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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
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Bandstranggießen von Metallen, insbesondere von Stahl, bei dem die
Metallschmelze aus einer Vorratsmenge in einen Kristallisator geregelt eingeleitet
wird, bei dem ferner das Gußband mit einer Dicke von 10 bis 40 mm geregelt ausgezogen
wird.
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Die Entwicklung einer neuen Technologie zur Produktion von gegossenen
Bändern basiert auf der physikalisch-technischen Möglichkeit, geforderte Werkstoffeigenschaften
am gewalzten Warmband mit einem minimalen Reduktionsgrad von größer 3 aus gegossenem
Vormaterial erzeugen zu können.
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Die klassische Verfahrenslinie Brammenstrangguß (Dicke ca. 200 bis
300 mm) / Warmband (-Vorstraße, -Zwischenstraße, -Fertigstraße) weist dagegen einen
Reduktionsgrad von größer 30 auf. Alle anderen Produktionslinien, wie Profil-, Nahtlosrohr
und Grobblech, weisen heute bereits einen Reduktionsgrad von 3 bis 10 auf. Die Zielsetzung,
den Reduktionsgrad von größer 30 auf größer 3 zu verringern, führt zu einer Eliminierung
der Vor- und Zwischenstraße und Teilen der Fertigstraße und damit zu einer neuen
Technologie, die zur wesentlichen Kürzung der Verfahrenslinie und damit zur Verringerung
der Umwandlungskosten zwischen gegossenem Band und fertigem Warmband beiträgt.
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Der Stand der Technik gliedert sich in folgende Verfahren, denen grundsätzlich
selbständige Bedeutung zukommt: Das Stranggießen von Metallen wird in Senkrechtverfahren
und im Horizontal verfahren bei oszillierender Kokille bzw. bei einer Relativbewegung
zwischen Gußstrang und Horizontel-Stranggießkokille ausgeübt. Sodann werden wandernde
Kokillen angewendet, worunter Paare von Bändern, Walzen, Ketten u.dgl. verstanden
werden.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, beim Stranggießen
von dünnen Strängen durch Eingießen in die relativ engen Stranggießkokillen für
Dünnstränge ein schnelles und möglichst gleichmäßiges Erstarren über den Dünnstrangquerschnitt
zu erzielen.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Metallschmelze in die Vorratsmenge zwischen 3 bis 10°C Überhitzung eingebracht wird,
daß aus der Vorratsmenge zunächst diese Überhitzungsenergie abgeführt wird und daß
in den Kristallisator Metallschmelze eingeleitet wird, die eine Gesamtviskosität
des Zweiphasengebietes Schmelze/Kristall von kleiner 300 Centipoises aufweist. Dieses
Verfahren führt zu einer schnellen und relativ gleichmäßigen Abkühlung über den
Querschnitt des dünnen Stranges mit einer Dicke von 10 bis 40 mm, so daß die früher
üblichen, einige Meter langen Sumpfspitzen vermieden werden können. Dementsprechend
erhöht sich die Gießgeschwindigkeit, so daß das Ausbringen an durcherstarrtem Stranggut
wesentlich erhöht werden kann. Der Vorschlag, die in die Vorratsmenge eingebrachte
Überhitzungsenergie abzuführen, um dadurch vor und während des Eintretens in den
Kristallisator bereits eine gewisse Menge an Kristallen in der Schmelze zu unterstützen,
führt zu verschiedenen Ausgestaltungen.
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Es wird vorgeschlagen, daß die Überhitzungsenergie innerhalb der Vorratsmenge
durch Zwangskonvekti on der Metallschmelze kontrolliert abgeführt wird. Hier wird
die Zwangskonvektion z.B.
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durch Rühren der Metallschmelze erzeugt.
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Nach einem anderen, die Erfindung ausgestaltenden Vorschlag ist vorgesehen,
daß die Wärmeabfuhr der Überhitzungsenergie zeitlich und/oder örtlich abschnittsweise
erfolgt.
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Auf eine Periode der Wärmeabfuhr kann daher eine Periode der Wiederaufheizung
und/oder des Stillstandes, d.h. der Temperaturvergleichmäßigung folgen.
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Die Zähflüssigkeit der Metallschmelze wird hierbei dadurch berücksichtigt,
daß die Metallschmelze in der Vorratsmenge bzw. im Bereich zwischen Vorratsmenge
und Kristallisator insoweit gekühlt wird, daß die Viskosität des Zweiphasengebietes
Schmelze/Kristall zwischen eins und fünf Centipoises beträgt.
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Unterstützend wirkt in der Phase der Kristallbildung innerhalb der
Schmelze im Bereich der Vorratsmange, daß die in der Vorratsmenge befindliche Metallschmelze
unter Druck gesetzt wird. Hierdurch wird die Metallschmelze bei entsprechend größerer
Zähflüssigkeit als diese reines Metall aufweist, zwangsweise in den Kristallisator
transportiert.
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Ein anderes Verfahren zum Abführen der Überhitzungsenergie besteht
darin, daß in die Vorratsmenge der Metallschmelze kühlender Schrott bzw. kühlendes
Metallpulver kontinuierlich eingegeben werden.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dahingehend gestaltet,
daß zu einem Kristallisator ein Sammelraum bzw. ein Verteilerbehälter vorgeordnet
sind, daß ferner vor dem Sammelraum bzw. bei einem Verteilerbehälter in deren Umfangsbereich
Mittel zum Rühren und/oder Kühlen vorgesehen sind.
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Zur Vermeidung eines hohen Kristallisationsgrades vor Einbringen der
Metallschmelze in den Kristallisator wird vorgeschlagen, daß zusätzliche Mittel
zum Zuführen von Wärme vorgesehen sind.
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Der Wärmeentzug im Umfang der Überhitzungsenergie wird außerdem dadurch
begünstigt, daß der Verteilerbehälter im Sammelraum großflächig gegenüber der Metallschmelzenmenge
dimensioniert ist.
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Nach der weiteren Erfindung ist vorgesehen, daß die Mittel zum Rühren
aus einer Elektromagnetspule bestehen.
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Ein weiterer Vorschlag besteht darin, daß die Mittel zum Heizen aus
einer induktiv betreibbaren Elektromagnetspule bestehen.
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Schließlich kann eine kombinierte Kühl-Heiz-Vorrichtung vorgesehen
sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschreiben. Es zeigen: Fig. 1 einen senkrechten Querschnitt
durch eine Bapdstranggießvorrichtung als ein erstes Ausführungsbeispiel, Fig. 2
einen senkrechten Querschnitt wie Fig, 1 als ein zweites Ausführungsbeispiel, Fig.
3 einen senkrechten Querschnitt wie die Fig. 1 und 2 als ein drittes (linke Hälfte)
und viertes (rechte Hälfte) Ausführungsbeispiel und Fig. 4 einen senkrechten Querschnitt
wie die Fig. 1 bis 3 als ein fünftes Ausführungsbeispiel.
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Die Metallschmelze 1 (z.B. Stahlschmelze) strömt aus einem nicht weiter
dargestellten Vorratsbehälter. Ein Vorratsbehälter kann aus einer Gießpfanne oder
einem Zwischengefäß bestehen, an dessen Unterseite ein Ausguß 2 angeordnet ist,
aus dem die Metallschmelze
1 entweder in einen zusätzlichen Verteilerbehälter
3 eingeleitet oder unmittelbar einem Kristallisator 4 zugeführt wird. Unter dem
Kristallisator 4 wird jede Stranggießkokille verstanden, die der Metallschmelze
die Form des Gußstrangquerschnitts überträgt und im übrigen zur Erstarrung des Gußstranges
5 Wärme ab führt. Eine Stranggießkokille aus einzelnen, den Gußstrangquerschnitt
bildenden Platten ist als solche im folgenden gesondert bezeichnet.
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Gemäß Fig. 1 besteht der Kristallisator 4 aus zumindest einer an den
Breitseiten des Gußstranges 5 angeordneten Folie 6 in Form eines Bandes 6a. Die
Folie 6 kann aus den unterschiedlichsten Werkstoffen hergestellt sein. Als Folie
6 aus Metall kommen Aluminium- oder Stahlbänder in Betracht. Die Folie 6 kann jedoch
auch eine Keramikfolie von z.B. 0,1 mm Dicke mit hoher Temperaturleitfähigkeit sein.
Ferner kann für die Folie 6 Glasfaserfolie, Kohlenstoff-Vlies, Whisker-Folie aus
C-Einkristallen in Betracht kommen. Es versteht sich, daß für diese Folie 6 auch
Mischformen aus den vorstehend genannten Werkstoffen angewendet werden können. Die
genannten Werkstoffe sind temperaturwechselbeständig und weisen eine relativ hohe
Wärmeleitfähigkeit auf. Es ist außerdem zu unterstellen, daß die Folie 6 auch zusammen
mit einem sie stützenden Metallband verwendet wird, wobei das Metallband mit der
flüssigen Metallschmelze 1 oder dem äußerlich erstarrten Gußstrang 5 nicht in unmittelbare
Berührung kommt. Die Folie 6 verhindert in diesem Fall ein Kleben zwischen dem gekühlten
Metallband und dem heißen Gußstrang 5.
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Im Prinzip dient die Folie 6 dazu, ein Oszillieren des Kristallisators
4 zu ersparen. Cas Problem, die Metallschmelze 1 mit einer Temperatur von ca. 1500"C
(Stahlschmelze) in eine enge Stranggießkokille mit einer Gußstrangdicke von ungefähr
10 bis 40 an einzubringen,
wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
dahingehend gelöst, die Metallschmelze 1 aus dem großen Querschnitt des Verteilerbehälters
3 (bzw. einer Gießpfanne, einem Zwischengefäß u.dgl.) unter Abfuhr der Überhitzungsenergie
auf den jeweiligen Gießquerschnitt 7 zu führen, um jedoch dann eine vollständige
Abkühlung durchzuführen. Diese Verfahrensweise geschieht im Ausführungsbeispiel
der Fig. 1 durch Einleiten der Metallschmelze 1 in einen mittels des Bandes 6a gebildeten
trichterförmigen Eingang 8, wobei ein quasi stationärer Meniskus 9 entsteht, der
durch den Radiuspfeil verdeutlicht wird. Der Verteilerbehälter 3 verteilt hierbei
die Metallschmelze auf der Gußbandbreite. Für die Bildung des Meniskus' 9 sorgt
ein Auslaß 10, dessen Öffnungsbreite vorteilhafterweise hier geringer ist als die
Gußstrangdicke 11. Über dem Meniskus 9 und dem trichterförmigen Eingang 8 wird die
Mischung aus Metallschmelze 1 und Kristallen ohne nennenswerten Temperaturverlust
schnell auf den Gießquerschnitt 7 bzw. auf die Gußstrangdicke 11 geführt, wo die
Mischung die volle Kühlwirkung trifft, so daß sich die Durcherstarrungen 5a und
5b bilden können. Die Metallschmelze 1 ist üblicherweise gegen Reoxidation mittels
einer Schlackenschicht la geschützt.
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Das Verfahren gemäß Fig. 1 kann mit einer Folie 6 (linke Hälfte der
Darstellung) und ohne eine Folie 6 (rechte Hälfte der Darstellung) ausgeübt werden.
Die Überhitzungsenergie, je nach Menge der Metallschmelze 1, wird durch Kühl vorrichtungen
50 bzw. durch Rührvorrichtungen 54 abgeführt. Der Badspiegel 51 weist hier noch
Überhitzungsenergie auf. Auf der Liquiduslinie 52 ist diese Überhitzungsenergie
abgeführt, so daß nachfolgend über der Soliduslinie 53 sich mehr und mehr Kristalle
einstellen, d.h. der Gußstrang 5 schnell in den erstarrten Zustand überführt wird.
Die Kühl vorrichtung 50 und die Rührvorrichtung (Elektromagnetspule) 54 können auch
in anderer Reihenfolge als gezeichnet angewendet werden. Außerdem kann zwischendurch
die Elektromagnetspule 54, falls erforderlich, als Mittel zum Heizen eingesetzt
werden, wobei entsprechende elektrotechnische Hilfsmittel verwendet werden.
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Gemäß einem zweiten Verfahrensvorschlag (Fig. 2) wird die Metallschmelze
1 unmittelbar in den Kristallisator 4 durch den Auslaß 10 eingeleitet, wobei sich
der Auslaß 10 hier unrnittelbar am Ausguß 2 befindet. Die !Tetallschmelze 1 fließt
unter dem Druck delta p in den Trichter 8 und wird wie beschrieben gekühlt.
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Anstelle des Verteilerbehälters 3 wird hier lediglich der Ausguß 2
höheneingestellt. Die Höheneinstellung erfolgt in der Weise bei lotrechter Zuführung
der Metallschmelze 1, daß sich entsprechend der gewünschten Abkühlungsbedingungen
der erwähnte Meniskus 9 bildet.
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Anstelle der Oszillationsbewegung dient, wie bereits gesagt, der Kristallisator
4, u.a. bestehend aus zumindest einem Band 6a. Über dem Kristallisator 4 bzw. einer
Plattenstranggießkokille ist ein Mittel 12 angeordnet, das den Auslaß 10 aufweist.
Dieses Mittel 12 wird entweder durch den Ausguß 2 oder durch den Verteilerbehälter
3 gebildet.
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Der Auslaß 10 ist zu der Mittellängsachse 13 ausgerichtet, und die
Folie 6 liegt jeweils auf dem Kristallisator 4 bzw. auf den Wänden einer Plattenstranggießkokille
auf. In den Ausführungsbeispielen besteht der Kristallisator 4 außer aus dem Band
6a aus zylindrischen Rollenpaaren 14 und 15, deren Längen auf die jeweilige Breite
des zu gießenden Gußbandes abgestellt ist. Die Folie 6 bzw. das Band 6a liegen satt
auf den Rollen der Rollenpaare 14 bzw. 15 auf. Die einzelnen Rollen der Rollenpaare
14 bzw. 15 sind horizontal einstellbar, wie durch die Pfeile 16 angedeutet ist.
Die Einstellbarkeit dient dem Schrumpfverhalten und der jeweiligen Gußstrangdicke
11. Zur Bildung des trichterförmigen Eingangs 8 wird die Folie 6 jeweils über mehrere
Führungsrollen 17 geführt. Die zusätzlichen Umlenkrollen 18, 19 und 20 führen die
Folie 6 durch ein Kühlaggregat 21.
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Die Überhitzungsenergie wird hier bereits am Ausguß 2 mittels der
Kühl vorrichtungen 50 bzw. der Rührvorrichtung 54 abgezogen.
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Dementsprechend stellen sich der Badspiegel 51, die Liquiduslinie
52 und die Soliduslinie 53 wie gezeichnet ein. Die linke Hälfte der Darstellung
sieht ein größeres delta p als die rechte Hälfte vor.
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Gemäß Fig. 3 verläuft die Folie 6 auf der linken Hälfte der Darstellung
zwischen dem Auslaß 10, d.h. hier der Wandung 3b des Verteilerbehälters 3 im Schlitzabstand
22. Auf der rechten Hälfte der Darstellung ist derselbe Schlitzabstand 22 für die
Folie 6 dargestellt. Ein weiterer Unterschied besteht in dem Verlauf der Wandung
3b bis zum Gießquerschnitt 7, so daß die Mischung abrupt hier mit der (gekühlten)
Folie 6 in Berührung kommt. Die Folie 6 wird zwischen den Rollenpaaren 14,15 mit
Kühlmittel beaufschlagt (horizontales Pfeilpaar).
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Das Band 6a wird nur auf dem durch den Durchmesser bzw. Abstand bestimmten
Teilstrangweg 23 it dem Gußstrang 5 in Berührung gehalten.
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Die Folie 6 kann jedoch auch mittels weiterer Kristallisatoren 4 geführt
und der Gußstrang 5 kann entsprechend länger gestützt und gekühlt werden. Zur Bildung
des Schlitzabstandes 22 ist der Verteilerbehälter 3 heb- und senkbar.
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Die Drehgeschwindigkeit der Rollen innerhalb der Rollenpaare 14 und
15 entspricht der Gießgeschwindigkeit Vg. Sornit wird auch die Folie 6 mit der Gießgeschwindigkeit
Vg bewegt. Im übrigen sind wiederum die Abkühlungsbedingungen durch die Kühl vorrichtung
50, die Rührvorrichtung 54, den Badspiegel 51 (Überhitzungsenergie), die Liquiduslinie
52 und die Soliduslinie 53 erkennbar.
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Gemäß Fig. 4 kann die Wandung 3b breiter als der Gießquerschnitt 7
gesetzt sein. Die Wandung 3b schützt hier vor zu hohem Wärmeentzug, falls sich schon
zwischen der Liquiduslinie 52 und der Soliduslinie 53 eine unerwünscht hohe Anzahl
von Kristallen in der Metallschmelze 1 gebildet haben sollten. Es ist selbstverständlich
auch hier möglich, wie in der Zeichnung vorgesehen, Wärme über die Elektromagnetspule
54 wieder zuzuführen.
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