DE102006037728A1

DE102006037728A1 - Kokille zum Stranggießen von flüssigem Metall, insbesondere von Stahlwerkstoffen

Info

Publication number: DE102006037728A1
Application number: DE200610037728
Authority: DE
Inventors: Martin Becker; Axel Stavenow; Dirk Dr. Letzel
Original assignee: SMS Demag AG
Current assignee: SMS Siemag AG
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2008-02-14
Also published as: WO2008017374A1

Abstract

Eine Kokille (1) zum Stranggießen von flüssigem Metall, insbesondere von Stahlwerkstoffen, besitzt Kokillenwände (1a, 1b, ...) aus einem Substitutionswerkstoff (7) als Kupfer-Ersatz, wobei auf der Flüssigmetallseite (5) eine hochwärmeleitende und hochtemperaturbeständige Schutzschicht (8) aufgebracht ist und auf der rückwärtigen Kaltseite (6) Kühlmittelkanäle (4a) innerhalb der Kokillenwand-Dicke (1b) vorgesehen sind, die beabstandet mit Kühlmittelzuleitungen (9) und Kühlmittelableitungen (10) verbunden sind, wobei die Kokillenwände in Dickenrichtung einen Wärmedurchgangs-Koeffizienten (K) in der Größenanordnung von 2 bis 20 W/m<SUP>2</SUP> K aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kokille zum Stranggießen von flüssigem Metall, insbesondere von Stahlwerkstoffen, deren Kokillenwände aus Platten oder plattenähnlichen Formteilen hergestellt oder als eine Rohrkokille geformt sind, wobei zumindest eine Kokillenwand aus Stahlwerkstoff besteht, und Kühlmedienführungen an der dem Flüssigmetall abgewandten rückwärtigen Kaltseite vorgesehen sind.
Eine solche Kokille ist aus der EP 1 286 795 B1 bekannt, die zumindest eine Kokillenwand aus Stahl sowie ein Stützgitter für diese Stahlkokillenwand umfasst. Außerdem ist ein Magnetfelderzeuger vorhanden zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das über das Stützgitter auf die Stahlkokillenwand einwirkt und so die Stahlkokillenwand auf das Stützgitter zieht. Außerdem ist die Kokillenkühleinrichtung als eine Spritzkühlung vorgesehen, die von außen über Spritzdüsen das Kühlmittel gegen das Stützgitter führt. Die Stahlkokillenwand ist aus Metallschichten Stahl/Kupfer oder Metall/Stahl/Metall gebildet. Das Problem ist die Verwendung von Kupfer, die erhebliche Kosten für die Herstellung, die Wartung und eine begrenzte Lebensdauer verursacht.
Das Kokillenplattenmaterial besteht in der derzeitigen praktischen Anwendung aus kompaktem Kupfer oder Kupferlegierungen. Diese Kupferplatten sind auf einen Stahl-Wasser-Kasten aufgeschraubt. Die Kupferplatten sind entweder nicht beschichtet, zonenweise oder ganz beschichtet mit Chrom, Nickel oder Cr/Ni-Legierungen. Die Eigenschaften bestehen aus einem schnellen und mengenmäßig hohen Wärmeabfluss aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer. Die bereits angedeuteten Nachteile sind, dass Kupfer durch seine Weichheit einen hohen Verschleiß aufweist und ein neues Ausrichten der gesamten Kokille nach einem Überarbeiten der verschlissenen Kupferplatten notwendig macht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch weitgehendes Vermeiden der Verwendung des Werkstoffes Kupfer oder Kupferlegierungen standfestere Kokillenwände zu schaffen, die nicht oder nur in geringem Umfang im Betrieb nachgearbeitet werden müssen und ein wiederholtes Ausrichten der gesamten Kokille erübrigen.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kokillenwand auf ihrer der dem flüssigen Metall zugewandten Seite mit einer hoch wärmeleitenden und hoch temperaturbeständigen Schutzschicht überzogen ist; und die Kokillenwand mit der Schutzschicht in Dickenrichtung von ihrer Warmseite zu ihrer Kaltseite, insbesondere im Bereich der Kühlmittelkanäle, einen Wärmedurchgangskoeffizienten in der Größenordnung von 2 bis 20 W/m² ρ K aufweist.
Die Vorteile sind die Einsparung von teuerem, verhältnismäßig verschleißträchtigem Kupfer und eine dennoch dauerstandfeste Kokillenwand, die nach einer gewissen Anzahl von Abgießprozessen nicht nachgearbeitet werden muss, sondern allenfalls eine neue Schutzschicht erhält und ohne ein erneutes Ausrichten wieder in die übrige Kokillenbaugruppe eingebaut werden kann. Dadurch wird die Ausfallzeit einer Kokille verkürzt und es können weniger Kokillen für eine Stranggießanlage bereitgehalten werden, was erhebliche Betriebskosten erspart. Dabei bedeu tet es eine beachtliche Vereinfachung, dass die Kokilienplattenmaße unverändert bleiben.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Substitutionswerkstoff aus Stahlwerkstoff, Aluminiumlegierungen, Keramik oder deren Schichtkombinationen besteht.
Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in den Schichtkombinationen ein geringer Anteil von Kupferteilchen enthalten ist, der Volumenmäßig 30% bis 50% nicht übersteigt.
Andere Merkmale bestehen darin, dass die Breite und/oder Tiefe und/oder Querschnittsform der in den Substitutionswerkstoff eingearbeiteten Kühlmittelkanäle für die Wärmeabfuhr bzw. die Temperaturregelung bei den gegossenen Gießsträngen in Abhängigkeit von deren Größe bzw. deren Querschnitt oder in Abhängigkeit von Gießparametern geeignet dimensioniert sind.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die wärmeleitende und temperaturfeste Schutzschicht auf der Flüssigmetallseite der Trägerplatte aus metallischen, nichtmetallischen Überzügen oder schichtweisen Kombinationen gebildet ist.
Dabei ist ein die Wärmeleiteigenschaften des Substitutionswerkstoffes unterstützendes Kriterium dadurch gegeben, dass die Affinität bzw. Haftung zwischen der hoch wärmeleitenden und hoch temperaturfesten Schutzschicht und dem Substitutionswerkstoff möglichst hoch und zwischen der Schutzschicht und dem jeweiligen Gießwerkstoff möglichst gering ist.
Eine Verbesserung besteht noch darin, dass die Kokillenwand unmittelbar auf einen Wasserkasten dicht aufgesetzt ist und mittels einer Vielzahl von Zugankern gegen die Grundplatte und die Deckplatte des Wasserkastens verspannt ist, wobei die Breite bzw. Tiefe der Kühlmedienführung innerhalb der Kokillenwand gebildet und mittels der durchgehend ebenen Grundplatte des Wasserkastens verschlossen ist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und werden nachstehend näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch die Kokille mit Kokillenwand und Wasserkasten und
2 eine perspektivische Ansicht der Kokillenwand mit Schutzschicht auf der Flüssigmetallseite und mit den Kühlmittelkanälen auf der Kaltseite.
Die Kokille 1 dient zum Stranggießen von flüssigem Metall, insbesondere von Stahlwerkstoffen, mit Querschnitten von Brammensträngen, Dünnsträngen, Profilsträngen, Vorprofilsträngen, Blocksträngen, Knüppelsträngen u. dgl. Die Kokillenwände 1a, 1b ..sind aus Platten oder plattenähnlichen Formteilen hergestellt oder als eine Rohrkokille geformt. An der der Flüssigmetallseite 5 abgewandten, rückwärtigen Kaltseite 6 sind Kühlmittelkanäle 4 vorgesehen.
Die Kokillenwände 1a, 1b... sind erfindungsgemäß – anders als die bekannten Stranggießkokillen – nicht aus Kupfer oder aus Kupferlegierungen gefertigt, sondern aus anderen Werkstoffen, nachfolgend als Substitutionswerkstoffe 7 bezeichnet, gebildet. Die Substitutionswerkstoffe dienen als Kupfer-Ersatz und sind vorzugsweise, ähnlich wie Kupfer, hoch wärmeleitend und temperaturbeständig. Der Substitutionswerkstoff 7 besteht beispielsweise aus Stahlwerkstoffen, Aluminiumlegierungen, Keramiken oder deren Schichtkombinationen 7a. In einigen Fäl len kann es zweckmäßig sein, dass in einer Schichtkombination 7a ein geringer Anteil von Kupferteilchen enthalten ist, der 30% bis 50% nicht übersteigt.
Die Kokillenwände sind auf der Flüssigmetallseite 5 mit einer hoch wärmeleitenden und hoch temperaturbeständigen Schutzschicht 8 aus einem Schutzwerkstoff 3 überzogen. Diese Schutzschicht 8 kann bei der einfachen Form der Kokillenwand leicht in einem ausreichend großen Vakuumraum mit entsprechenden Stoffen durch Auftragen über Plasmastrahlen eines Plasmabrenners aufgebracht werden. Dazu eignet sich als oberflächenharter Werkstoff bspw. ein Metallkarbid, ein Metalloxid, ein Cermet oder eine Legierung aus diesen Materialien. Der Werkstoff für die Schutzschicht kann auch aus pulverisierten Stahlwerkstoffpartikeln bestehen. Weitere mögliche Schutzschichtwerkstoffe 8 sind Titan-Nitrid oder Titan-Karbid. Die Schutzschicht beziehungsweise deren Schutzwerkstoff muss – insbesondere bei Kühlung – für Temperaturen von 1.000°C-1.700°C temperaturbeständig sein. Die Kokillenwand kann vor dem Beschichtungsvorgang auf eine erhöhte gleichmäßige Temperatur aufgeheizt werden.
Die derart beschichtete Kokillenwand ist auf ihrer rückwärtigen Kaltseite 6 mit Kühlmittelkanälen 4a innerhalb der Kokillenwand-Dicke 1b versehen. Die Kühlmittelkanäle 4a sind an eine Kühlmittelzuleitung 9 und eine Kühlmittelableitung 10 mit Strömungsrichtungen von oben nach unten (1) oder von unten nach oben angeschlossen. Dabei weist die Kokillenwand in Dickenrichtung 1b insbesondere im Bereich 4b der Kühlkanäle (2) einen Wärmedurchgangs-Koeffizienten K in der Größenordnung von 2 bis 20 W/m² ρ K auf. Der Wärmedurchgangs-Koeffizient K charakterisiert die Wärmeleiteigenschaften und damit das Kühlverhalten der Kokillenwand auch im Zusammenspiel mit dem Kühlmedium. Mit der Definition des Wärmedurchgangs-Koeffizienten K in dem besagten Bereich 4b wird die Basis für die Erstarrung des Gießstrangs im Bereich des Gießspiegels 1c und in Gießrichtung 14 unter dem Tauchausguss 1d bzw. der Schlackeschicht 1e (1) gelegt.
Der Wärmedurchgangs-Koeffizient K wird wie folgt definiert:
worin bedeuten:
definiert als der Wärmedurchgangs-Koeffizient
Wärmeleitfähigkeiten der Materialien, aus denen sich die Kokillenwand zusammensetzen (Grundmaterial und Beschichtungen)
I[m] = Schichtdicken der Werkstoffe, aus denen sich die Kokillenwand zusammensetzen (Grundmaterial und Beschichtungen)
Wärmeübergangs-Koeffizient an der Kaltseite 6; seine Größe wird bestimmt durch die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels 11.
Eine Anpassung der Wärmeleiteigenschaften kann ferner dadurch erfolgen, dass die in den Substitutionswerkstoff 7 eingearbeiteten Kühlmittelkanäle 4a mit ihrer Breite und oder Tiefe 12 und/oder ihrer Querschnittsform als Regulativ für die Wärmeabfuhr bzw. die Temperaturregelung in Abhängigkeit der Gießparameter (wie bspw. Gießgeschwindigkeit, Gießtemperatur, Gießstrangabmessungen u. dgl.) dienen.
Eine Anpassungsfähigkeit der jeweiligen Gießmetall-Temperatur an die Kokillenwand -Eigenschaften ergibt sich noch dadurch, dass die temperaturfeste Schutzschicht 8 auf der Flüssigmetallseite 5 der Kokillenwand aus metallischen, nichtmetallischen Überzügen 13 oder aus schichtweisen Kombinationen 7a gebildet ist.
Die vorstehenden Werte für den Wärmeübergang, die Wärmeleitfähigkeit und die Temperaturbeständigkeit werden dadurch unterstützt, dass die kompakte Kokillenwand unmittelbar auf einen Wasserkasten 15 dicht aufgesetzt ist (1) und mittels einer Vielzahl von Zugankern 16 gegen die Grundplatte 15a und die Deckplatte 15b verspannt ist, wobei die Breite bzw. die Tiefe 12 der Kühlmittelkanäle innerhalb der Kokillenwand gebildet und mittels der ebenen Grundplatte 15a verschlossen ist.

1: Kokille zum Stranggießen
1a: Kokillen(breitseiten)wand
1b: Kokillenwanddicke
1c: Gießspiegel
1d: Tauchausguß
18: Schlackeschicht
3: Schutzwerkstoff
4a: Kühlmedienkanal
4b: Kühlmittel führender Abschnitt
5: Flüssigmetall(seite)
6: Kaltseite
7: Substitutionswerkstoff
7a: Schichtkombination
8: Schutzschicht
9: Kühlmittelzuleitung
10: Kühlmittelableitung
11: Kühlmittel
12: Breite/Tiefe des Kühlmittelkanals
13: metallischer/nichtmetallischer Überzug
14: Gießrichtung
15: Wasserkasten
15a: Grundplatte
15b: Deckplatte
16: Zuganker

Claims

Kokille in Form einer Plattenkokille oder einer Rohrkokille zum Stranggießen von flüssigem Metall (5), insbesondere von Stahlwerkstoffen, umfassend zumindest eine Kokillenwand, welche aus einem Substitutionswerkstoff als Kupferersatz gebildet ist und welche an ihrer dem flüssigen Metall abgewandten rückwärtigen Kaltseite (6) Kühlmittelkanäle (4a) aufweist, wobei die Kühlmittelkanäle mit Kühlmittelzuleitungen (9) und Kühlmittelableitungen (10) verbunden sind; dadurch gekennzeichnet, dass die Kokillenwand auf ihrer dem flüssigen Metall zugewandten Seite mit einer temperaturbeständigen Schutzschicht überzogen ist; und die Kokillenwand mit der Schutzschicht zwischen ihrer Warmseite und ihrer Kaltseite, insbesondere im Bereich (4b) der Kühlmittelkanäle, einen Wärmedurchgangskoeffizienten (K) in der Größenordnung von 2 bis 30 W/m² ρ K aufweist.
Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Substitutionswerkstoff (7) um einen Stahlwerkstoff, Aluminiumlegierungen, Keramik oder deren Schichtkombinationen (7a) handelt.
Kokille nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schichtkombinationen (7a) ein Anteil von Kupferteilchen enthalten ist, der volumenmäßig 50% nicht übersteigt.
Kokille nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite und/oder Tiefe (12) und/oder Querschnittsform der in den Substitutionswerkstoff (7) eingearbeiteten Kühlmittelkanäle (4a) für die Wärmeabfuhr bzw. die Temperaturregelung bei den gegossenen Gießsträngen in Abhängigkeit von Gießparametern geeignet dimensioniert sind.
Kokille nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturfeste Schutzschicht (8) aus metallischen, nichtmetallischen Überzügen (13) oder schichtweisen Kombinationen (7a) gebildet ist.
Kokille nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Affinität bzw. Haftung zwischen dem Werkstoff der temperaturfesten Schutzschicht (8) und dem Substitutionswerkstoff möglichst hoch und zwischen dem Werkstoff der jeweiligen der Schutzschicht (8) und dem jeweiligen Gießwerkstoffs möglichst niedrig ist.
Kokille nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokillenwand unmittelbar auf einen Wasserkasten (15) dicht aufgesetzt ist und mittels einer Vielzahl von Zugankern (16) gegen die Grundplatte (15a) und die Deckplatte (15b) des Wasserkastens verspannt ist, wobei sich die Kühlmittelkanäle (4b) in ihrer Breiten- und Tiefenrichtung innerhalb der Kokillenwand erstrecken und mittels der durchgehend ebenen Grundplatte (15a) des Wasserkastens verschlossen sind.