DE3002347A1 - Neues gusstahlprodukt und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein neues Gußstahlprodukt und insbesondere ein neues, durch kontinuierliches Vergießen erhaltenes Stahlprodukt mit einer gleichförmigen Verteilung von Bestandteilen sowie ein Verfahren zur Herstellung des Produktes.

Eine wünschenswerte Eigenschaft von Stahl in seinem gegossenen Zustand ist bekanntlich eine möglichst gleichförmige Verteilung seiner Komponenten und Verunreinigungen, die normalerweise im Stahl zu finden sind, innerhalb des Stahlproduktes. Der Ausdruck "Komponente" wird hier in dem üblichen Sinne gebraucht, d»h. unter einer "Komponente" ist ein Bestandteil eines chemischen Systems oder einer Phase oder eine Kombination von Phasen zu verstehen, die ein chemisches System bilden, die in einer charakteristischen Konfiguration in einer Legierungsmikrostruktur auftreten, wohingegen unter "Verunreinigungen" Elemente oder Verbindungen zu verstehen sind, deren Gegenwart in einem Material oder Produkt unerwünscht ist. Unter den Begriff der Komponenten fallen somit hier die Stoffe oder Materialien, die zu einem chemischen System kombiniert sind, unter Erzeugung eines speziellen durch Vergießen hergestellten Stahls. Unter den Begriff der Komponenten fallen jedoch nicht die Verunreinigungen oder unen^ünschten Elemente oder Verbindungen, die in dem gegossenen Metall vorhanden sind. In jedem Falle macht eine Segregation oder Ausscheidung der Komponenten in gegossenem Stahl diesen für eine nachfolgende Weiterbearbeitung wie Schmieden oder Warmverformen oder Auswalzen zu einem Stab und Verz-iehen zu einem Draht weniger geeignet. Der hier verwendete Ausdruck "Segregation" oder "Ausscheidung" wird hier ebenfalls in dem normalerweise üblichen Sinne verwendet, d.h. der Ausdruck "Segregation" oder "Ausscheidung" ist ein Ausdruck, der unter Bezugnahme auf die nicht-gleichförmige Verteilung oder Konzentration von Komponenten(oder Verunreinigungen), die während der Verfestigung des Metalles herbeigeführt wird, benutzt wird. Eine Konzentration oder Akkumulation von Verunreinigungen in verschiedenen Positionen oder Lagen innerhalb des Metalles wird in der Literatur beispielsweise als Segregation oder Ausscheidung bezeichnet. Die Segregation, die zwischen den Armen von Dendriten auftritt, wird als geringe Segregation oder

Mikrosegregation bezeichnet, weshalb die Zusammensetzung innerhalb eines einzelnen Kristalles veränderlich sein kann. Eine Makrosegregation tritt um primäre oder sekundäre Lunker- oder Schwindungshohlräume auf, wie beispielsweise Lunker und Poren sowie in ähnlichen Bezirken oder Bereichen und gibt sich oftmals in Form von hervortretenden Linien zu erkennen, die eine deutlich aufgerichtete oder hängende konische Form haben, welche klar zutage treten, wenn die Barren oder Blöcke unterteilt und geäzt werden. Segregationszonen neigen dazu, in den mittleren Bereichen des durch Vergießen erhaltenen Produktes aufzutreten und normalerweise innerhalb des Teiles, der hauptsächlich von gleichachsigen Kristallen eingenommen wird. Eine Mikrosegregation läßt sicli gelegentlich durch Anlassen oder Frischen überwinden, wohingegen eine Makrosegregation die nachfolgenden Erhitzungsund Bearbeitungsstufen überdauert. Sogenannte Lunker-Segregate treten rund um die sogenannten Lunkerhohlräume auf. Bei der normalen Segregation in Stahl akkumulieren sich die Komponenten oder Bestandteile (aufgelöste Stoffe) in dem Eisen(Lösungsmittel), die aus der erstarrenden Flüssigkeit ausgeschieden werden, an der fortschreitenden Feststoff-Flüssigkeitsberührungsfläche, so daß die Komponenten oder Bestandteile des niedrigsten Schmelzpunktes sich in den letzten sich verfestigenden Anteilen konzentrieren, wohingegen dies bei einer umgekehrten oder inversen Segregation umgekehrt ist und die Flüssigkeit mit einer hohen Konzentration an aufgelöstem Stoff wird zwischen den Dendriten eingefangen, wodurch eine Konzentrat'ionsabnahme an aufgelösten Stoffen von der Barren- oder Blockoberfläche in Richtung Zentrum hervorgerufen wird. Eine inverse Segregation besteht dann in einer Konzentrierung von Bestandteilen oder Verunreinigungen auf einen höheren Grad nahe den äußeren Oberflächen (im Vergleich zum Inneren) eines Barrens oder Blockes oder Gußkörpers.

Es sind Verfahren zum Gießen von Stahl bekannt, bei denen Stahlprodukte mit einem vergleichsweise hohen Segregationsgrad von Verunreinigungen und Legierungsbestandteilen innerhalb des gegossenen Stahles erhalten werden. Aufgrund der hohen Konzentration an Komponenten und Verunreinigungen im Stahl tritt norr malerweise eine inverse oder umgekehrte Segregation auf. Eine.

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solche ungleichförmige Verteilung von Verunreinigungen und/oder Komponenten innerhalb des Gußstahles macht es wünschenswert, daß die Gesamtmenge derselben innerhalb des Stahles vermindert wird_s so daß eine nachfolgende Verarbeitung des Gußstahles nicht zu unakzeptierbaren inneren Charakteristik und Oberflächencharakteristika in dem aus dem Gußstahl herzustellenden Produkt führte Eine Verminderung der Gesamtmenge an Verunreinigungen erfordert jedoch in der Regel eine kostspielige zusätzliche Raffinierung oder Veredelung des Stahles vor dem Gießen und ist manchmal vom kommerziellen Standpunkt aus gesehen nicht durchführbar oder unpraktisch, während gelegentlich die Zugabe von speziellen Komponenten oder Bestandteilen (einschließlich Legierungselementen) wünschenswert oder notwendig ist.

Unter den Verunreinigungen und Legierungselementen innerhalb des Stahls, die im Falle von Produkten des Standes der Technik dazu neigen, sich auszuscheiden, sind Schwefel, Sauerstoff, Phosphor, Mangen, Silicium und Kohlenstoff zu nennen. Eine jede ins Gewicht fallende Segregation oder Ausscheidung dieser Elemente macht die Produkte vom kommerziellen Standpunkt aus gesehen weniger geeignet. Beispielsweise kann eine ins Gewicht fallende Segregation eine ungleichförmige Zug- oder Bruchfestigkeit innerhalb des Stahles herbeiführen, so daß dieser z_U einer Weiterverarbeitung zu. Draht weniger geeignet wird. Eine Ausscheidung von gasförmigen Verunreinigungen kann zu porösen Bezirken nahe der Oberfläche des gegossenen Produktes führen, welche unter anderen Nachteilen eine unzureichende Oberflächenqualität von Blechen herbeiführt. Verwiesen wird in diesem Zusammenhang auf B. C. Whitmore und J. W. Hlinka "Continuous Casting of Low-Carbon Steel Slabs by the Hazelett Strip-Casting Process", Open Hearth Proceedings, 1969.

Eine starke Mikrosegregation von Mangan führt zu Problemen in vielen Endprodukten, die aus durch kontinuierliches Gießen erhaltenen Barren hergestellt wurden, und zwar aufgrund des großen Einflusses auf die Austenit zu Pearlit/ßainit-Martensit-Umwandlungen. Beispielsweise weisen durch kontinuierliches Gießen er-

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haltene Barren, die zu Drahtstäben ausgewalzt wurden, oftmals hohe Konzentrationen an Mangan im Kern auf, was die lokale Bildung von Martensit während des Gießens begünstigt, was zu häufigen Brüchen während des nachfolgenden Drahtziehprozesses führt.

Dieses Problem ist seit langem bekannt, doch ließen sich nur wenige Veröffentlichungen auffinden, welche in der Praxis erhaltene Produktionsdaten mitteilen. Eine diesbezügliche Studie von Hans Van Vuuren von der Firma South African Iron and Steel Industrial Corporation, Ltd. (eine Kopie ist auf Seiten 306 bis 334 der Literaturstelle "Steelmaking Proceedings", Band 61, Chicago Meeting, April 16-20, 1978, enthalten), beschreibt einen Versuch, die Mikrosegregation zu steuern und die Effekte des Verfahrens im Falle eines stabförmigen Endproduktes.

Van Vuuren folgerte, daß das Auftreten von zentralem Martensit normalerweise in einigen Stahldrahtstäben vermieden werden kann durch Begrenzung der Gesamtkonzentration an Mangan auf maximal 0,75$, Phosphor auf maximal 0,020% und Überwachung der Abkühlung während der Kühlstufe im Anschluß an den Auswalzprozeß. Es werden keine Mikrosegregationswerte der durch kontinuierliches Gießen hergestellten Blöcke mitgeteilt (es wird angenommen, daß ISCOR beginnt mit kontinuierlichem Gießen eines 205 mm χ 315 mm großen Blockes auf einer Concast Bloom Maschine), doch wurde das Stabendprodukt analysiert und es zeigte sich, daß die Mangen-Mikrosegregationswerte zwischen 101,5 bis 139,01 der Basisanalyse liegen. Aufgrund der ausgeprägten thermischen Diffusion zwischen dem Zeitpunkt des Gießens und dem Zeitpunkt des Auswalzens wird angenommen, daß die Mikrosegregationswerte des Mangans in dem gegossenen Block beträchtlich größer gewesen sind als in dem stabförmigen Endprodukt.

Bis heute gehören zu den bekannten Verfahren des Standes der Technik, die sich mit der Lösung von Problemen aufgrund einer Segregation (z.B. Drahtbruch) befassen, die Ausbesserung (z.B. Homogenisierung) der Zwischenprodukte (z.B. Stäbe oder Stangen)

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anstelle der Vermeidung des Auftretens einer Segregation während des Gießprozesses. Eine Ursache hierfür beruht ganz offensichtlich darauf, daß es beträchtlich schwieriger ist, den in de^lr Praxis durchgeführten kontinuierlichen Gießprozeß zu steuern»

Bei den bekannten Barren- oder Block-Gießverfahren tritt eine Segregation auf, wenn sich der geschmolzene Stahl langsam verfestigt, wobei die Verunreinigungen durch Schwerkraft-Trennung in den oberen Teil der Barren oder Blöcke gelangen« Im Falle von Verfahren, die zu Produkten höherer Qualität führen, wird gelegentlich eine auftretende konzentrierte Schicht von Verunreinigungen und/oder Erstarrungslunkern im oberen Teil eines Barrens oder Blockes auf physikalischem Wege, entfernt, abgehäutet oder abgeschrägt, bevor der gegossene Stab weiterverarbeitet wird= Verwiesen wird beispielsweise auf die Arbeit "Recent Developments in Machine Scarfing of Continuous Cast and Rolled Steel", veröffentlicht in der Zeitschrift "Iron and Steel Engineer", Januar 1978, Seiten 68-71 und die US-PS 4 155 399, Spalte 1, Zeilen 61 bis 68-

Es sind des weiteren Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von Stahl bekannt, die entwickelt wurden, um die Bearbeitung einer großen Anzahl von Barren oder Blöcken und die Notwendigkeit der Entfernung der Oberschicht zu vermeiden. Im Falle der von der Anmelderin als am wesentlichsten und vom kommerziellen Standpunkt aus gesehen üblichsten Methode des kontinuierlichen Gießens von Stahl wird das aufgeschmolzene Metall in eine vertikal angeordnete Form' mit einem offenen Ende gegossen, die aus einem hoch leitfähigen Material, beispielsweise Kupfer besteht, in der zum Kühlen Wasser zirkuliert wird. Wenn sich die Außenfläche des Metalles unter Erzeugung einer Haut oder Hülle von verfestigtem oder erstarrtem Stahl benachbart zur Formwand verfestigt, wird der Strand oder Strang des Stahles langsam vom Boden der Form abgezogen, während aufgeschmolzenes Metall kontinuierlich in den oberen Teil der Form eingegossen wird. Dieser Verfahrenstyp wird gelegentlich auch als Junghans-Typ oder Junghans-Rossi-Typ des kontinuierlichen Gießsystems bezeichnet und wurde in der Praxis erfolgreich beispielsweise von den Firmen Concast AG, Zürich,

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Schweiz und Koppers Co., Inc., USA, durchgeführt. (Verwiesen wird beispielsweise auf eine frühere Junghans US-PS 2 135 183). Selbst hier jedoch kann es im Falle bestimmter Anwendungszwecke erforderlich sein, eine Oberfläche abzuziehen. Verwiesen wird in diesem Zusammenhang auf die US-PS 4 155 399.

Im Falle eines Verfahrens vom Junghans-Typ kann die Form vertikal längs eines vergleichsweise kurzen Weges hin- und herschwingen oder pendeln, so daß die. Form sich mit dem Strand oder Strang während jeder nach abwärts gerichteten Schwingung bewegt, unter Erhöhung der Wärmeübertragung während den Zeitspannen, bei denen keine relative Bewegung zwischen dem Strand oder dem Strang und der Form erfolgt. Derartige Hin- und Herschwingungen oder Oszillationen erhöhen die mögliche Gießgeschwindigkeit, rufen jedoch oftmals unerwünschte Schwingungs- oder Oszillationsstellen oder -ringe hervor, die sich rund um den Gußkörper auf dessen Oberfläche erstrecken.

Wenn die Stränge die Form verlassen, werden normalerweise Wasserstrahlen auf die Oberfläche der halb erstarrten Stränge gerichtet, um die Erstarrung derselben zu vervollständigen. Um die senkrechte Höhe des Gebäudes zu vermindern, daß die Gießmaschine

ι vom Junghans-Typ beherbergt, ist es bekannt Führungswalzen zu j verwenden, um den Strang um einen Winkel von ungefähr 90° über einen Radius von beispielsweise 12,20 m umzulenken und den Strang dann noch weiter umzulenken, so daß er eine horizontale Lage zum Schneiden oder für die nachfolgende Bearbeitung einnimmt. Um ein zweimaliges Umlenken des Stranges in dieser Weise zu vermeiden und um einen Gießer in einem kleineren Gebäude installieren zu können, sind gekrümmte Formen entwickelt worden, in welchem Falle die Stränge aus den Formen in Übereinstimmung mit der erwünschten kurvenförmigen Bahn austreten und worauf die Stränge dann in einer Umlenk- oder Biegestufe zu einer horizontalen Orientierung zur zerspanenden Fertigung (cutting) ausgerichtet werden.

Eine bemerkenswerte Darstellung des traditionellen kontinuierlichen Stahl-Gießprozesses findet sich in der Dezemberausgabe

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aus dem Jahre 1963 der Zeitschrift "Scientific American Magazine" unter dem Titel "The Continuous Casting of Steel" von L. V. Gallagher und B. S. Old,>Band 209, Nr. 6, Seiten 74-88-

Somit ergibt sich, daß bei einem nach dem Stande der Technik durchgeführten Gießprozeß unter Verwendung einer vertikalen Form, wozu normalerweise ein fünf-stöckiges oder noch höherstöckiges Gebäude erforderlich ist, keine rasche Veränderung der Orientierung des sich verfestigenden Stahles erfol.jt und daß. bei diesem Verfahren das aufgeschmolzene Metall im Zentrum des Stranges zeitweilig in einer horizontalen Lage verbleiben kann, wie es sich aus der US-PS 3 542 115 beispielsweise ergibt» Verunreinigungen haben somit die Möglichkeit während der fortschreitenden Verfestigung nach oben zu flotieren und im allgemeinen tritt eine Segregation auf, welche gelegentlich in einem (langen) Querprofil eines gegossenen Stabes des Standes der Technik einer Größe von 10,16 χ 10,16 cm in Form einer Segregationslinie zu beobachten ist, die etwa 2,54 cm vom inneren Radius des Stranges aus auftritt«

Im Förschungsmaßstab wurde Stahl auch bereits kontinuierlich in relativ horizontale, Formen gegossen, und zwar unter Verwendung einer Doppelband-Gießmaschine, die im Prinzip ähnlich arbeitete wie die frühere Ilazelett Strip-Casting Corp. Haschine des aus der US-PS 2 640 235 bekannten Typs (erwähnt in der Whitmore und Hlinka Publikation]ο Diese beiden Autoren gaben an, daß aufgrund des Einflusses der Schwerkraft und der ungefähr 20° von der horizontalen Lage des Stahlstranges während der Verfestigung im Falle dieser Forschungsversuche, daß die Verunreinigungen innerhalb des Stahles dazu neigten aufzusteigen, um eine weitgehende Zone von segregiertem Material nahe der Oberfläche des gegossenen Materials zu bilden. Diese beiden Autoren gaben an, daß gekuppelt mit der Oberfläche ein Oxidangriffszustäid eine interne Oxidsegregation war, die bei Makroätztesten von Querprofilen festgestellt wurde. Obgleich die Oxidsegregation dem Grade nach veränderlich ist, war das Profil im Falle aller Platten oder PvOhbrammen, die gegossen wurden, ähnlich und die Autoren schlossen, daß aus diesen Daten offensichtlich ist, daß

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die Oxidsegregation stark genug war, um eine schlechte Blech-Oberflächenqualität zu bewirken. Es wurde eine Anzahl von möglichen Lösungen des Problems untersucht, z.B. eine Konzentrierung bei der.Eliminierung von Form-Beckenschlacke, die Verwendung von stationären, mit Wasser gekühlten Kupferranddämmen, die Verwendung von eingetauchten Zufuhrleitungen und dergleichen. Die Autoren stellten jedoch fest, daß sätmüche dieser Versuche zur Lösung des Problems fruchtlos blieben. Es wurde vorgebracht, daß größere Konzentrationen an segregierenden Oxiden in den sich verfestigenden Platten oder Rohbrammen zu einem Zeitpunkt eingefangen wurden, zu dem die obere Haut etwa 1,25 bis 1,90 cm dick war. Die Autoren schlossen, daß ein Vergießen bei einem Winkel von 20° zu einem vom metallurgischen Standpunkt aus gesehen unakzeptierbaren Produkt für die Herstellung von Blechen führt, hergestellt entweder aus Al-beruhigtem oder in Vakuum behandeltem Stahl, da kein Weg ermittelt werden konnte, um diese Oxide zu entfernen und weil die Einschlüsse in Richtung zum oberen Teil des gegossenen Blockes segregierten. Die Autoren schlugen vor, zu der Verfahrensweise des Standes der Technik zurückzukehren bei der die Form (Junghans-Typ) in vertikaler Position angeordnet ist, als eine Möglichkeit um das Segregationsproblem zu überwinden.

Von der Anmelderin wird angenommen, daß die außermittige und segregierte Verteilung der Bestandteile oder Komponenten und Verunreinigungen ebenfalls unvorhersehbare Veränderungen in nachfolgenden Versuchen bei der Weiterverarbeitung, beispielsweise dem Ileißwalzen des Materials führt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung ermöglicht die Herstellung eines gegossenen Stahlstabes oder einer gegossenen Stahlstange, die im Vergleich zu einem Stab oder einer Stange des Standes der Technik durch einen neuen Mangel an Segregation von Mangan, Sauerstoff, Schwefel und Kohlenstoff gekennzeichnet ist. Die Erfindung ermöglicht

die Herstellung

vielmehr/einer gegossenen Stahlstange oder eines gegossenen Stahlstabes, die bzw. der durch eine besonders gleichmäßige Verteilung

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von Mangan, Sauerstoff, Schwefel und Kohlenstoff gekennzeichnet ist. Ein nach dem Verfahren der Erfindung gegossener Stahlstab (oder Stange) weist Stahl auf, der. untersucht man ein (langes) Querschnittsprofil auf eine Makrosegregation, eine maximale durchschnittliche Schwankung im Sauerstoffgehalt von weniger als etwa 20 ppm (0,00201) und eine Sauerstoffsegregations-Standardabweichung von weniger als etwa 8 ppm (0,0081) im Falle von Proben mit etwa 0,011 Sauerstoff zeigt, ferner eine maximale durchschnittliche Abweichung im Schwefelgehalt von weniger als etwa 0,004$ (40 ppm) und eine Schwefelsegregations-Standardabweichung von weniger als etwa· 0,001% (10 ppm) im Falle einer Probe mit etwa 0,02$ Schwefel sowie eine maximale durchschnittliche Abweichung im Kohlenstoffgehalt von weniger als etwa 0,011 (100 ppm) und eine Kohlenstoffsegregations-Standardabweichung von weniger als etwa 0,004$ (40 ppm) im Falle einer Probe mit etwa 0,185$ Kohlenstoff und eine verbesserte Zugfestigkeit und Dehnung im Falle des gegossenen Produktes.

Entsprechend gute Ergebnisse sind im Falle von Si, P, Cr und anderen Legierungselementen, die normalerweise bei der Stahlherstellung verwendet werden, zu erwarten. Eine Mikrosegregationsanalyse wurde für C, Mn, S, Cr sowie Si durch eint Elektronenmikröprobe durchgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse ergaben eine viel geringere Mikrosegregation von Mangan im Vergleich zu Proben, die nach dem bekannten Concast-Verfahren erhalten wurden= So wurden beispielsweise Chargen von aufgeschmolzenem. Stahl mit etwa 0,46$ Kohlenstoff und etwa 0,98$ Mangan sowohl nach dem hier beschriebenen Verfahren als auch nach dem gut bekannten Concast-Verfahren des Standes der Technik vergossen. Proben der gegossenen Stäbe wurden in senkrechter Richtung zerteilt und es wurden kleine Proben von gleichen Stellen entnommen, etwa in der Hälfte der Entfernung von der Kante in Richtung zum Zentrum. Infolgedessen wurden weder die besten noch die schlechtesten Bezirke für den Vergleich ausgewählt. Die kleinen Proben wurden dann für eine elektronenmikroskopische Untersuchung verwendet und zum Zwecke der Bestimmung der Konzentration an Mangan längs einer willkürlichen Linie von etwa 1800 Mikron analysiert.

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Dieses Verfahren ist allgemein bekannt und es wird angenommen, daß es die leichteste Methode zur Bestimmung einer Mikrosegregation in Metallen darstellt. Das bekannte Verfahren geruht im wesentlichen auf der Bombardierung eines Prüflinges mit einem Strahl von hoch-energiereichen Elektronen von geringem Durch» messer, der bewirkt, daß die Probe zur Aussendung charakteristischer X-Strahlen führt, entsprechend der Konzentration der vorhandenen Elemente. Die X-Strahlen werden dann durch Beugung mit einem Kristall (zur Auswahl eines Elementes zu einem Zeitpunkt (analysiert), wobei ihre Intensität mittels eines geeigneten Detektors ermittelt wird. Die Konzentrationen eines speziellen Elementes können durch Vergleich der relativen Intensitäten der X-Strahlen, die durch ein in dem Prüfling vorhandenes Element erzeugt werden, mit einem bekannten Standard ermittelt werden. Um eine maximale Genauigkeit zu erzielen, etwa 1/2 eines Prozentes, kann das Verhältnis unter Berücksichtigung der Absorption und Fluoreszenz der emittierten X-Strahlen korrigiert werden. Alternativ kann davon ausgegangen werden, daß der durchschnittliche Intensitätsgrad die Basiskonzentration darstellt, die durch eine normale chemische Analyse erhalten wird und daß die Abweichungen der Intensität direkt Abweichungen von der Basiskonzentration darstellen.

Wird dieses letztere Verfahren zu einem Vergleich einer Anzahl von Prüflingen herangezogen, hat es sich als zweckmäßig erwiesen einem jeden Prüfling einen Wert- zuzuordnen, der die durchschnittliche Intensität der ausgeprägten Abweichungen anzeigt und somit die durchschnittliche Konzentrationsabweichung von dem Basisniveau. Dieser Wert kann als der Mikrosegregationswert bezeichnet werden und wird ausgedrückt in Form von Prozent der Basiskonzentration.

Im Falle des vorliegenden Vergleiches ergab die Basisanalyse des untersuchten Prüflings etwra 0,98% Mangan. Diese Ergebnisse zeigten an, daß der nach im Stande der Technik hergestellte Stahlstab einen Mangan-Mikrosegregationswert, ausgedrückt als

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Prozentsatz der Basisanalyse von etwa 30(H hatte» wohingegen der Mangan-Mikrosegregationswert des gegossenen Stabes, der nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt ,wurde, bei weniger als 1751 lag..

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß das das neue Produkt unter Verwendung einer bekannten Gießvorrichtung des Standes der Technik hergestellt werden kann.

Die bevorzugte Methode der Durchführung der Erfindung besteht, in der Erzeugung einer sich bewegenden gewölbten Form durch Rotation eines Gießrades mit einer peripheren Aussparung auf seiner zentralen Achse und in der Bewegung eines Bandes längs seiner Länge in Kontakt mit der peripheren Aussparung auf dem oberen Teil des Gießrades, Bewegung des Bandes und Gießrades in Verbindung mit etwa dem unteren Teil des Gießrades und Fortbewegen des Bandes von dem Gießrad (unter Erzeugung eines Typs einer endlosen sich bewegenden Form vom Oberflächentyp), Eingießen von geschmolzenem Stahl in die gewölbte oder bogenförmige Form_s Abkühlen der Form unter Hervorrufung einer Verfestigung des geschmolzenen Stahles in der gewölbten Form, Abziehen des gegossenen Stabes oder der gegossenen Stange von der gewölbten Form, normalerweise zusätzliches Abkühlen des gegossenen Stabes oder der gegossenen Stange durch Anwendung eines Nachkühlers, nachdem das gegossene Material aus dem geschlossenen Abschnitt der Form ausgetreten ist und progressive Ausrichtung des gegossenen Stabes oder der gegossenen Stange, wenn sich diese von der gewölbten Form fortbewegt. Verwiesen wird beispielsweise auf die US-PS 3 623 535 und die US-PS 359 348.

Gegenstand der Erfindung ist somit die Herstellung eines, durch Vergießen erhaltenen Stahlproduktes mit verbesserten Eigenschaften sowie die Herstellung eines neuen, kontinuierlichen gegossenen Stahlstabes oder einer gegossenen, kontinuierlichen Stahlstange,

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die gekennzeichnet ist durch einen Mangel eines normalerweise Üblichen Segregationsgrades oder eine umgekehrte oder inverse Segregation von Verunreinigungen oder Bestandteilen innerhalb der Stange oder des Stabes. Gegenstand der Erfindung ist des weiteren die Herstellung eines durch Vergießen hergestellten Stahlstabes, der sich besser als vergleichbare Stäbe des Standes der Technik für eine nachfolgende Weiterverarbeitung, beispielsweise Auswalzen zu Stäben und Verziehen zu Drahtmaterial oder lleißverformen, z.B. durch Schmieden, eignet. Schließlich ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum kontinuierlichen Vergießen eines Stahlproduktes mit verbesserten internen Eigenschaften. Weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteil der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen sind dargestellt in:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Beispieles einer Anlage des Standes der Technik, die sich zur Herstellung eines Gießstahlproduktes nach der Erfindung eignet, mit einer Gießmaschine mit einem rotierbaren Gießrad, definiert durch eine periphere Aussparung und mit einem endlosen Band, das einen Teil der Länge der Aussparung unter Erzeugung einer geschlossenen Form in diesem Abschnitt bedeckt;

Figur 2 ein Diagramm, das die Schwefelverteilung in einem nach dem Verfahren der Erfindung gegossenen Stahlstab darstellt;

Figur 3 ein Diagramm, das die Sauerstoffverteilung in einem nach dem Verfahren der Erfindung gegossenen Stahlstab darstellt;

Figur 4 ein Diagramm, das die Sauerstoffverteilung in einem Stahlstab darstellt, der nach dem bekannten Hazelett-Doppelbändverfahren gegossen wurde;

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Figur 5 ein Diagramm, das die Sauerstoffverteilung in einem Stahlstab darstellt, der nach einem weiteren Verfahren des Standes der Technik gegossen wurde, d.h. dem sog= Junghans-Typ-Verfahren-und ganz speziell unter Verwendung einer Concast-Maschine des in der Praxis erfolgreichen Typs;

Figur 6 ein Diagramm, das die Kohlenstoffverteilung in einem Stahlstab, der nach der vorliegenden Erfindung gegossen wurdej, ve ranschaulicht;

Figur 7 eine graphische Darstellung, in der die Zugfestigkeit eines neuen Gießstahlproduktes nach der Erfindung mit einem anderen Gießstahlproduktes, hergestellt nach einem Verfahren des Standes der Technik, verglichen wird;

Figur 8 ein Schaubild, das die X-Strahlen-Intensitätsabweichung aufgrund einer Mikrosegregation von Mangan in einem Stahlstab_s gegossen nach dem Verfahren der Erfindung darstellt;

Figur 9 ein Schaubild, das die X-Strahlen-Intensitätsabweichung aufgrund einer Mikrosegregation von Mangan in einem Stahlstab dargtellt, der nach dem bekannten Concast-Verfahren des Standes der Technik gegossen wurde.

Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung

Bei der in Figur 1 dargestellten Gießvorrichtung handelt es sich um eine solche mit einem Gießrad 10 für die Erzeugung eines erfindungsgemäßen Produktes. Die Vorrichtung ist ähnlich der beispielsweise aus der US-PS 3 623 535 bekannten Vorrichtung. Ein Gießrad 10 definiert eine periphere Aussparung G innerhalb des Rades, das über einen Teil seiner Oberfläche von einem endlosen flexiblen Band oder Gurt 11 unter Erzeugung einer geschlossenen Form M bedeckt ist» Das flexible Band 11 wird im Eingriff mit einem Teil der Peripherie des Gießrades durch Trägerwalzen 1 2 _s 13 und 14 gehalten und bewegt sich mit dem Gießrad 10, wenn dieses

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sich dreht. In der Nähe der Bandtragewalze 12, wo die geschlossene Form M. beginnt, wird aufgeschmolzener Stahl von einem Gießkopf oder Trichter 16 in die Form M durch eine öffnung 16 ,a eingeführt. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden sämtliche äußeren Oberflächen des Gießrades und Bandes kontinuierlich durch Aufsprühen einer Kühlflüssigkeit gekühlt, wobei der äußere Anteil der Aussparung und des Bandes durch Kühlstrahlen von nicht dargestellten Sprühdüsen gekühlt wird, die sich in Kopfstücken oder Sammelleitungen S2, S3 und S4 befinden, und wobei der innere Anteil der peripheren Aussparung E durch Bestrahlung mit einer Kühlflüssigkeit aus Düsen im Kopfstück Si gekühlt wird. Die aus einer jeden Düse ausgespritzte Kühlflüssigkeit oder die aus Gruppen von Düsen ausgespritzten Kühlflüssigkeiten längs der Innenseite der peripheren Aussparung können individuell verstellt werden, so daß das Volumen der Kühlflüssigkeit, die ausgespritzt wird, verändert t^erden kann, wodurch wiederum die Geschwindigkeit, mit der das Metall innerhalb der Form M gekühlt wird, verändert werden kann. Die Zufuhr von Kühlflüssigkeit zu den Düsen oder Gruppen von Düsen kann ebenfalls durch steuerbare Ventile gesteuert werden, wodurch ein in Gang setzen der Besprühung und eine Unterbrechung der Zufuhr von Kühlflüssigkeit ermöglicht wird und eine Veränderung des Gesamtvolumens des Kühlstromes. Verwiesen wird beispielsweise auf die Kühlanordnung, die in der US-PS 3 279 000 beschrieben wird.

Jenseits und oberhalb der Bandtragewalze 14 befindet sich ein ausgedehnter Abbiege- oder Umlenkabschnitt 18. Dieser Abschnitt

18 dient zur Ausrichtung des gegossenen Stahlstabes B, der von der peripheren Ausspaltung des Gießrades 10 abgezogen wird, nachdem der Stab den geschlossenen Abschnitt der Form M verläßt. Der Abbiegeabschnitt 18 weist eine Vielzahl von Trägerführungswalzen

19 auf, die auf einem nicht dargestellten Rahmen montiert sind. Seitliche, ebenfalls nicht dargestellte Führungswalzen können ebenfalls in dem Abbiegeabschnitt 18 dazu benutzt werden, um den gegossenen Stahlstab auf eine ungefähre vertikale Ebene zu begrenzen. Obgleich die Trägerführun^swalzen 19 entweder angetrieben sein können oder auch nicht angetrieben sein können, hat es sich doch als vorteilhaft erwiesen, daß mindestens ein Teil der Träger-

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walzen 19 angetrieben wird_} um die Ausrichtung des gegossenen Stabes zu unterstützen.

Im Falle einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Nachkühlvorrichtung 21 oberhalb und benachbart zu der Bandtragewalze 14 angeordnet, um einen direkten Strom von Kühlflüssigkeit auf den gegossenen Stahlstab zu richten, der aus der gewölbten Form M austritt„

Bei Betrieb des Systems nach dem Verfahren der Erfindung wird das Gießrad TO entgegen der Uhrzeigerrichtung in Bewegung gesetzt und aufgeschmolzener Stahl wird aus dem Trichter 16 durch die Öffnung 16a in die geschlossene Form M gegossen, die zwischen der peripheren Ausspaltung E des Gießrades und dem flexiblen Band 11 gebildet wird, Aufgeschmolzener Stahl wird dabei nach einer Methode, wie sie für das Vergießen von Eisenmetallen und nicht Eisenmetallen bekannt ist_s in gesteuerter Weige in die Form M gegossen, und zwar mit einer Geschwindigkeit, daß die Drehbewegung des Gießrades den Stab in der Form ?! weg von der Öffnung 16a führt, so schnell wie der aufgeschmolzene Stahl durch die Öffnung fließt, um die Oberfläche des Beckens von geschmolzenem Stahl auf einem konstanten Niveau an der Einführungsstelle der Form M zu halten. Das Austrittsende der Schnauze oder Öffnung 16a befindet sich so nahe wie möglich zur Eintrittsöffnung der Form M. um zu ermöglichen, daß der aufgeschmolzene Stahl direkt aus der Schnauze in das Becken von geschmolzenem Metall in der Form fließt.

Wenn der aufgeschmolzene Stahl rund um das Gießrad 10 innerhalb der Form M geführt wird, wird Kühlflüssigkeit direkt gegen die Form aus den Düsen in der Vorrichtung S1 gerichtet und die Düsen der anderen Vorrichtungen SI₃ S3 und S4 sowie die Menge an Kühlflüssigkeit, die dem Band und dem Gießrad zugeführt wird, wird in gewünschter Weise eingestellt, um die Kühlgeschwindigkeit des aufgeschmolzenen Metalles zu steuern.

Die bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung weist einen Zustand einer sehr gleichförmigen Kühlung über und längs der Längsachse

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des gegossenen Stabes oder der gegossenen Stange auf. Verwiesen wird in diesem Zusammenhang beispielsweise auf die US-PS 3 279 000. Am Anfang erfolgt eine rasche Kühlung und Verfestigung des aufgeschmolzenen Metalles an den Oberflächen des Gießrades und Bandes, wodurch die Ausbildung einer Haut oder Schale aus verfestigtem Stahl mit einer gleichachsigen Kornstruktur hervorgerufen wird. Eine kontinuierliche Extraktion oder Abführung von Wärme aus dem teilweise verfestigten Stab oder der teilweisen verfestigten Stange verursacht eine Verfestigung des Metalles innerhalb des aufgeschmolzenen Kernes fortschreitend und gleichförmig (einschließlich einer gleichförmigen Weise in jedem Punkt rund um die Peripherie) unter Erzeugung einer dendritischen oder im wesentlichen gleichachsigen Struktur, je nach der Überhitzung des Stahles von der Hülle oder Schale in Richtung des Zentrums des verfestigten Stahlstabes B.

Der Stahl, der in die Form M in Form eines aufgeschmolzenen Metalles im oberen Abschnitt des Gießrades eingetreten ist, bewegt sich in einer Abwärtsrichtung, um den unteren Abschnitt des Gießrades und dann in einer Auf\rärtsrichtung bis er den geschlossenen Abschnitt der Form M nahe der Bandträgerwalze 14 verläßt, gelangt durch die Nachkühlstrahlen aus den Düsen in Verbindung mit der Vorrichtung 21 und erreicht eine Führungswalze 15, worauf der Stab von dem Gießrad fortgeführt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung übersteigt die Temperatur der äußeren Oberfläche der peripheren Haut des verfestigten Stahles, wenn dieser aus dem geschlossenen Abschnitt der Form M austritt, nicht eine Temperatur von etva 137O°C (2500 F), wobei die Temperatur jedoch nicht bei weniger als etwa 1037 oder 1049⁰C (1900 oder 2000⁰F) liegt.

Der das Gießrad verlassende Stab hat eine Form, die der Krümmung der Form M entspricht, weshalb der Stab fortschreitend ausgerichtet wird durch eine fortschreitende Erhöhung des Radius des Stabes B, wenn dieser sich durch den ausgedehnten Abbiegeabschnitt 18 bewegt. Die Führungswalzen 19 stützen den Stab dabei

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ab und führen ihn durch den Umwege- oder Ausrichtabschnitt oberhalb des Gießrades 10, wobei mindestens ein Paar der Führungswalzen 19 vorzugsweise angetrieben werden, um den Stab B über seine Länge aus dem Gießrad 10 abzuziehen» Der aufgeschmolzene Kern des Stabes B ist zu dem Zeitpunkt, zu dem er mindestens den letzten Sprühstrahl aus der letzten Düse auf der Vorrichtung 21 passiert hat, vollständig verfestigt, um zu gewährleisten, daß der Stab vollständig verfestigt ist, bevor er einen Punkt erreicht, der auf einem Niveau mit dem Niveau des Beckens von geschmolzenem Metall beim Eintritt in die Form M liegt. Infolgedessen fließt das aufgeschmolzene Metall im Kern des Stabes nicht entgegengesetzt zur Formbewegung durch das unverfestigte Stabzentrum unter Erzeugung eines Lunkers oder einer Pore im Zentrum des Stabes. Der Stab ist dadurch auch fest und wirkt (sound) metallurgisch, bevor er in den Abbiegeabschnitt 18 eintritt und seine Temperatur gerade vor dem Abbiegen kann ebenfalls eingestellt werden durch Einstellung des Volumens von Kühlflüssigkeit, die durch die Vorrichtung 21 zugeführt v/ird, um die internen Spannungen des Stabes während der Aussrichtung zu steuern.

Bei der dargestellten Ausgestaltung des Gießrades 10 weist die Form M eine ungefähr trapezoedrische Form auf mit einer geringen Ausdehnung im inneren Abschnitt der peripheren Aussparung und einer größeren Ausdehnung benachbart zum Band 11. Dies bedeutet „ daß ein Stahlstab, der unter Verwendung einer typischen Gießvorrichtung 10 gegossen worden ist," eine größte Breite von ungefähr 66,675 mm (2-5/8 Inches)aufweist, eine geringste Breite von 53,975 mm (2-1/8 Inches) und eine Tiefe von 47,625 mm (1-7/8 Inches) mit einem ungefähren Radius von 0,635 cm, der die geringere Breite mit den beiden Seiten des Stabes verbindet. Es können jedoch auch andere Stabgrößen und Stabformen, falls gewünscht, gegossen werden. Beispielsweise lassen sich erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise 12,19 cm Stäbe.(4,8 Square Inch bar) mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 13,411 m pro Minute und ungefähr 20,57 cm Stäbe (8,1 Square Inch bar) mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 10,668 m pro Minute gießen.

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3C02347

Es wird angenommen, daß die neuen Gußstahlstäbe der vorliegenden Erfindung mit einer vergleichsweise hohen linearen Geschwindigkeit erzeugt werden können, da die vergleichsweise große Länge der gekrümmten oder gebogenen Form M, abgekühlt durch¹ rasch abschreckende Abkühlstrahlen eine Verfestigung trotz der vergleichsweise hohen Rotationsgeschwindigkeit des Gießrades 10 ermöglicht. Des weiteren bewirkt der relativ kleine Radius des Gießrades 10, daß die Orientierung des aufgeschmolzenen Stahles sich rasch ändert, wenn sich das Rad dreht, im Gegensatz zu den in der Praxis bisher ausgeführten kontinuierlichen Gußstahlherstellungsverfahren, bei denen der sich verfestigende Stahl in einer horizontalen oder ungefähr horizontalen Orientierung eine wesentliche Zeitspanne lang verbleibt, so daß es Verunreinigungen ermöglicht wird, aufwärts während des Prozesses der Verfestigung zu flotieren. Es wird angenommen, daß, wenn ein Stab B mit einem vergleichsweise geringen Querschnitt nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gegossen wird, der Stab schnell durch .das Kühlmittel, das aus den Düsen in Verbindung mit den Vorrichtungen SI, S2, S3, S4 und 21 ausgesprüht wird, schnell verfestigt wird, bevor eine wesentliche Segregation von Bestandteilen oder Verunreinigungen stattfinden kann.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung, bei dem ein relativ schnell rotierendes Gießrad mit einem relativ geringen Durchmesser ausreichend gekühlt wird, um Verunreinigungen schnell zum Erstarren zu bringen, bevor eine Segregation und/oder umgekehrte Segregation erfolgen kann, erzeugt somit das neue Gießstahlprodukt der Erfindung mit Eigenschaften, die sich wesentlich von den Eigenschaften eines Gußstahles unterscheiden, der in kontinuierlich arbeitenden Gießvorrichtungen oder Gießmaschinen des Standes der Technik hergestellt wurde.

Es wird angenommen, daß die Ausgestaltung oder Ausführung der Radform, die Ausbildung oder Ausgestaltung von Kühlwassersprühzonen und der vergleichsweise kleine Querschnitt der gegossenen Stäbe es ermöglicht, eine höhere Wärmeübertragung im Vergleich zu zu den bisher bekannten kontinuierlichen Gußstahlherstellungsverfahren zu erreichen.

030032/0648 . „

BAD ORIGINAL *

0 L ι-. / «.■· H /

Einige Vorstellungen von der hohen Kühlgeschwindigkeit oder Verfestigung ergeben sich aus den metallurgischen Größen der Gießsysteme. Die metallurgische Größe ist dabei definiert als die Entfernung zwischen dem oberen Teil des flüssigen Puls in der Form und dem Punkt, der vollständigen Verfestigung oder Erstarrung.

Im Falle des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde mit einer metallurgischen Größe von etwa 4,57 m oder weniger bei der Herstellung eines 12,19 cm² (4,8 Square Inch) Stabes bei 10,67 bis

2 13,41-m pro Minute und im Falle eines 20,57 cm (8_S1 Square Inch) Stabes bei einer Geschwindigkeit von 7„62 bis 10,67 m pro Minute gearbeitet. Im Falle von üblichen kontinuierlich arbeitenden Gießsystcmen vom Junghans-Typ werden im allgemeinen metallurgische Größen von etwa 15,24 m bis 21,336 m beim Vergießen von Barren einer Größe von 10,16 χ 10,16 cm bei einer Geschwindigkeit von 254 bis 305 cm pro Minute berichtet. Es wurde gefunden, daß im Falle des erfindungsgemäßen Verfahrens die erfindungsgemäß hergestellten Gußstäbe in etwa 25 bis 30 Sekunden vollständig erstarrt sind, wobei davon auszugehen ist, daß im Falle eines Stabes vom Junghans-Typ etwa 6 Minuten bis zur vollständigen Erstarrung erforderlich sind»

Es wird angenommen, daß durch die große Abkühlgeschwindigkeit der Fluß von Flüssigkeit von höheren Konzentrationen abgelöstem Stoff in die interdendritischen. Kanäle vermindert wird und daß dadurch inverse Segregation reduziert wird, während die nichtmetallischen Verunreinigungen, die in dem flüssigen Stahl vorliegen ,mit der Flüssigkeit in ungleichförmiger Verteilung ausfrieren oder erstarren.

Es wird des weiteren angenommen, daß der schnelle Orientierungswechsel des aufgeschmolzenen Stahles in sich bewegenden Radformen • die Chancen einer Segregation von Verunreinigungen in unerwünschten Positionen innerhalb des gegossenen Stabes reduziert. Das heißt, um ein Beispiel anzugeben, wird der gegossene Stab mit seiner anfänglich vergleichsweise dünnen erstarrten Schale oder Hülle und einem großen aufgeschmolzenen Zentrum im Gegen-Uhrzeiger-. --.. 030032/0648

BAD ORIGINAL

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sinn von gegenüber ungefähr dem Verteiler S2 (siehe Figur 1) bewegt, an den Verteilern S3, S4 und dann 21 bis zu einem Punkt, wo die erstarrte Hülle oder Schale ziemlich groß geworden ist bezüglich des aufgeschmolzenen Zentrums, was bedeutet, daß der gegossene Stab sich über einen Bogen von mehr als 90° und vorzugsweise mehr als 180° bewegt hat, so wird angenommen, daß ein solcher Orientierungswechsel des Gießkörpers über den Verlauf der Erstarrung dazu neigt, die Ausbildung von großen Konzentrationen an segregierten Bestandteilen oder Komponenten oder Verunreinigungen zu eliminieren, die anderer Weise in den oberen Teil des inneren der sich verfestigenden Schale oder Hülle flotieren würden, da im wesentlichen der "obere Anteil" der sich verfestigenden Schale oder Hülle sich stets während der Rotation des Rades verändert.

Es wurden Messungen durchgeführt, um den Grad der Segregation von Schwefel- und Sauerstoffverunreinigungen und den Grad einer Segregation von Kohlenstoff in neuen Gußstahlstäben zu bestimmen, die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden. Um ein Segregationsprofil von der Radseite von gegossenen Stäben zur Bandseite der gegossenen Stäbe herzustellen, wurden drei Sätze von Proben für Analysezwecke aus (langen) Querprofilen des gegossenen Stabes ausgestanzt, eine Probe aus dem Zentrum des Abschnittes, eine 20 mm links vom Zentrum und eine 20 mm rechts vom Zentrum. Die erhaltenen Werte wurden dann gemittelt, um ein durchschnittliches Profil für einen jeden Stab zu erzielen. Die Ergebnisse von solchen Untersuchungen sind in den Figuren 2, 3 und 6 dargestellt. Es wird angenommen, daß im Falle des Standes der Technik "(lange) Querprofile" und eben gerade "Querprofile" austauschbar verwenden, wenn keine Wahrscheinlichkeit einer Verwechselung mit einem kurzen Querprofil gegeben ist (vergl. ASTM-Bestimmung E399-74, Spalt-Ebene-Orientierungs-Identifizierungskode, z.B.).

Figur 2 ist ein Diagramm, in dem der durchschnittliche prozentuale Schwefelgehalt in Abhängigkeit von der Lage zwischen der Radseite und dem Stab (0mm) und der Bandseite des Stabes (44 mm in diesem Falle) dargestellt ist, wobei der Stahl eine Zusammen-

030032/0648 ^ "

. " BAD ORfGiNAL

Setzung hatte von ungefähr 0,45 Gew.-% Kohlenstoff, 0„02 Gew.-% Schwefel, 0,99 Gew.-% Mangan, 0,02 Cew.,-% Pliosphor und 0,21 Gew.-' Silicium (Probe Nr. 45). Die maximale Abweichung in durchschnittlichen Schwefelgehalt über dem Stab lag bei 0,0013° (13 ppm), im Falle der Messungen, die in Figur 2 dargestellt sind und die Standardabweichung lag bei 0,000498%. Dies stellt eine unerwartet hohe gleichförmige Verteilung von Schwefel dar, ohne beträchtliche schädliche Segregation. Untersuchungen von anderen Prüflingen des neuen Produktes zeigten, daß maximale durchschnittle Schwefel-Abweichungen bei 0,00114$ bis 0,004% (11,4 ppm bis 40 ppm) lagen und daß Schwefel-Standardabweichungen bei 0,000483% bis O,OO138⁹„ im Falle von Prüflingen mit 0,017551 bzw. 0,02993% Schwefel, wie unten dargestellt, lagen.

Durchschnitt von 3 Schwefelmessungen in jeder angegebenen Position in PPM

Nr. = 26 41 43 45

5 mm =	170,3	308,0	234,3	226,7	316
1 5 mm =	180,7	310,6	233,0	240,0	328
25 mm =	174,3	271 ,0	223,7	235,0	316
35 mm =	170,7	297,6	227,0	239,7	317
40 mm =	181 ,7	297,6	231 ,0	238,7	325
4 7 mm =	--	311 ,0	238,7	--	--
Durch schnitt	175,5	299,3	231 ,2	236,0	320,4
Bereich =	11,4	40,0	11,7	13,0	12,0
Standard- = abweichung	4,83	13,8	4,88	4,98	5,08

In dem in Figur 3 dargestellten Diagramm ist der durchschnittliche Sauerstoffgehalt (ppm) in Abhängigkeit von der Lage zwischen dem Rad und den Bandseiten für den gleich gegossenen Stab Nr. 45 wie in Figur 2 gemessen, dargestellt. Der Sauerstoffgehalt lag ungefähr bei 70 ppm (0,007%) und die maximale Abweichung

03QQ32/0648 ^; : BAD ORIGINAL

im durchschnittlichen Sauerstoffgehalt über dem Stab, wie in Figur 3 gestellt, lag bei 5 ppm (0,0005t) und die Standardabweichung betrug 1,651 ppm. Dies stellt ebenfalls wiederum ein unerwartet günstiges Ergebnis dar, nämlich ein sehr hoher Gleichförmigkeitsgrad von Bestandteilen in der Struktur des neuen Gußstahlstabes. Des weiteren ist zu bemerken, daß die Zentrumsporosität, die gelegentlich in einem durch kontinuierliches Vergießen hergestellten Stahlstab auftritt (sogar in den erfindungsgemäßen) zu dem gemessenen Sauerstoffgehalt beitragen kann, in der speziellen Lage im Stab. Es wird angenommen, daß eine solche Porosität keine richtige Segregation für die Fachwelt darstellt und wird im allgemeinen während der nachfolgenden Heißbearbeitung geheilt.

Die verbesserten Sauerstoff-Segregationseigenschaften, die erfindungsgemäß erzielbar sind, ergeben sich durch einen Vergleich der Figur 3 mit den Figuren 4 und 5. Im Falle des in Figur 4 dargestellten Diagramms ist der Prozentsatz des Sauerstoffgehaltes in Abhängigkeit von der Position zwischen dem Boden und dem oberen Teil des gegossenen Stabes dargestellt, der unter Verwendung einer üazelett. Strip-Casting Maschine mit einer im wesentlichen horizontalen Form gegossen wurde. Das Diagramm wurde der Seite 43, Figur 6 einer Arbeit von B. C. Whitmore und J* W. Hlinka, "Continuous Casting of Low-Carbon Steel Slabs by the- Hazelett Strip-Casting Process", Open Hearth Proceedings, 1969_y entnommen. Durch Umrechnung auf ppm-Basis zeigt Figur 4 eine maximale Veränderung oder Abweichung von ungefähr 100 ppm (0,01%) oder mehr und eine Standardabweichung von ungefähr 29,88 ppm. Dieses^: ungefähr 20 von der horizontalen Hazelett-Experimentier-Verfahren erzeugte somit einen Gußstab mit einem beträchtlichen Sauerstoff-Segregationsproblem, und zwar auch dann, wenn der durchschnittliche Sauerstoffgehalt relativ gering war, d.h. bei etwa 0,0041 lag. Die schlechteste Segregation trat dabei nahe der oberen Oberfläche des Stabes auf, wie sich aus Figur 4 und der Whitmore und fllinka-Veröffentlichung ergibt. ' ;

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BAD OR)GtNAL

In Figur 5 ist der Sauerstoffgehalt in Abhängigkeit von der Lage im Falle eines Gußstahlstabes dargestellt, der unter Verwendung einer kontinuierlich arbeitenden Gießvorrichtung :nit einer vertikalen Form vom Concast-Typ, einschließlich einer gewölbten, schwingenden Form hergestellt wurde. Die graphische Darstellung stellt einen dDurchschnitt von fünf Prüflingen dar, die einem (langen) Querschnittsprofil vom Boden zum oberen Teil des Stabes entnommen wurden, der 0,46 Gew.-I Kohlenstoff, 0,94 Gew.-Ό Mangan, 0,021 Gew.-I Phssphor, 0,016 Gew.-% Schwefel und 0,22 Gew.-Ί Silicium enthielt. Die maximale Veränderung, die in Figur 5 dargestellt ist, liegt bei ungefähr 26,5 ppm und die Standardabweichung bei 10,6 ppm. Der durchschnittliche Sauerstoffgehalt liegt bei etwa 0,0061. Ein anderer Prüfling mit einem durchschnittlichen Sauerstoffgehalt von etwa 0,0091, zeigte,eine Veränderung von 29 ppm.

Ein nach dem Verfahren der Erfindung gegossener Stab weist des weiteren eine unerwartet gleichförmige Kohlenstoffverteilung auf, wie sich aus Figur 6 ergibt, die aus einem Diagramm besteht, das das durchschnittliche Profil des Kohlenstoffgehaltes eines solchen gegossenen Stabes' (Probe Nr. 48) darstellt. Dieser spezielle Stab wies ungefähr 0,185 Gew. -% Kohlenstoff, 0,59 Gew.-'έ Mangan, 0,01 Gew.-o Phosphor, 0,032 Gew.-^? ₀ Schwefel und 0,17 Gew.-S Silicium auf. Die in dem Diagramm der Figur 6 eingetragenen Punkte sind Durchschnittswerte von drei Messungen für eine jede Position über den gegossenen Stab zwischen Rad und Bandseiten, was auch bei den Figuren 2 und 3 der Fall war. Aus Figur 0 ergibt sich eine maximale durchschnittliche Kohlenstoffgehaltveründerung über den Stab von ungefähr 0,009$ (90 ppm) und eine Standardabweichung von 0,003051. Erfindungsgemäß wird die Stahlschmelze vorzugsweise aus einem chemischen System erzeugt, das Kohlenstoff als einen Bestandteil in einer Konzentration von ungefähr 0,04 Gew.-% bis 1,4 Gew.-% enthält. Die maximale Veränderung im Falle von Prüflingen in diesem Bereich bei einer Freiheitsgradzahl (variance) im Falle erfindungsgemäßer Prüflinge, wird als proportional erwartet.

^{; :}' - 0 3 0 0 3 2/06 4#_AD ORIGINAL ^ "

Es wurde gefunden, daß besonders vorteilhafte Ergebnisse dann erreicht werden, wenn der Kohlenstoffgehalt des Stahles zwischen etwa 0,06 Gew.-I und 0,80 Gew.-I liegt.

Es wurden weitere Messungen durchgeführt, um die Zugfestigkeit des neuen gegossenen Stahlstabes der Erfindung zu bestimmen und um ihn mit der Zugfestigkeit eines Stahlstabes zu vergleichen, der nach einem üblichen Gießverfahren des Standes der Technik erhalten wurde, und zwar unter Verwendung einer in der Praxis üblichen Concast-Gießmaschine mit einer schwingenden oder oszillierenden bogenförmigen Form, wobej. Stahlstäbe aus der gleichen Stahlschmelze gegossen wurden. Die Messungen erfolgten mit einer ßeanspruchungs- oder Belastungsgeschwindigkeit von 0,001/Sekunde unter Verwendung eines 2,54 cm-Extensometers.

Aus Figur 7 ergibt sich die Zugfestigkeit eines Prüflings eines nach dem Verfahren der Erfindung gegossenen Stabes von ungefähr 7522 bis 7733 kg/cm im Vergleich zu der Festigkeit eines Concast-Stabes nach dem Stande der Technik von ungefähr 6541 bis 6611

2
kg/cm . Die Zusammensetzung des Stahles im Falle dieser Schmelze betrug 0,45 Gew.-^? ₀ Kohlenstoff, 0,97 Gew.-Ό Mangan, 0,019 Gew.-I Phosphor, 0,017 Gew.-S Schwefel und 0,21 Gew.-? Silicium.

Es wird angenommen, daß ein Anstieg von ungefähr 10 bis.-15! oder noch mehr Festigkeit im Falle der erfindunsgemäß hergestellten Stäbe in Übereinstimmung steht mit der ungewöhnlich gleichförmigen Verteilung der Bestandteile oder Komponenten und Verunreinigungen, die in dem erfindungsgemäßen neuen Produkt festzustellen ist. Im Falle dieser Versuche wurde des weiteren festgestellt, daß die neuen gegossenen Stäbe eine größere prozentuale Dehnung und eine größere proportionale Grenze in

2
kg/cm aufwiesen, als die nach dem Stande der Technik hergestelten Concast-Stäbe. Verwiesen wird auf die folgenden Ergebnisse:

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BAD

3 G G 2 3 4 7

Testprobe

Neuer
Stab

Stab nach
Stand der
Technik

1
2
3

4
5

Zugfestigkeit kg/cm^

in

Dehnung

7522 7733 7592

6611 6541

10 13 16

Proportionale Grenze kg/cm^

4501 5019 5040

4340 4046

Aus Figur 8 ergibt sicli die Intensität der charakteristischen Mangan-X-Strahlen längs einer willkürlichen Linie von etwa 800 Mikron in der Länge innerhalb eines Prüflings eines Stahlstabes, der nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gegossen wurde. Es ergibt sich, daß der Intensitätsgrad relativ konstant ist über die Linie die mit 100Ό markiert ist, die einer Basiskonzentration von O,98°o Mangan entspricht und die ebenfalls einem absoluten Wert von ungefähr 11 Einheiten bei der graphischen Ablehnung des Elektronen-Mikroprobenanalysiergerätes entspricht. Es tritt lediglich eine bemerkenswerte Veränderung auf, gemessen bei etwa 173 ο des Basisniveaus, d.h. äquivalent einer lokalen Konzentration von etwa 1,69S Mangan.

Aus Figur 9 ergibt sich die Mangan-X-Strahlenintensität eines Prüflings, der nach dem Concast-Verfahren des Standes der Technik gegossen wurde. Zu bemerken ist, daß der Intensitätsgrad viele Spitzen aufweist, die kleinen Bezirken von segrepiertem Mangan entsprechen. Hier wurde ein absoluter Wert von ungefähr 12 Einheiten auf der Streifenkarte aus der Elektronen-'fikroprobeneinheit festgestellt und für die 1003 Linie verwendet. Der durchschnittliche Wert der besonders wichtigen Spitzen beträgt etwa 3201 des Basisniveaus und die maximale Veränderung des Mangangehaltes, die beobachtet wurde, lag über 400°d, wie sich aus den folgenden Werten ergibt:

Spitze

% Basis-Niveau

Nr. 1 2 3

396⁹„ 2 2 7% 292°ό

030032/0648

BAD ORIGINAL

3 C G 2 3 4 7

4	4041
5	2621
6	335 %

Es wurde gefunden, daß besonders vorteilhafte Ergebnisse dann erzielt werden, wenn der Mangangehalt des Stahles bei etwa 0,30 bis 1,20 Gew.-⁹» liegt.

Die Erfindung wurde anhand von bevorzugter Ausgestaltungen näher beschrieben. Dabei ist selbstverständlich, daß Abweichungen und Modifizierungen innerhalb des Erfindungsbereiches durchgeführt werden können. Beispielsweise wurden im vorstehenden nur einige repräsentative Proben von einer unbegrenzten Anzahl von Stahlzusammensetzungen angegeben, die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gegossen werden können. Dies bedeutet, daß nach dem Verfahren der Erfindung auch Stahlstäbe und Stahlstangen mit anderen als den angegebenen Konzentrationen und Bestandteilen und Verunreinigungen hergestellt werden können, unter-Erzielung entsprechender, proportioneil verbesserter Ergebnisse.

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Leerseite

Claims (25)

■ntanwältg Reg. Nr. 126 066 Dr.-ing. WoJK t H. Bartels SOUTHWIRE COMPANY Fertilla Street, Carrollton, £ Georgia 30 117, USA europäischen Patentamt 8000 Mönchen 22, Thierschstr. Tel. (089) 293297 Telex 0523325 (patwo d) Telegrammadresse: wolffpatent. manchen Postscheckkonto Stuttgart 7211 Neues Gußstahlprodukt und Verfahren zu blz6O010O7Q 1Deutsche Bank AG. 14/28S30 seiner Herstellung blz60070070 21, Januar 1980 PATENTANSPRÜCHE · 25/2

1. Kontinuierliches Stahl-Gießverfahren mit folgenden Verfahrensstufen:

a) Vergießen von aufgeschmolzenem Metall in eine sich fortbewegende geschlossene Form, die mittels mindestens eines sich bewegenden Bandes, das die Form über einen Teil ihrer Länge abdichtet, erzeugt wird,

b) Abkühlen der Form, wodurch das aufgeschmolzene Metall beginnt an den Formwänden zu erstarren unter Erzeugung einer Haut von festem Metall rund um einen aufgeschmolzenen Kern,

c) Abziehen des mindestens teilweise erstarrten gegossenen Stabes oder Stranges vom Austritt zum geschlossenen Teil der Form und

d) Abkühlen des gegossenen Stabes oder Stranges durch direktes und/oder indirektes Auftreffen der von Düsen oder Brausen zugeführten Kühlflüssigkeit,

dadurch gekennzeichnet, daß man

Telefonische Auskünfte und Aufträge sind nur nach schriftlicher Bestätigung verbindliche

e) die Stufen a) bis d) derart steuert, daß ein endloser gegossener Stahlstab oder Stahlstrang erhalten wird, der durch ein Fehlen einer Mikrosegregation gekennzeichnet ist und der ferner gekennzeichnet ist durch eine besonders gleichförmige Verteilung von Komponenten und Verunreinigungen, gemessen im Querschnittsprofil.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe e) derart gesteuert wird, daß eine maximale Schwankung des durchschnittlichen Schwefelgehaltes von weniger als etwa 0,0041 (40 ppm), gemessen im .Querprofil, erhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe e) des weiteren gekennzeichnet ist durch den durchschnittlichen Schwefelgehalt, berechnet aus willkürlichen empirischen Daten, deren Standardabweichung weniger als etwa 0,00151 beträgt.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe e) weiterhin gekennzeichnet ist, daß eine maximale Schwankung des durchschnittlichen Sauerstoffgehaltes von weniger als etwa 0,002% (20 ppm), gemessen im Querschnittsprofil, erhalten wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die'Stufe e) weiterhin gekennzeichnet ist durch Herbeiführung einer maximalen Schwankung des durchschnittlichen Kohlestoffgehaltes von weniger als 0,01%, (100 ppm), gemessen im Querschnittsprofil. ' i

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe e) weiterhin gekennzeichnet ist durch Erzeugung eines durchschnittlichen Kohlenstoffgehaltes, berechnet aus willkürlichen empirischen Daten, deren Standardabweichung geringer als etwa 0,0041 ist. ^;

030032/0640

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe e) weiter dadurch gekennzeichnet, daß eine maximale Schwankung des durchschnittlichen Schwefelgehaltes von weniger als etwa 20 ppm erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe e) des weiteren gekennzeichnet ist, daß eine maximale

, Schwankung des Mangangehaltes von weniger als etwa 400?. des durchschnittlichen Mangangehaltes erreicht wird»

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche_p dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe a) die Verwendung einer geschlossenen Form einschließt, die erzeugt wird durch eine periphere Aussparung in einem rotierenden Gießrad und ein Band, das die Aussparung über einem Teil ihrer Länge abdichtet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe a) die Verwendung einer sich kontinuierlich fortbewegenden geschlossenen Form einschließt, die erzeugt wird durch mindestens eine endlose sich bewegende Oberfläche in Verbindung mit anderen abdichtenden Oberflächen unter Erzeugung einer geschlossenen Form»

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 sowie 5 bis "10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe e) des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß die maximale Schwankung im durchschnittlichen Sauerstoffgehalt bei weniger als etwa 10 ppm liegt.

12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine endlose sich bewegende Oberflächenform vom Rad-Bandtyp für ein kontinuierliches Vergießen von Stahlstäben oder Stahlsträngen für eine kommerzielle Verwendung vorgesehen ist, wobei der gegossene Stab oder Strang, während der Erstarrung über einem radialen Bogen von wesentlich mehr als etwa 90° rotiert wird und wobei die Gleichförmigkeit der Bildung von Konzentrationen von segregierten Bestandteilen

"..■'■ ■ 030032/0648

und Verunreinigungen auf einen solchen Grad gesteuert wird, daß ein vom kommerziellen Standpunkt aus gesehen, geeigneter. Stahlstab oder Stahlstrang erzeugt wird. «

13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation des Gießrades die Orientierung des geschmolzenen Stahles in der Form ausreichend schnell verändert, um eine ins Gewicht fallende Flotation und Segregation von Verunreinigungen in dem Stahl zu vermeiden.

14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe e) des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß der endlose gegossene Stahlstab oder Stahlstrang für eine bestimmte Stahlschmelze eine Zugfestigkeit aufweist, die um mindestens 101 größer ist als die Zugfestigkeit eines Stahlstabes oder Stahlstranges, der aus der gleichen Schmelze auf einem Gießer vom Junghans-Typ gegossen wurde.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Bogen größer als etwa 180° ist.

16. Durch kontinuierliches Vergießen hergestellter Stahlstab, der im Querschnittsprofil eine maximale durchschnittliche Schwankung des Sauerstoffgehaltes von weniger als 25 ppm aufweist.

17. Durch kontinuierliches Vergießen hergestellter Stahlstab, der im Querschnittsprofil eine Sauerstoff-Segregations-Standardabweichung von weniger als etwa 10 ppm aufweist.

18. Durch kontinuierliches Vergießen hergestellter Stahlstab, der im Querschnittsprofil eine Sauerstoff-Segregations-Standardabweichung von weniger als 5 ppm aufweist.

19. Durch kontinuierliches Vergießen hergestellter Stahlstab, der im Querprofil eine maximale durchschnittliche Schwankung

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des Mangangehaltes von weniger als etwa 2 751 des durchschnittlichen Mangangehaltes aufweist.

20. Durch kontinuierliches Gießen hergestellter Stahlstab nach Ansprüchen 16 bis 19, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er im Querschnittsprofil eine maximale durchschnittliche Schwankung des Schwefelgehaltes von weniger als etwa 0,004% aufweist.

21. Durch kontinuierliches Vergießen hergestellter Stahlstab nach Ansprüchen 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß er im Querschnittsprofil eine Schwefel-Segregations-Standardabweichung von weniger als etwa 0,0015% aufweist.

22. Durch kontinuierliches Vergießen hergestellter Stahlstab nach Ansprüchen 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß er im Querschnittsprofil eine maximale durchschnittliche Schwankung des Kohlenstoffgehaltes von weniger als 0,01 % aufweist.

23. Durch kontinuierliches Vergießen hergestellter Stahlstab nach Ansprüchen 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß er im Querprofil eine Kohlenstoff-Segregations-Standardabweichung von weniger als etwa 0,004% aufweist.

24. Durch kontinuierliches Vergießen hergestellter Stahlstab nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Zugfestigkeit aufweist, die um mindestens 10% größer ist und eine Dehnung, die um mindestens 10% größer ist als die Zugfestigkeit bzw. Dehnung eines Stahlstabes,, der aus der gleichen Schmelze mittels eines Gießers vom Junghans-Typ gegossen wurde.

25. Durch kontinuierliches Vergießen hergestellter Stahlstab, der im Querprofil eine maximale durchschnittliche Schwankung des Sauerstoffgehaltes von weniger als 25 ppm, eine maximale

030032/064t

Schwankung des Schwefelgehaltes von weniger als 40 ppm und eine maximale durchschnittliche Schwankung des Kohlenstoff-

gehaltes von weniger als 100 ppm aufweist. >

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