorteilhaft, zwischen dem Tundish und dem rohrförmigen Element eine Hohlstrahl-Gießvorrichtung der Art, wie sie in der europäischen Offenlegungsschrift 0 269 180 beschrieben ist, die zur Bildung des Oberbegriffs der Ansprüche 1 und 2 herangezogen wurde, anzuordnen.
• Weiterhin kann das rohrförmige Element aus feuerfestem Material mit Vorrichtungen versehen sein, die eine intensive Bewegung des darin enthaltenen Metalls hervorrufen, insbesondere Induktionsspulen, die dem Metall in dem rohrförmigen Element eine Drehbewegung erteilen.
• Der Querschnitt des rohrförmigen Elements aus feuerfestern Material entspricht vorzugsweise den der Kokille. Er ist vorteilhafterweise etwas kleiner als dem der Kokille.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, ins einzelne gehende Beschreibung und der Zeichnungen. In der Zeichnung zeigen:
• Fig. 1 das Prinzip der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung und
• Fig. 2 eine Vorrichtung zum senkrechten Stranggießen unter Anwendung dieses Prinzips.
• Bei den Zeichnungen handelt es sich um schematische Darstellungen ohne besonderen Maßstab, und es sind nur die zum Verstehen der Erfindung notwendigen Elemente dargestellt. Die gleichen oder ähnliche Elemente sind in beiden Figuren mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.
• Fig. 1 zeigt einen geschlossenen Raum von dem Tundish bis zur Kokille mit dem Meniskus in dem Bereich, wo sich das Metall noch im flüssigen Zustand befindet.
• Die erfindungsgemäße Gießvorrichtung besteht aus einem Tundish 1 mit einem im Boden angeordneten Gießloch 2, das sich mittels eines Stopfens 3 verschließen läßt. Diesbezüglich ist selbstverständlich, daß jedes andere bekannte Verschlußorgan, z.B. ein Schieberverschluß verwendbar ist. Ein rohrförmiges Element 4 aus feuerfestem Material ist unter dem Boden des Tundishs 1 koaxial zum Gießloch 2 angeordnet.
• An seinem unteren Ende ist das rohrförmige Element 4 unter Zwischenschaltung einer Dichtung 6 aus feuerfestem Material mit der Kokille 5 verbunden. Die Kokille 5 besteht in bekannter Weise aus Kupfer und ist mit einem nicht dargestellten Kühlsystem ausgestattet. Des weiteren wird sie mittels nicht dargestellter Mittel in Schwingungen mit kleiner Amplitude versetzt. Die Schwingungen werden von einer elastischen Dichtung 21 aufgenommen und daher nicht auf den Tundish übertragen.
• Die Dichtung 6 aus feuerfestem Material ist als break ring-Dichtung ausgebildet, wie sie in waagerechten Stranggießanlagen verwendet wird; sie kann beispielsweise aus Bornitrid bestehen.
• Auf die Kokille 5 folgt eine Sekundärkühlung, die nicht Teil der Erfindung ist und aus einem üblichen, aus Führungsrollen und Düsen aufgebauten System besteht.
• Der Stahl gelangt aus dem Tundish 1 in das rohrförmige Element 4 aus feuerfestem Material und von dort in die gekühlte Kokille 5 aus Kupfer. Der Meniskus 8 befindet sich im rohrförmigen Element 4 aus feuerfestem Werkstoff; seine Höhenlage wird mittels einer Durchflußregelung bekannter Art gesteuert. Bei der Erfindung ist es nicht erforderlich, die Höhenlage sehr genau zu steuern.
• Das Erstarren der Stahloberfläche beginnt am Eintritt in die Kokille unmittelbar im Anschluß an die Dichtung 6 aus feuerfestern Material. Sie setzt sich in üblicher Weise in der Kokille 5 sowie in der Sekundärkühlung 7 fort und bildet eine feste Schale 20 zunehmender Dicke.
• Eine Veränderung der Höhenlage des Meniskus 8 während des Gießens hat keinerlei Auswirkung auf den Ort, wo die Verfestigung der Strangoberfläche beginnt und zieht daher nicht mehr das Entstehen von Oberflächenfehlern nach sich.
• Des Weiteren kann der Querschnitt der Kokillw 5 so gering sein wie es , beispielsweise für das Stranggießen von dünnen Brammen erforderlich, da der Tundish nicht mehr mit einer eintauchenden Düse versehen ist. Ebenso kann das rohrförmige Element 4 einen Querschnitt mit kleinen Abmessungen aufweisen, der dem der Kokille angepaßt ist. Es genügt, daß der Eingangsabschnitt des rohrförmigen Elements 4 den aus dem Tundish 1 kommenden Gießstrahl 9 aufnimmt. Hierauf bezogen ist das rohrförmige Element 4 mit einem über die gesamte Länge gleichbleibenden Querschnitt dargestellt. Selbstverständlich kann dieser Querschnitt über die Länge des rohrförmigen Elements 4 veränderlich sein und wenigstens einen Abschnitt mit einem geringeren Querschnitt als die Kokille aufweisen, um ihm beispielsweise das Profil eines Trichters zu geben.
• In der Praxis wird die Gießgeschwindigkeit insbesondere durch die instabile Höhenlage des Meniskus 8 beschränkt, die sich vergrößert, wenn die Gießgeschwindigkeit zunimmt, wodurch die Gefahr von Oberflächenfehlern vervielfacht wird. Dank der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dieses Risiko in hohem Maße ausgeschaltet, und die Gießgeschwindigkeit läßt sich wesentlich erhöhen.
• Fig. 2 zeigt eine Stranggießvorrichtung, bei der das mit Bezug auf Fig. 1 erläuterte Prinzip verwirklicht ist. Diese Vorrichtung umfaßt mehrere zusätzliche Vorrichtungen, die für sich bekannt sind und es insbesondere erlauben, den Stahl mit geringer Überhitzung zu gießen, aber die Abkühlung des Strangs zu beschleunigen.
• All diese Vorrichtungen sind hintereinander angeordnet und fluchten mit der Achse des Tundishs. Bei der Darstellung gemaß Fig. 2 verläuft diese Achse senkrecht, jedoch könnte sie auch in einem Bogen verlaufen, wie dies bei verschiedenen Stranggießmaschinen der Fall ist.
• Unterhalb des Tundishs 1 ist ein senkrechter Kanal 10 angeordnet, der auch als Gießdüse bezeichnet wird und aus einem feuerfesten Teil 11 sowie einem gekühlten Metallteil 12 besteht. In dem feuerfesten Teil 11 und unter dem Gießloch 2 ist eine feuerfeste Kuppe 13 angeordnet, die mit der Innenwand des feuerfesten Teils 11 einen Ringkanal bildet. Die Kuppe 13 ist mit einer Leitung 14 zum Einbringen eines Gases in das Innere des Metallteils 12 versehen. Das feuerfeste Teil 11 ist im wesentlichen zylindrisch, während das Metallteil 12 vorzugsweise sich verjüngend ausgebildet ist, um einer gewissen, auf der beginnenden Abkühlung und Verfestigung beruhenden Kontraktion Rechnung zu tragen, wie dies unten beschrieben ist.
• Der senkrechte Kanal 10 mündet mit seinem unteren Ende in dem rohrförmigen Element 4 aus feuerfestem Material. Eine elastische Dichtung 21 ist zwischen dem senkrechten Kanal 10 und dem rohrförmigen Element 4 angeordnet. Das rohrförmige Element 4 ist mit Induktionsspulen 15 versehen, die den in dem rohrförmigen Element befindlichen Stahl in Bewegung versetzen. Mittels der feuerfesten Dichtung 6 schließt das rohrförmige Element 4 an die Kokille 5 aus Kupfer, die wassergekühlt ist, an.
• Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Kokille mit einer Vorrichtung zum Zwangsschmieren versehen, die durch Pfeile 16 angedeutet ist; diese Pfeile deuten die Kanäle zum Einbringen eines Schmiermittels an. Das Schmiermittel wird in den Bereich eingebracht, in dem das Erstarren des Stahls beginnt.
• Des weiteren ist eine Vorrichtung 17 dargestellt, welche die Kokille in Schwingungen mit geringer Amplitude versetzt. Diese Schwingungen nimmt die elastische Dichtung 21 auf.
• Schließlich ist unter der Kokille 5 noch eine Sekundärkühlung 7 angeordnet, die ein Intensivkühlsystem 18 mit Druckwasserkühlung und ein mäßig wirkendes Kühlsystem mit ruhigerem Wasser umfaßt. Der vom Wasser eingenommene Raum ist punktiert dargestellt.
• Der aus dem Tundish 1 durch das Gießloch 2 abfließende Stahl gelangt auf die feuerfeste Kuppe 13, die ihn gegen die Innenwand des feuerfesten Teils 11 des Kanals 10 ablenkt. Der Stahl fließt durch den Ringkanal und anschließend in dünner Schicht entlang der Innenwand des Teils 12. Diese Schicht wird durch das durch die Leitung 14 eingeblasene Gas entlang der Wand geführt. Wenn nun der Stahl anfangs nur geringfügig überhitzt ist, beispielsweise in der Größenordnung von 20º C, kann er in dem Metallteil 12 eine anfängliche Abkühlung erleiden, die ihn leicht teigig werden läßt. Der Stahl gelangt anschließend in das rohrförmige Element 4 aus feuerfestern Mäterial, wo er keine wesentliche Abkühlung erfährt. Die Induktionsspulen 15 erteilen ihm eine Drehbewegung, die ein intensives Durchmischen des Stahls bewirken, ihn sehr homogen werden läßt und zu einer ausreichend niedrigen Viskosität führt. Schließlich gelangt der Stahl in die Kokille 5, wo er bereits im Kontakt mit der Dichtung 6 zu erstarren beginnt und eine feste Schale 20 mit zunehmender Dicke bildet. Das Erstarren setzt sich in der Sekundärkühlung 7 fort. Das Intensivkühlsystem 18 führt zu einem intensiven Abkühlen der Schale, während das mäßig wirksame Kühlsystem 19 ein zu schnelles Wiedererwärmen der Schale nach dem Intensivkühlen verhindert. Die Sekundärkühlung in zwei Schritten erlaubt es, das Entstehen von Innenrissen erheblich zu vermindern.
• Des weiteren erstarrt der leicht teigige Stahl mit homogenem Gefüge, das in axialer Richtung praktisch seigerungsfrei ist.
• Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens erlauben es daher, schneller zu gießen sowie eine ausgezeichnete Oberflächenbeschaffenheit und eine sehr gute innere Beschaffenheit zu erreichen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Stranggießen schmelzflüssigen Metalls, bei dem man dieses in eine Kokille (5) gießt, wo es erstarrt, dadurch gekennzeichnet, daß man den oberen Pegel bzw. Meniskus (8) besagten schmelzflüssigen Metalls in einem Bereich stromaufwärts der Stelle anordnet, wo die Erstarrung besagten Metalls in der Kokille (5) beginnt.

2. Vorrichtung zum Stranggießen schmelzflüssigen Metalls gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1, bestehend aus einem mit einem Gießloch (2) versehenen Gießbehälter (1) und einer unter besagtem Gießloch (2) angeordneten bodenlosen Kokille (5), dadurch gekennzeichnet, daß sie ein rohrförmiges Element (4) aus feuerfestem Material enthält, das zwischen besagtem Gießbehälter (1) und der Kokille (5) mit letzterer fluchtend angeordnet ist, daß besagtes rohrfömiges Element (4) aus feuerfestern Material mit seinem unteren Ende starr am oberen Teil der Kokille (5) befestigt ist und daß besagtes rohrförmiges Element (4) aus feuerfestem Material an seinem oberen Ende mit besagtem Gießbehälter (1) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gießbehälter (1) und dem rohrförmigen Element (4) aus feuerfestern Material eine elastische Dichtung (21) eingesetzt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet. daß zwischen besagtem rohrförmigen Element (4) aus feuerfestem Material und der Kokille (5) eine Dichtung (6) aus feuerfestem Material eingesetzt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes rohrförmiges Element (4) mit Einrichtungen zum Rühren des darin enthaltenen Metalls ausgerüstet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes rohrförmiges Element (4) in mindestens einem Abschnitt seiner Länge einen kleineren Querschnitt aufweist als die Kokille (5).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Gießbehälter (1), dem rohrförmigen Element (4) und der Kokille (5) bestehende Baugruppe einen von der Atmosphäre abgeschlossenen Kanal bildet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet. daß sie eine zwischen dem Gießbehälter (1) und dem rohrförmigen Element (4) aus feuerfestem Material angeordnete hohle Angußdüse (10) mit einer Kuppe (13) enthält.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine aus einem Intensivkühlsystem (18) und einem mäßig effektiven Kühlsystem (19) bestehende Sekundärkühleinrichtung (7) enthält, die direkt nach der Kokille (5) angeordnet ist.