DE10252505A1

DE10252505A1 - Kokille für eine Stranggießanlage

Info

Publication number: DE10252505A1
Application number: DE2002152505
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. Hugenschütt; Jürgen Dr.-Ing. Merker; Dietmar Dipl.-Ing. Kolbeck; Dirk Dr.-Ing. Rode; Hans-Günter Dr.-Ing. Wobker; Hans-Dirk Dipl.-Ing. Piwowar; Roland Hauri
Original assignee: KM Europa Metal AG
Current assignee: Cunova GmbH
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2004-05-27

Abstract

Eine Kokille für eine Stranggießanlage besitzt einen formgebenden Kokillenkörper 1 aus einer Kupferlegierung, wobei der innere Formraum 2 des Kokillenkörpers 1 im Gießspiegelbereich G mit einer Beschichtung 6 versehen ist. Die Beschichtung 6 ist mehrlagig aufgebaut und weist eine Haftschicht sowie eine Deckschicht auf. Die Haftschicht ist metallischer Basis, wohingegen die Deckschicht aus einem keramischen Werkstoff besteht. Die Beschichtung 6 reduziert den Wärmefluß und damit die Wärmeabfuhr des Kokillenkörpers im Höhenbereich des Gießspiegels G und verhindert nachteilige Diffusionsvorgänge, insbesondere von Zink-, Chrom- oder Schwefelionen aus der Schmelze in den Kupferwerkstoff des Kokillenkörpers 1.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kokille für eine Stranggießanlage gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Kokillen werden zur Herstellung von Vollprofilen in einem kontinuierlichen Gießprozeß verwendet. Die Kokille ist eines der wichtigsten Bauteile einer Stranggießanlage. In ihr beginnt die Erstarrung der Schmelze. Der prinzipielle Aufbau besteht in der Regel aus einer äußeren Stahlkonstruktion und dem eigentlichen formgebenden Teil der Kokille, dem Kokillenkörper. Der Kokillenkörper besteht heute fast ausschließlich aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Für Anwendungen, bei denen hohe bis höchste thermische Beanspruchungen auftreten, werden CuAg- oder CuCrZr-Werkstoffe eingesetzt. Der Stahlmantel hat die Aufgabe, den Kokillenkörper zu positionieren und den zur Kühlung erforderlichen Wasserkreislauf sicherzustellen.
Beim Stranggießen von Stahl in Kupferkokillen müssen insbesondere im Gießspiegelbereich des Kokillenkörpers hohe Wärmemengen aus der Schmelze abgeführt werden. Vor allem bei Gießprozessen mit hohen Gießgeschwindigkeiten wird dabei lokal die zulässige thermische Belastung der Kupferwerkstoffe oftmals überschritten.
Als Folge der überhöhten Belastung kann es zu einer Erweichung und Rißbildung in der Kupferoberfläche des Kokillenkörpers bis hin zum Versagen kommen. Verstärkt wird dieser Vorgang durch die Diffusion von Zink, Chrom oder Schwefel aus der Stahlschmelze in die Kupferoberfläche, wodurch der vorbeschriebene Effekt verstärkt wird.
Aus Gründen des Verschleißschutzes sind Vorschläge bekannt, bei denen der Kokillenkörper mit einer inneren Beschichtung aus einem verschleißfesten Werkstoff, wie Nickel oder Chrom, versehen wird. Eine solche Stranggießkokille mit Verschleißschutzschicht geht beispielsweise aus der DE 31 42 196 C2 hervor. Die Beschichtung ist im unteren Bereich der Form vorgesehen, da hier die gehärtete Schale des Strangs die Innenwand mechanisch verschleißt. Durch die Beschichtung kann eine Verbesserung des Reibverhaltens und damit eine Erhöhung der Standzeit des Kokillenkörpers erreicht werden.
Neben der Formgebung des Gießstrangs hat der Kokillenkörper die Aufgabe, durch eine kontinuierliche Wärmeabfuhr die Ausbildung einer ausreichend dicken widerstandsfähigen und fehlerfreien Strangschale zu gewährleisten. Hierbei muß allerdings beachtet werden, daß eine zu starke Wärmeabfuhr und damit Kühlung des Stahls zu Beginn des Vorgangs, insbesondere in Gießspiegelbereichen, nachteilige Auswirkungen auf die Oberflächenqualität des Strangs haben kann. Es kann zu Mikrorissen in der Oberfläche und Gefügefehlern kommen. Diese bilden sich insbesondere in Kantennähe des Kokillenkörpers aus. Ferner besteht die Gefahr, daß der Strang in dem sich verjüngenden Kokillenkörper verklemmt.
Die DE 1 957 332 A1 beschreibt eine Beschichtung bzw. eine teilweise Beschichtung des inneren Formhohlraums eines Kokillenkörpers, aus einem Material mit einer gegenüber dem Werkstoff des Kokillenkörpers niedrigeren Wärmeleitfähig keit. Hier sind Einsätze vorgesehen, die zumindest im Gießspiegelbereich den inneren Formhohlraum auskleiden. Die Einsätze müssen in die Kokillenwand fest eingefügt werden. Dies ist fertigungstechnisch aufwendig. Auch können Temperatursprünge an den Übergängen nicht vermieden werden.
Zur Begrenzung der Maximaltemperatur im Kokillenkörper ist es bekannt, die Schmelze elektromagnetisch zu rühren. Dieses Verfahren ist jedoch vergleichsweise aufwendig. Die US-A-5,927,378 sieht zum Ausgleich von Ungleichmäßigkeiten bei der Wärmeübertragung ein selektives Kühlen mit variierenden Intensitäten in unterschiedlichen Bereichen des Kokillenkörpers vor. Je nach Wärmemenge ist eine lokal unterschiedliche Kühlleistung vorgesehen. Auch diese Vorgehensweise ist anlagen- und verfahrenstechnisch aufwendig.
Andere Vorschläge sehen dagegen die Erhöhung der Temperatur auf der Gießseite vor. Hierzu wird vorgeschlagen, auf der äußeren Kühlseite des Kokillenkörpers eine wärmedämmende Beschichtung aufzubringen. Ein solcher Vorschlag geht beispielsweise aus der WO 00/29146 hervor.
Der Erfindung liegt, ausgehend vom Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, einen Kokillenkörper zu schaffen, bei dem nachteilige Wärmeströme begrenzt und Diffusionsvorgänge reduziert sind.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Kokille gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Beschichtung des inneren Formraums des Kokillenkörpers mehrlagig aufgebaut ist und eine Haftschicht sowie eine Deckschicht aufweist, wobei die Deckschicht aus einem keramischen Werkstoff besteht.
Die Deckschicht übernimmt die Funktion einer Wärmedämmung. Vorzugsweise besteht die Deckschicht aus einem oxidkeramischen Werkstoff, wie Aluminium- (Al₂O₃), Zirkonium- (ZrO₂) oder Magnesiumoxid (MgO).
Auch Cermets können als Werkstoff für die Deckschicht Anwendung finden. Hierbei handelt es sich um Werkstoffe aus oxidkeramischen und metallischen Bestandteilen, die hochtemperaturbeständig sind.
Die verwendeten Werkstoffe besitzen eine hohe Härte, Festigkeit und eine gegenüber dem Kupferwerkstoff des Kokillenkörpers eine wesentlich niedrigere Wärmeleitfähigkeit. Die Deckschicht weist eine sehr gute chemische Beständigkeit auf und reduziert zuverlässig Diffusionsvorgänge, insbesondere von Zink-, Chrom- oder Schwefelionen aus der Stahlschmelze in die Kupferoberfläche des Kokillenkörpers.
Die innere Haftschicht dient als Haftvermittler und Dehnungsausgleicher. Sie kann als einlagige oder mehrlagige Schicht aufgebracht sein.
Vorzugsweise besteht die Haftschicht aus einem metallischen Werkstoff, wie dies Patentanspruch 2 vorsieht. Für die Praxis bietet sich ein Werkstoff wie NiCrBSi oder MCrAlY als Haftschicht an. Bei MCrAlY steht "M" für ein Metall, beispielsweise Eisen (Fe), Nickel (Ni) oder Kobalt (Co) bzw. eine Kombination dieser Elemente mit Chrom, Aluminium und Yttrium (Fe/Ni/CoCrAlY).
Die Beschichtung ist mehrlagig, zumindest zweilagig aufgebaut. Durch Mehrfachschichten können weitere Eigenschaftsvorteile erreicht werden, insbesondere eine Erhöhung der Diffusionsdichtheit und eine Erhöhung der Haftfestigkeit der Beschichtung am Kokillenkörper.
Grundsätzlich ist es möglich, den inneren Formraum des Kokillenkörpers vollständig zu beschichten. Zweckmäßigerweise wird die Beschichtung im Höhenbereich des Gießspiegels aufgebracht. Hierbei ist nach den Merkmalen von Patentanspruch 3 vorgesehen, daß die Beschichtung auf einem am eingießseitigen Stirnende bzw. der Kokillenoberkante beginnenden Teilstück im Höhenbereich des Gießspiegels aufgebracht ist. Bei Kokillenkörpern bekannter Bauart ist dieses Teilstück üblicherweise 400 mm lang. Auf diese Weise kann gezielt im Gießspiegelbereich eine Reduzierung der Wärmeabfuhr realisiert werden. Damit wird ein Überschreiten der thermischen Maximalbelastung ebenso wie der Strangschalenfestigkeit vermieden.
Die Dicke ebenso wie die Länge der Beschichtung wird auf die jeweiligen Gieß- und Anlagenparameter abgestimmt. Die Schichtdicke ist so zu wählen, daß die thermische Belastung des Kokillengrundkörpers nicht überschritten wird. Hierbei wird grundsätzlich angestrebt, die Beschichtung möglichst dünn und elastisch auszuführen, damit die Beschichtung auftretenden Verformungen des Kokillengrundkörpers aufgrund von thermischen oder mechanischen Belastungen folgen kann.
Gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 4 liegen die Schichtdicken der einzelnen Schichten zwischen 0,02 mm und 1,0 mm, insbesondere zwischen 0,05 mm bis 0,3 mm. Der Bereich, in dem die Beschichtung aufgebracht ist, wird vor dem Beschichten bereichsweise zerspant bzw. abgetragen. Nach dem Auftragen der Beschichtung und einer sich gegebenenfalls hieran anschließenden Nachbearbeitung soll eine glatte Gießfläche vorhanden sein.
Für das Auftragen der Schichten kommen gemäß Patentanspruch 5 thermische Spritzverfahren zur Anwendung, wie das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF), Draht- oder Plasmaspritzen einzeln oder in Kombination.
Der Kokillenkörper einer erfindungsgemäßen Kokille kann ein Kokillenrohr sein. Die Erfindung ist gleichermaßen vorteilhaft bei Gießwalzen oder mehrteilig konfigurierten Kokillenkörpern, wie Plattenkokillen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
1 in technisch vereinfachter Darstellungsweise einen Ausschnitt aus einem Kokillenkörper im vertikalen Schnitt;
2 der Kokillenkörper gemäß der 1 in der Draufsicht und
3 einen Ausschnitt aus dem Seitenrand des Kokillenkörpers im vertikalen Schnitt.
Die 1 bis 3 veranschaulichen vereinfacht einen Kokillenkörper 1 zum Stranggießen von Stahl. Die Darstellungen sind nicht maßstäblich zu verstehen.
Der Kokillenkörper 1 besitzt einen inneren Formraum 2, dessen Querschnitt am eingießseitigen Stirnende 3 üblicherweise größer als am strangausgießseitigen Fußende 4 bemessen ist.
Der Kokillenkörper 1 besteht aus einer Kupferlegierung, vorzugsweise auf Kupfer/Silber(CuAg)- oder Kupfer/Chrom/Zirkonium(CuCrZr)-Basis.
An der Innenseite 5 des Formraums 2 ist der Kokillenkörper 1 auf einem Teilstück A im Höhenbereich des Gießspiegels G mit einer Beschichtung 6 versehen. In der Praxis erstreckt sich die Beschichtung vorteilhafterweise bis zur Mitte des Kokillenkörpers 1. Anhand der 2 wird deutlich, daß die Beschichtung 6 vollflächig umlaufend aufgebracht ist. Die Beschichtung 6 ist mehrlagig aufgebaut (siehe hierzu 3) und umfaßt zumindest eine Haftschicht 7 aus einem metallischen Werkstoff und eine Deckschicht 8 aus einem keramischen Werkstoff.
Die Schichtdicken von Haftschicht 7 und Deckschicht 8 liegen je nach Gieß- und Anlagenparametern zwischen 0,02 mm bis 1,0 mm, insbesondere zwischen 0,05 mm und 0,3 mm. Die Gesamtdicke der Beschichtung 6 ist so ausgelegt, daß diese bündig mit der Innenseite 5 des Formraums 2 abschließt.
Die Haftschicht 7 fungiert als Haftvermittler und Dehnungsausgleicher zur Kompensation von durch Temperaturschwankungen auftretenden Längenänderungen oder Verformungen. Sie gewährleistet eine vollflächige und stabile Verbindung der keramischen Deckschicht 8 mit dem Kokillenkörper 1.
Die Deckschicht 8 der Beschichtung 6 reduziert den Wärmefluß und damit die Wärmeabfuhr im Höhenbereich des Gießspiegels G. Hieraus resultieren höhere Wandtemperaturen in der Anfangsphase der Strangschalenausbildung. Dies führt zu einer Verbesserung der Obertlächenqualität eines Gießstrangs. Insbesondere Mikrorisse in der Oberfläche des Gießstrangs können auf diese Weise vermieden werden. Zudem verhindert bzw. reduziert die Deckschicht 8 Diffusionsvorgänge, insbesondere von Zink-, Chrom- und/oder Schwefelionen aus der Stahlschmelze in den Kupferwerkstoff des Kokillenkörpers 1. Die vorgesehene Beschichtung 6 verhindert ein Erweichen und Rißbildungen in der Kupferoberfläche des Kokillenkörpers.

1 –: Kokillenkörper
2 –: Formraum
3 –: Stirnende
4 –: Fußende
5 –: Innenseite
6 –: Beschichtung
7 –: Haftschicht
8 –: Deckschicht
A –: Teilstück
G –: Gießspiegel

Claims

Kokille für eine Stranggießanlage mit einem formgebenden Kokillenkörper (1) aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer oder einer Kupferlegierung, wobei der innere Formraum (2) des Kokillenkörpers (1) zumindest bereichsweise mit einer Beschichtung (6) aus einem Material mit einer gegenüber dem Werkstoff des Kokillenkörpers niedrigeren Wärmeleitfähigkeit versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (6) mehrlagig aufgebaut ist und eine Haftschicht (7) sowie eine Deckschicht (8) aufweist, wobei die Deckschicht (8) aus einem keramischen Werkstoff besteht.
Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht (7) aus einem metallischen Werkstoff besteht.
Kokille nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (6) auf einem am eingießseitigen Stirnende (3) beginnenden Teilstück (A) im Höhenbereich des Gießspiegels (G) aufgebracht ist.
Kokille nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicken der einzelnen Schichten (7, 8) zwischen 0,02 bis 1,0 mm, insbesondere zwischen 0,05 bis 0,3 mm, liegen.
Kokille nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht (7) und/oder die Deckschicht (8) als thermische Spritzschicht aufgebracht ist.