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Die Erfindung bezieht sich auf ein Stranggußverfahren, das
auf Stähle, wie Lagerstähle und Federstähle, anwendbar ist,
gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, der auf EP-A-0
211 422 basiert.
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Das Stranggußverfahren hat merkliche Vorteile in der hohen
Ausstoßgeschwindigkeit und in der hohen Produktivität, da ein
Vorwalzvorgang nicht erforderlich ist, und es wird weithin
angewendet als Gußverfahren, mit dem es möglich ist, das
endgültige Gußstück, wie eine Platte, einen Walzblock, einen
Barren usw. direkt aus Stahlschmelze kontinuierlich
herzustellen. Jedoch haben beim Gießen der Stahlschmelze durch das
Stranggußverfahren Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel und dergl.
eine Neigung, sich im Mittelteil des Gußstücks abzuscheiden
(zu konzentrieren), und daher bestand ein Problem darin, dass
es schwierig ist, das Stranggußverfahren für Stähle
einzuführen, die chemische Elemente enthalten, welche sich leicht
abscheiden, insbesondere für die Stähle, welche eine große
Menge Kohlenstoff enthalten, wie Lagerstähle, Federstähle und
so weiter.
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Als Verfahren zur Verhinderung der Abscheidung ist das
Verfahren zum Ausüben von geringer Reduktion oder Weichreduktion
(soft reduction) auf das aus der Form ausgezogene Gußstück
bekannt.
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Die Abscheidungs- und die Konzentrationsphänomene von
chemischen Elementen, wie Kohlenstoff, im Mittelteil des
Gußstücks, hielt man für verursacht durch die Verfestigung der
Stahlschmelze, die zum Mittelteil vom äußeren Umfangsteil des
Gußstücks fortschreitet, insbesondere wird angenommen, dass
das Fließen der konzentrierten Stahlschmelze durch das
Verfestigungsschrumpfen
in der Zeit verursacht wird, in der eine
flüssige Phase, die im Mittelteil des Gußstücks verbleibt,
endgültig verfestigt wird und mit der konzentrierten
Abscheidung von Kohlenstoff und dergl. zusammenhängt.
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Die genannte geringe oder Weichreduktionsbehandlung dient
dazu, das Fließen der konzentrierten Stahlschmelze aufgrund
des Verfestigungsschrumpfens zu verhindern und die
Abscheidung zur Zeit der Verfestigung zu verhindern, indem der
unverfestigte Teil in der Mitte des Gußstücks wenigstens um
einen Betrag unter Druck verformt wird, der der
Volumenreduktion in der Zeit der Verfestigung entspricht.
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Bei der Weichreduktionsbehandlung wird jedoch das Gußstück
der Druckverformung in dem Zustand unterworfen, in dem der
unverfestigte Teil im Mittelteil des Gußstücks bleibt, und
daher wird die Weichreduktionsbehandlung manchmal durch die
Gefahr der Erzeugung von Rissen in der Vorderfläche der
Verfestigung entsprechend der Größe der Zugspannung
begleitet, die durch die Verformung der unverfestigten Trennfläche
der Stahlschmelze erzeugt wird.
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Die an der Vorderfläche der Verfestigung erzeugten Risse
bringen ein Eindringen der mit Kohlenstoff, Schwefel,
Phosphor usw. angereicherten Stahlschmelze in die Risse an der
Vorderfläche der Verfestigung mit sich, und dies kann wie
auch die mittige Abscheidung in den fertigen Produkten ein
schädlicher Nachteil sein.
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EP-A-0 211 422 beschreibt ein Stranggußverfahren, bei welchem
die Dicke eines Stranges in seinem unverfestigten Bereich
kontinuierlich reduziert wird (allgemein als
Weichreduktionsbehandlung bzw. soft reduction treatment bezeichnet). Das
Dokument beschreibt ferner ein Gießen von Metall zu einem
Gußblock mit rechteckigem Querschnitt.
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Es ist erforderlich, eine Weichreduktion auf ein Gußstück
effektiv so auszuüben, dass eine hohe Zugspannung an der
unverfestigten Trennfläche der Stahlschmelze nicht erzeugt
werden kann, und dass sich der unverfestigte Mittelteil des
Gußstücks im Volumen (Druckverformung) ausreichend ändern
kann, um die genannten Risse bei der
Weichreduktionsbehandlung zu verhindern. Daher besteht die Hoffnung, ein
technisches Verfahren zu ermöglichen, um eine wirksame
Weichreduktionsbehandlung ohne Erzeugung von Rissen zu verwirklichen.
Die Erfindung wurde zur Lösung dieses Problems des Standes
der Technik gemacht.
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Die Erfindung schafft ein Stranggußverfahren für Stahl,
welches umfaßt: Gießen von Stahlschmelze in ein
wassergekühltes Formwerkzeug durch eine obere Öffnung des Formwerkzeugs;
Verfestigen der Stahlschmelze zur Bildung eines Gußstücks im
Formwerkzeug und gleichzeitig kontinuierliches Ziehen des
Gußstücks durch eine untere Öffnung des Formwerkzeugs, wobei
das Gußstück einer Weichreduktionsbehandlung (soft reduction
treatment) mit einem flachen Teil einer Walze an einer Stelle
mit einem Festphasenverhältnis von 0,2 bis 0,8 unterworfen
wird, bevor die Stahlschmelze im Mittelteil des Gußstücks
vollständig verfestigt ist, und bei welchem das Gußstück
einen kreisförmigen Querschnitt besitzt und der flache Teil
der Walze eine Ebene auf einer eingedrückten Fläche des
Gußstücks bildet.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
lediglich beispielhaft mit Bezugnahme auf die Figuren
beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine grafische Darstellung der Verteilung der
Kohlenstoffkonzentration über einen Querschnitt eines Gußstücks,
das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
erhalten wurde, im Vergleich mit demjenigen eines Gußstücks,
das ohne Weichreduktion erhalten wurde;
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Fig. 2 eine grafische Darstellung der Verteilung der
Kohlenstoffkonzentration über einen Querschnitt eines Gußstücks,
das nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung erhalten
wurde, im Vergleich mit demjenigen eines Gußstücks, das ohne
Weichreduktion erhalten wurde;
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Fig. 3A und 3B Schrägansichten, welche Testverfahren
zur Bestätigung einer Wirkung der Weichreduktion im
erfindungsgemäßen Stranggußverfahren darstellen;
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Fig. 4 eine grafische Darstellung der Ergebnisse, die
durch das Testverfahren gemäß den Fig. 3A und 3B erzielt
wurden; und
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Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Position, die
bei der Weichreduktion im erfindungsgemäßen
Stranggußverfahren anzuwenden ist.
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Beim Stranggießen unterliegt die Stahlschmelze einer
Zustandsänderung der vollständig flüssigen Phase A in die
vollständig feste Phase C über eine fest-flüssige Mischphase
B, wie in Figur S gezeigt.
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Beim erfindungsgemäßen Stranggußverfahren wird das
Festphasenverhältnis definiert als ein Gewichtsverhältnis, das von
der festen Phase über einen Querschnitt des Gußsstücks
eingenommen wird (das Festphasenverhältnis 1 bedeutet den Zustand
der vollständig festen Phase).
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Es ist möglich, das Festphasenverhältnis aus der Wärmeverteilung
des Querschnitts des Gußstücks abzuschätzen, die gemäß
der Wärmeübergangsberechnung aufgrund von Daten erhalten
wird, wie beispielsweise der spezifischen Wärme und
Wärmeleitfähigkeit des Gußstücks oder der Temperatur der
Stahlschmelze.
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Sodann ist das erfindungsgemäße Stranggußverfahren dadurch
gekennzeichnet, dass die Weichreduktionsbehandlung auf das in
eine Form mit einem kreisförmigen Querschnitt gegossene
Gußstück ausgeübt wird, wobei der flache Teil der Walze R in
der Position des Festphasenverhältnisses von 0,2 bis 0,8 in
der fest-flüssigen Mischphase liegt, wie in Fig. 5 gezeigt.
Die Walze mit dem flachen Teil bedeutet eine Walze, die eine
Ebene auf der eingedrückten Fläche des Gußstücks mit dem
kreisförmigen Querschnitt formen kann, und die Walze ist ohne
Unterscheidung der Form anwendbar, solange es möglich ist,
eine Ebene auf der Kontaktfläche des Gußstücks auszubilden.
Wie oben erwähnt, ist es bei der Weichreduktionsbehandlung
notwendig, die Weichreduktion auf das Gußstück wirksam
auszuüben, um das Volumen des unverfestigten Mittelabschnitts
(Druckverformung) ausreichend zu verändern, ohne die hohe
Zugbelastung in der unverfestigten Zwischenfläche der
Stahlschmelze zu erzeugen, um innere Risse im Gußstück zu
verhindern.
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Um geeignete Bedingungen für die Weichreduktionsbehandlung
aufzufinden, führten die Erfinder eine Spannungs-Dehnungs-
Analyse (stress-strain analysis) im Zeitpunkt der Anwendung
der Weichreduktion mit dem flachen Teil der Walze R an einem
Gußstück D mit einem kreisförmigen Querschnitt (350 mm
Durchmesser) und einem Gußstück E mit einem quadratischen
Querschnitt (350 mm Quadratlänge), die in den Fig. 3A und
3B gezeigt sind, durch die finite Elementmethode unter
Verwendung eines Computers durch, und es wurden die in Fig. 4
gezeigten Ergebnisse erzielt. Zusätzlich bezeichnet das
Bezugszeichen F den unverfestigten Teil, und das
Bezugszeichen G bezeichnet den vollständig verfestigten Teil der
Gußstücke D und E in den Fig. 3A und 3B.
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In der grafischen Darstellung A der Fig. 4 zeigt die
Abszissenachse ein auf das Gußstück ausgeübtes
Reduktionsverhältnis, und die Ordinatenachse zeigt die Volumenreduktion des
unverfestigten Mittelteils mit einem Index. Das
Reduktionsverhältnis bedeutet die prozentuale Flächenabnahme im
Querschnitt des Gußstücks vor und nach der Weichreduktion.
Andererseits ist in der grafischen Darstellung B und der
Darstellung C der Fig. 4 die Zugspannung, die an der
verfestigten Zwischenfläche der Stahlschmelze in den Richtungen der
X-Achse (senkrecht zur Achse des Gußstücks), und Y-Achse
(Axialrichtung des Gußstücks) erzeugt werden, als Ordinate
gegen das Reduktionsverhältnis als Abszisse aufgetragen.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Reduktionsverhältnis, das zur
Erzielung einer gewissen Volumenreduktion am unverfestigten
Mittelteil des Gußstücks erforderlich ist, zwischen den
Fällen des Gußstücks D mit dem kreisförmigen Querschnitt und
des Gußstücks E mit dem quadratischen Querschnitt merklich
unterschiedlich ist, und dass das Reduktionsverhältnis, das
auf das Gußstück D mit dem kreisförmigen Querschnitt
auszuüben ist, nicht so hoch sein muß im Vergleich mit demjenigen,
das auf das Gußstück E mit dem quadratischen Querschnitt
auszuüben ist.
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Wenn ferner die Volumenreduktion im unverfestigten Mittelteil
zwischen den Gußstücken D und E äquivalent ist, zeigt sich,
dass die an der unverfestigten Trennfläche der Stahlschmelze
im Gußstück D mit dem kreisförmigen Querschnitt im Vergleich
mit derjenigen im Gußstück E mit dem quadratischen
Querschnitt aufgrund der in den grafischen Darstellungen B und C
der Fig. 4 gezeigten Ergebnisse bemerkenswert niedrig ist.
Aus den oben genannten Ergebnissen ist ersichtlich, dass es
möglich ist, das Volumen des unverfestigten Mittelteils
wirksam zu reduzieren und gleichzeitig die an der
unverfestigten Trennfläche des Gußstück erzeugte Zugspannung durch
die Kompression mit niedrigem Reduktionsverhältnis sehr
niedrig zu halten, wenn das Gußstück in die Form mit dem
kreisförmigen Querschnitt gegossen und der geringen Reduktion
mit dem flachen Teil der Walze unterworfen wird.
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Die Erfindung wurde auf der Grundlage der oben erwähnten
Erfindungsgedanken gemacht, und es ist möglich, eine
Abscheidung von Kohlenstoff und dergl. im Gußstück zu verhindern und
gleichzeitig die Erzeugung der Zugspannung im Gußstück auf
einem niedrigen Wert zu halten und zu verhindern, dass im
Gußstück Risse entstehen, wodurch es möglich ist, die
Qualität des erfindungsgemäßen Gußstücks zu verbessern.
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Die Erfindung ist insbesondere wirksam, wenn sie auf Stähle
mit einem Kohlenstoffgehalt von nicht weniger als 0,5%
angewendet wird.
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Das erfindungsgemäße Stranggußverfahren ist besonders
gekennzeichnet dadurch, dass die Weichreduktion an der Stelle des
Festphasenverhältnisses von 0,2 bis 0,8 durchgeführt wird.
Bei dieser Erfindung wird die Weichreduktion auf das Gußstück
an der Stelle eines Phasenverhältnisses von 0,2 bis 0,8 aus
dem Grund angewendet, dass eine flüssige Phase im Mittelteil
des Gußstücks seine Fluidität im wesentlichen verliert, und
es ist nicht möglich, eine ausreichende Wirkung durch eine
geringe Reduktionsbehandlung zu erzielen, selbst wenn die
geringe Reduktion auf das Gußstück an der Stelle eines
Festphasenverhältnisses von mehr als 0,8 ausgeübt wird, und im
Gegensatz dazu nahm die flüssige Phase den größten Teil des
Querschnitts des Gußstücks an der Stelle des
Festphasenverhältnisses von weniger als 0,2 ein, und es ist in gleicher
Weise nicht möglich, die ausreichende Wirkung durch eine
geringe Reduktionsbehandlung aufgrund der übermässigen
Fluidität der flüssigen Phase zu erzielen.
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Bei der Erfindung wird die geringe Reduktion zu dem Zweck
durchgeführt, dass Risse im Gußstück und eine konzentrierte
Abscheidung der chemischen Komponenten, wie Kohlenstoff,
Phosphor, Schwefel usw., im Mittelteil des Gußstücks
verhindert wird. In diesem Sinne wird bevorzugt, die geringe
Reduktion auf das Gußstück in einem Reduktionsverhältnis-Bereich
von 1,0 bis 3,0% auszuüben, und darüber hinaus vorzugsweise
im Reduktionsverhältnis-Bereich von 1,5 bis 2,5%.
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Die Erfindung wird nachfolgend im Einzelnen auf der Basis
der folgenden nicht einschränkenden Beispiele erläutert.
BEISPIEL 1
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Stahl mit einem Kohlenstoff-Gehalt von 1,0%, der als SUJ 2 in
JIS G 4805 (Lagerstähle' mit hohem Kohlenstoff-Chromgehalt
bzw. High Carbon Chromium Bearing Steels) bezeichnet wird,
wurde in ein Gußstück mit einem kreisförmigen Querschnitt mit
einem Durchmesser von 350 mm bei einer
Extraktionsgeschwindigkeit (Vc) von 0,4 m/min durch das Stranggußverfahren
gegossen.
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In dieser Zeit wurde das Gußstück der geringen
Reduktionsbehandlung mit einem Reduktionsverhältnis von 2% an einer
Stelle mit einem Festphasenverhältnis (fs) von 0,4 bis 0,5
unter Verwendung einer Doppelwalze unterworfen, die mit zwei
flachen Walzen an der oberen und unteren Seite angeordnet
war. Zusätzlich ist die Walze brauchbar, solange sie einen
flachen Teil besitzt, sogar eine Walze, die teilweise eine
V-förmige Vertiefung besitzt.
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Als Ergebnis einer Analyse des Kohlenstoffgehalts am
Querschnitt des erhaltenen Gußstücks wurde eine grafische
Darstellung auf der oberen Seite in Fig. 1 erzielt. Ferner wird
bestätigt, dass keine inneren Risse im Gußstück vorhanden
waren.
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Andererseits wurde ein in einer grafischen Darstellung auf
der unteren Seite in Fig. 1 gezeigtes Ergebnis erzielt, indem
der Kohlenstoffgehalt eines Gußstücks analysiert wurde, das
in der gleichen Weise ohne Anwendung der geringen
Reduktionsbehandlung gegossen wurde, um einen Vergleich durchzuführen.
Aus einem Vergleich zwischen den beiden grafischen
Darstellungen der Fig. 1 ist ersichtlich, dass es möglich ist, die
mittige Abscheidung ohne Erzeugung innerer Risse zu
verhindern, indem die Stahlschmelze in das Gußstück mit dem
kreisförmigen Querschnitt gegossen und die geringe Reduktion auf
das Gußstück mit der flachen Walze ausgeübt wird.
BEISPIEL 2
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Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,6%, der als SUP 7 in
JIS G 4801 (Federstähle bzw. Spring Steels) bezeichnet wird,
wurde in ein Gußstück durch das Stranggußverfahren unter den
gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 gegossen, und eine
grafische Darstellung auf der oberen Seite in Fig. 2 wurde als
Ergebnis der Analyse des Kohlenstoffgehalts am Querschnitt
des erzielten Gußstücks erhalten. Ferner traten keinerlei
innere Risse auf. Eine grafische Darstellung auf der unteren
Seite in Fig. 2 zeigt das Ergebnis eines Gußstücks, das ohne
Anwendung der geringen Reduktionsbehandlung erzielt wurde.
Durch einen Vergleich der Ergebnisse, die in den grafischen
Darstellungen der Fig. 2 gezeigt sind, ist ersichtlich, dass
es möglich ist, die Abscheidung von Kohlenstoff im Mittelteil
wirksam auch im Fall des als SUP 7 bezeichneten Stahls zu
verhindern, indem das Gußstück mit dem kreisförmigen
Querschnitt gegossen und die geringe Reduktion auf das Gußstück
unter Verwendung der flachen Walze angewendet wird.