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Die
Erfindung betrifft eine Kokille für eine Stranggussanlage sowie
ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kokille.
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In
einer Stranggussanlage wird eine Metallschmelze über eine Gießpfanne
kontinuierlich in und durch eine so genannte Kokille gegossen, beispielsweise
eine Plattenkokille oder auch eine Rohrkokille. Im Anschluss an
die Kokille wird der schmelzflüssige Metallstrang
mit Hilfe von so genannten Segmenten geführt und gleichzeitig gekühlt, bis
der Metallstrang erstarrt ist. Durch ein Abtrennen werden beispielsweise
so genannte Brammen, Vorblöcke
oder Knüppel
erhalten. Aus den Brammen werden beispielsweise durch Auswalzen
zunächst
in einer Warmwalzstraße
und anschließendem
Kaltwalzen Bleche erzeugt. Das Warmwalzen kann hierbei sowohl unmittelbar
im Anschluss an das Stranggießen
erfolgen oder auch zu einem späteren
Zeitpunkt und an einem anderen Ort.
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Bei
der Stranggussanlage sind die Bauteile, die mit der zähflüssigen Schmelze
in Kontakt kommen, insbesondere die Kokille, einer sehr hohen Beanspruchung
ausgesetzt. Aufgrund der sehr hohen Temperaturen ist dies eine sehr
hohe thermische Wechselbeanspruchung. Zugleich sind diese Bauteile
auch einer erheblichen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt. Die
Bauteile sind zudem einer hochkorrosiven Umgebung ausgesetzt, da
für die Schmelze
korrosive Flussmittel verwendet werden und zugleich zur Kühlung der
Schmelze Wasser herangezogen wird.
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Aufgrund
dieser erheblichen Belastungen weisen diese Bauteile nur eine begrenzte
Lebensdauer auf und müssen
regelmäßig ausgetauscht werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Standzeit und damit die
Lebensdauer einer Kokille zu erhöhen,
um insgesamt einen kostengünstigeren
Betrieb einer Stranggussanlage zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Kokille mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist vorgesehen,
dass die Kokille, insbesondere eine Kokillenplatte, einen Grundkörper aufweist, auf
den eine Beschichtung aus einem duktilen metallischen Grundwerkstoff
als Matrix mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln aufgebracht
ist.
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Unter
duktilem metallischen Grundwerkstoff wird hierbei ein vergleichsweise
weicher metallischer Grundwerkstoff verstanden, der eine Vickers-Härte von
maximal etwa 180–230
HV01 aufweist. Die Härtebestimmung nach Vickers
ist der Norm DIN EN ISO 6507 zu entnehmen. Die eingelagerten Hartstoffpartikel
weisen demgegenüber
eine deutlich höhere Härte auf,
beispielsweise eine um mehr als den Faktor 2 größere Härte als der Grundwerkstoff.
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Durch
die Kombination eines duktilen Werkstoffes mit darin eingelagerten
Hartstoffpartikeln wird die Kokille mit einer Beschichtung versehen,
die den extremen Belastungen standhält. Durch die Duktilität besteht
im Vergleich zu einer durchgehend harten und spröden Beschichtung eine deutlich
geringere Gefahr, dass im Laufe des Betriebs die Beschichtung beschädigt und
Risse oder Mikrorisse auftreten, was aufgrund der starken korrosiven
Umgebung schnell zu einer unerwünschten
starken Korrosion führen würde. Auch
ist die Gefahr eines Abplatzens von Teilstücken der Beschichtung bei mechanischer
Belastung aufgrund der hohen Duktilität deutlich geringer als bei
einer spröden
Beschichtung. Zugleich wird durch die eingelagerten Hartstoffpartikel
eine sehr hohe Abriebfestigkeit und damit eine quasi sehr hohe Oberflächenhärte erhalten,
so dass selbst bei hohen mechanischen Belastungen und hohen Abriebkräften eine
lange Lebensdauer erreicht ist.
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Zweckdienlicherweise
wird als Grundwerkstoff Nickel oder eine Nickellegierung verwendet.
Der besondere Vorteil der Nickelbeschichtung für derartige Bauteile ist in
der sehr hohen Dichtheit der Nickelbeschichtung zu sehen, wodurch
das Bauteil sehr effektiv vor Korrosion geschützt wird. Zugleich weist Nickel
eine gute Wärmeleitfähigkeit
auf, so dass über diese
Beschichtung auch ein guter gesteuerter Wärmeabfluss ermöglicht wird.
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Zweckdienlicherweise
ist die Beschichtung hierbei derart ausgebildet, dass die Nickel-Matrix eine
Oberfläche
definiert, über
die die Hartstoffpartikel zumindest im mikroskopischen Bereich überstehen.
Aufgrund dieser Ausgestaltung erfolgt der tatsächliche mechanische Kontakt über die
harten und abriebfesten Hartstoffpartikel und nicht über die
vergleichsweise weiche Nickelmatrixbeschichtung.
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Bei
der Verwendung einer Nickellegierung für den Grundwerkstoff oder die
Grundmatrix liegt der Nickelanteil vorzugsweise im Bereich zwischen
65 und 95 Vol% und liegt insbesondere im Bereich von etwa 75 Vol%,
bezogen jeweils auf das Gesamtvolumen der Beschichtung. Als Legierungsbestandteile sind
vorzugsweise Wolfram und/oder Eisen und/oder Kobalt vorgesehen.
Besonders bevorzugt wird hierbei Kobalt eingesetzt. Auch eine Beschichtung
bestehend aus den Bestandteilen Nickel, Wolfram und Eisen hat sich
als geeignet herausgestellt.
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Zweckdienlicherweise
liegt hierbei der Anteil der Legierungsbestandteile in einem Bereich
zwischen etwa 10 und 20 Vol%. Weiterhin liegt vorzugsweise der Anteil
der Hartstoffpartikel in einem Bereich zwischen 5 und 30 Vol%.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass die Hartstoffpartikel vorzugsweise eine Größe im nanoskaligen Bereich,
beispielsweise im Bereich zwischen 50 und 1.000 nm oder alternativ
auch im μm-Bereich, beispielsweise
im Bereich von 1 und 500 μm,
aufweisen. Die Verwendung wahlweise von Nano-Hartstoffpartikeln
oder Mikro-Hartstoffpartikeln hängt
von der jeweiligen An wendung und dem Einsatzzweck bzw. den mechanischen
Anforderungen ab.
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Als
Hartstoffpartikel werden hierbei vorzugsweise Borcarbidpartikel,
Wolframcarbidpartikel oder Diamantpartikel eingesetzt. Es werden
also insbesondere auch keramische Partikel wie die Borcarbidpartikel
eingesetzt, die sich durch ihre extrem hohe Härte auszeichnen.
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Die
Dicke der Beschichtung liegt vorzugsweise im Bereich zwischen etwa
0,7 bis etwa 6 mm und liegt insbesondere im Bereich zwischen etwa
2 und 3 mm. Es hat sich gezeigt, dass die Beschichtung mit einer
derartigen Schichtdicke den hohen Anforderungen besonders genügt.
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Um
eine qualitativ hochwertige, gut und dauerhaft haftende Beschichtung
auszubilden, ist die Beschichtung zweckdienlicherweise elektrolytisch
aufgebracht. Zur Ausbildung der Beschichtung wird daher das zu beschichtende
Bauteil in ein oder mehrere Galvanikbäder eingetaucht. Als Elektrode
wird eine Elektrode bestehend aus dem Grundwerkstoff, beispielsweise
eine Nickel- oder eine Nickellegierung-Elektrode verwendet. Die
Hartstoffe werden hierbei dem Galvanikbad zugegeben, so dass sie
mit den Metallionen der Nickelelektrode zu dem zu beschichtenden
Bauteil wandern und sich dort gemeinsam mit den die Matrix bildenden
Nickelionen ablagert.
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Eine
bevorzugte Beschichtung umfasst eine Nickel-Kobalt-Legierung mit
Borcarbidpartikeln als Hartstoffe. Eine derartige Beschichtung hat
sich als besonders geeignet für
die Anforderungen einer Kokille herausgestellt.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin
gelöst
durch ein Verfahren gemäß Anspruch
12. Die im Hinblick auf die Kokille angeführten Vorteile und bevorzugten
Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf
das Verfahren zu übertragen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen jeweils in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen:
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1 eine
Darstellung eines Stahlwerks mit einer Stranggussanlage mit sich
anschließender Warmwalzanlage
und Kaltwalzanlage, sowie
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2 ein
vereinfachtes Schnittbild durch eine Kokille, welche mit der Beschichtung
versehen ist.
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In
den einzelnen Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Die
Erzeugung eines metallischen Halbzeugs, wie beispielsweise eine
Bramme 2, erfolgt mit Hilfe einer Stranggussanlage 4 in
einem kontinuierlichen Verfahren. Hierbei wird die zähflüssige Schmelze
mit Hilfe einer hier nicht näher
dargestellten Gießpfanne
in eine Kokille 6 eingegossen, die sich beispielsweise
aus mehreren Kokillenplatten 8 zusammensetzt. Nach Durchfließen der
Kokille 6 wird der hier gestrichelt dargestellte Schmelzstrang 10 mit
Hilfe von so genannten Segmenten 12 umgelenkt und geführt. Die
Segmente 12 weisen jeweils mehrere Transportrollen 14 auf.
In der Zeichnung sind nur einige der Segmente 12 und zudem
stark vereinfacht dargestellt. Die Segmente 12 sind komplexe
Bauteile und weisen ein Traggerüst 16 auf,
mit dem die Transportrollen 14 verbunden sind. Die Transportrollen 14 werden
hierbei insbesondere mit Hilfe von Zylindern 18 in eine
definierte Position gegen den Schmelzstrang 10 gepresst.
Im Bereich der Segmente 12 wird der Schmelzstrang 10 intensiv
gekühlt,
so dass er allmählich
erstarrt. Der erstarrte Schmelzstrang 10 wird anschließend mit
Hilfe einer Schneideinrichtung 20 in die sogenannten Brammen 2 unterteilt.
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Diese
werden anschließend
zur Weiterverarbeitung einer Warmwalzstraße 22 zugeführt, in
der die beispielsweise 25 cm starken Brammen 2 auf eine
Dicke von wenigen Millimetern bei hohen Temperaturen materialabhängig von
beispielsweise bis annähernd
1000°C gewalzt
werden. Hierzu werden die Brammen 2 zwischen zwei Arbeitswalzen 24 umgeformt.
Die Arbeitswalzen 24 werden hierbei mittels Stützwalzen 26 gegen
die Oberfläche
der Bramme 2 gepresst.
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Nachfolgend
zu der Warmwalzstraße 22 wird das
so erhaltene Metallblech 28, welches auf eine Rolle 30 aufgerollt
wird, in einer Kaltwalzstraße 32 üblicherweise
auf die Endstärke
gewalzt. Auch hier wird das Metallblech 28 zwischen zwei
nunmehr als Kaltwalzen 34 bezeichneten Arbeitswalzen gepresst. Die
Kaltwalzen 34 werden wiederum mit Hilfe von Stützwalzen 26 abgestützt. Während beim
Warmwalzen, das insbesondere unmittelbar nach dem Stranggießen und
dem Erstarren erfolgt, die Brammen noch eine Temperatur von bis
zu 1000°C
aufweisen, erfolgt das Kaltwalzen etwa bei Raumtemperatur.
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Die
Stranggussanlage 4, die Warmwalzstraße 22 sowie die Kaltwalzstraße 32 sind
beispielsweise gemeinsam in einem Stahlwerk 36 angeordnet. Diese
drei Anlagenteile können
aber ebenso an unterschiedlichen Orten in unterschiedlichen Stahlwerken 36 angeordnet
sein, wobei hierbei eine Anlage, die ausschließlich eine Stranggussanlage 4 oder eine
Walzstraße 22, 32 aufweist
ebenfalls als Stahlwerk bezeichnet wird.
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Die
bei der Herstellung zunächst
der Bramme 2 und später
des Metallblechs 28 hoch belasteten Bauteile sind insbesondere
die Kokille 6, die Segmente 12 mit den Transportrollen 14 sowie
die Walzen 24, 34, 26 der Walzstraßen 22, 32.
Je nach Prozessschritt bzw. -stufe werden hierbei diese Bauteile unterschiedlich
belastet. So ist beispielsweise am Beginn des beschriebenen Prozesses
im Bereich der Kokille 6 eine sehr hohe thermische und
korrosive Belastung der Bauteile gegeben. In diesem Bereich weist
die Metallschmelze noch eine sehr hohe Temperatur auf und die Bauteile
sind den eingesetzten Flussmitteln ausgesetzt. Zudem erfolgt im
Bereich der Segmente 12 eine intensive Kühlung insbesondere
mit Wasser, so dass hier die Segmente 12 und Transportrollen 14 einer
erheblichen korrosiven Belastung ausgesetzt sind. Zugleich muss jedoch
auch der Metallstrang mit Hilfe der Segmente 12 mechanisch
geführt
werden, so dass neben der hohen thermischen und korrosiven Belastung
auch eine mechanische Belastung auftritt.
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Im
Bereich der Warmwalzstraße 22 tritt
die korrosive Belastung durch die Flussmittel etwas in den Hintergrund
und auch die thermische Belastung nimmt zusehends ab. Gleichzeitig
sind hier insbesondere die Arbeitswalzen 24 erheblichen
mechanischen Belastungen ausgesetzt. Schließlich ist die thermische Belastung
bei der Kaltwalzstraße 32 vergleichsweise
gering, jedoch treten erhebliche mechanische Belastungen auf.
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Für alle diese
hoch belasteten Bauteile ist nunmehr eine Beschichtung bzw. ein
Beschichtungssystem vorgesehen, welches an die speziellen Anforderungen
angepasst ist und für
jedes dieser Bauteile deren Standzeit und Lebensdauer im Vergleich
zu beispielsweise hartchrombeschichteten Bauteilen teilweise erheblich
verbessert. Der Aufbau und die Zusammensetzung der Beschichtung
bzw. des Beschichtungssystems wird nachfolgend anhand der 2 und 3 erläutert.
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Auf
einen Grundkörper 37 der
Bauteile wird jeweils eine im Folgenden als Grundbeschichtung 38 bezeichnete
Beschichtung auf Nickelbasis elektrolytisch aufgebracht. Der Grundkörper besteht
im Falle der Kokille 6 und der Kokillenplatten 8 aus
Kupfer. Die Segmente 12, Transportrollen 14 sowie
Walzen 24, 26, 34 bestehen beispielsweise
aus Stahl.
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Die
Grundbeschichtung 38 umfasst neben der als Grundwerkstoff 39 bezeichneten
Nickelmatrix einen Anteil an Hartstoffpartikeln 40, insbesondere Borcarbidpartikel.
Durch die Verwendung von Nickel als Matrixwerkstoff in Kombination
insbesondere von Borcarbid für
die Hartstoffpartikel 40 wird eine sehr gasdichte und damit
korrosionsbeständige
sowie eine thermisch sehr gut leitende Beschichtung mit zugleich
sehr hoher Oberflächenhärte und
geringem Abrieb erzeugt.
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Die
hohe Gasdichtheit wird durch die Nickelmatrix bereits bei einer
sehr geringen Schichtdicke von etwa 10 μm erreicht. Gegenüber einer
mikrorissigen Hartchrombeschichtung ist daher eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit
gegeben. Aufgrund der guten thermischen Leitfähigkeit des Nickel-Grundwerkstoffs 39 weist
die Beschichtung insgesamt auch eine hohe thermische Leitfähigkeit
auf, so dass ein schneller Wärmeabtransport
gewährleistet
ist.
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Die
mechanische Belastbarkeit der Beschichtung wird insbesondere durch
die eingelagerten Hartstoffpartikel 40 erreicht, die teilweise
auch über
der durch die Nickelmatrix 39 gebildete Oberfläche 44 überstehen,
so dass lediglich die Hartstoffpartikel 40 mit der Metallschmelze 10 bzw.
der Bramme 2 oder dem Metallblech 28 in Kontakt
kommen.
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Bei
den Bauteilen, die einer erheblichen mechanischen Belastung ausgesetzt
sind, insbesondere die Arbeitswalzen 24 und die Kaltwalzen 34,
ist in bevorzugten Ausgestaltungen zusätzlich die Aufbringung einer
Diamantschicht 42 auf der Grundbeschichtung 38 vorgesehen,
wie dies in 3 dargestellt ist.
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Ist
das Bauteil eine Kokille 6 oder eine Kokillenplatte 8,
deren Grundkörper 37 üblicherweise
aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht, ist lediglich die
Grundbeschichtung 38 aufgebracht. Als Grundwerkstoff 39 ist
eine Nickel-Kobalt-Legierung oder auch eine Nickel-Eisen-Wolfram-Legierung
vorgesehen, wobei hierbei jeweils der Nickelanteil insbesondere
im Bereich von etwa 75 Vol% liegt. Der Anteil des Kobalts bzw. von
Eisen und Wolfram liegt etwa zwischen 10 und 20 Vol%. Den Restanteil
bilden die Borcarbidpartikel 40, deren Größe im Mikrometerbereich
liegt. Die Dicke D1 der Grundbeschichtung liegt hierbei etwa im
Bereich zwischen 2 und 3 mm.
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Die
gleiche Beschichtung ist auch bei den Segmenten 12 vorgesehen,
ebenfalls bei den Transportrollen 14 der Segmente 12.
Da diese in unmittelbarem mechanischen Kontakt mit dem Schmelzstrang 10 stehen,
weisen diese zur Verbesserung des mechanischen Abriebs eine im Vergleich
zu dem restlichen Segment 12 höheren Anteil an Hartstoffpartikeln 40 auf.
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Inbesondere
für den
Fall, dass die Arbeitswalzen 24, 34 lediglich
mit der Grundbeschichtung 38 versehen sind, werden Nano-Hartstoffpartikel 40 verwendet,
um eine hohe Oberflächenqualität zu erzielen.
Auch liegt der Anteil der Hartstoffpartikel 40 für derartige
Walzen 24, 34 im oberen Bereich zwischen 15 und
25 Vol%. Eine Beschichtung auf Basis einer Nickel-Kobalt-Legierung
weist hierbei beispielsweise eine Zusammensetzung von etwa 63 Vol%
Nickel, 12 Vol% Kobalt und 25 Vol% Borcarbidpartikel 40 auf.
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Die
Stützwalzen 26 weisen
demgegenüber Hartstoffpartikel 40 im
Mikrometerbereich auf.
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Mit
der Verwendung eines Schichtsystems wie es in 3 dargestellt
ist, wird die Standzeit noch einmal erheblich erhöht. Die
Dicke D1 der Grundbeschichtung 38 liegt in diesem Fall
im unteren Bereich zwischen 0,5 und 2 mm. Gleichzeitig beträgt die Dicke
D2 der Diamantbeschichtung etwa 0,5 mm.
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Durch
die hier beschriebene Grundbeschichtung 38 wird die Standzeit
der Bauteile im Vergleich zu einer Hartchrombeschichtung jeweils
um etwa das 4- bis 6-fache erhöht.
Bei der Verwendung der Diamantbeschichtung 42 liegt die
Verbesserung der Standzeit um ein vielfaches darüber. Insgesamt werden durch
die hier beschriebenen Beschichtungsmaßnahmen die Lebensdauer der
einzelnen Bauteile in einem Stahlwerk 36 erheblich verlängert, so
dass für
den Betrieb des Stahlwerks 36 deutliche geringere Kosten
anfallen.