EP4081358B1 - Verfahren und vorrichtung zum bearbeiten eines im querschnitt runden, metallischen giessstrangs durch eine querschnittsreduktion im enderstarrungsbereich - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bearbeiten eines im querschnitt runden, metallischen giessstrangs durch eine querschnittsreduktion im enderstarrungsbereich Download PDF

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EP4081358B1
EP4081358B1 EP20829308.4A EP20829308A EP4081358B1 EP 4081358 B1 EP4081358 B1 EP 4081358B1 EP 20829308 A EP20829308 A EP 20829308A EP 4081358 B1 EP4081358 B1 EP 4081358B1
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EP
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forging
section
cross
tools
strand
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Robert Koppensteiner
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GFM GmbH
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    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
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    • B22D11/1206—Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ for plastic shaping of strands
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/13—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by hot working

Definitions

  • the invention relates to a method for processing a metallic cast strand with a round cross-section by reducing the cross-section in the final solidification region by means of at least three forming tools distributed around the circumference and simultaneously acting on the cast strand, as well as to a device for carrying out the method.
  • the core temperature drops significantly more rapidly than the surface temperature of the cast strand, which leads to different thermal contractions and, as a result, to segregations and core porosity.
  • a cross-sectional reduction known as soft reduction is carried out in the final solidification area.
  • the invention is based on the object of designing a method for processing round cast strands by soft reduction in such a way that core porosities can be largely avoided without exposing the cast strand to the risk of cracking.
  • the invention solves the problem posed by the fact that the cast strand is formed by forging tools forming the forming tools with each forming stroke in a longitudinal section which corresponds to at least a quarter of the strand diameter before the cross-sectional reduction, and that the forging tools are rotated by an angular step about the axis of the cast strand between the forming strokes.
  • the prerequisite is initially created to improve the depth effect of the plastic deformations of the cast strand in the final solidification area, due to the effect of the forging tools over a corresponding longitudinal section of the cast strand, which is made possible by the axial extension of the forging tools.
  • this longitudinal section of the forming is selected to correspond to a quarter of the strand diameter before the cross-section reduction per forming stroke, a quality-improving influence on the residual porosity of the cast strand is already noticeable. This influence increases with the axial extension of the tool engagement, so that the longitudinal section of the strand covered by the forging tools per forming stroke is preferably in a range between 0.6 times the strand diameter and the strand diameter.
  • the improved depth effect of the plastic strand deformation with the axial extension of the forging tools is not sufficient to largely prevent the core porosity of the cast strand, even if the cavities created when the strand solidifies can be compressed by the forming strokes of the forging tools.
  • the rotation steps of the forging tools between the forming strokes must not be chosen too small, because otherwise the effect of the forces acting on the volume units from different directions is lost.
  • the rotation steps between individual forming strokes that are advantageous for a cast strand can be determined relatively easily by simulation calculations or practical tests and can be specified depending in particular on the casting speed, the number of forging tools, the cross-sectional reduction, the frequency of the forming strokes and the material properties.
  • a minimum machining over a circumferential area of 360° during a strand feed in accordance with the engagement length of the forging tools results in a rotation step between the individual forming strokes, which is determined by the strand feed between the forming strokes and the engagement length of the forging tools depends on the fact that after a feed of the cast strand corresponding to the engagement length of the forging tools, the strand must be machined over a circumferential section belonging to the individual tools.
  • the circumferential section belonging to the individual forging tools must be divided up according to the number of feed steps of the strand up to a total feed according to the engagement length of the forging tools in order to determine the angle to be specified as the lower limit for cast strand processing over 360°.
  • the pitch of the helical course of the processing is therefore given for the smallest angle of the turning step by the multiple of the engagement length of the forging tools corresponding to the number of forging tools.
  • the depth effect of the forging tools is important for suppressing core porosity, care must be taken to ensure that the cross-sectional shape of the cast strand is retained as far as possible during soft reduction.
  • the cast strand must therefore be supported centrally to a sufficient extent during the forming strokes by the forging tools distributed over the circumference of the strand. This is advantageously achieved if the cast strand is formed by the forging tools for each forming stroke in a circumferential area of at least 20° that is divided between the individual forging tools and relates to the average width of the contact surfaces between the forging tool and the cast strand, i.e. if the forging tools act on the cast strand simultaneously over a circumferential section extending over at least 20° and divided between the forging tools.
  • the cast strand For a soft reduction, the cast strand must be machined in the final solidification area, preferably on both sides of the sump tip. If the cast strand is machined in a longitudinal section that extends from a cross section of the If the cross-section of a cast strand with a solid phase content of 80% extends to a cross-section in which the temperature difference between core and surface is 300 K, is processed by the forging tools, the requirements for a soft reduction according to the invention using forging tools are generally well met. The cross-section of the cast strand should be reduced by at least 8% by the forging tools so that a noticeable influence can be exerted on the core porosity.
  • a device with at least three forging tools arranged rotationally symmetrically with respect to a forging axis, mounted in the frame of a forging press and connected to a drive for forming strokes radial to the forging axis can be used. If in such a device the frame is mounted in a housing so that it can rotate about the forging axis and is connected to a step drive for rotation by one angular step between the forming strokes, all the requirements for carrying out the method are met.
  • the radial forming strokes can be carried out with the help of the forging tools, whereby the gradual soft reduction of the cast strand along a helical line can be ensured by rotating the frame holding the forging tools about the forging axis between the forming strokes.
  • the frame has two adjusting disks that can be moved axially against each other, which form wedge surfaces of a wedge gear that slope outwards in the axial direction for the radial lifting drive.
  • the forging tools which are supported in a sliding manner by corresponding counter surfaces on the wedge surfaces, are thus displaced radially when the adjusting disks are adjusted in opposite directions.
  • the forging tools can be moved along with the cast strand during the forming strokes in order to be returned to the starting position during the idle stroke.
  • the frame holding the forging tools can be mounted axially displaceably within the housing and connected to an axial actuator. If the housing of the forging press itself can be displaced along a guide of the cast strand, the forging press can be aligned with the final solidification area of the cast strand, which also allows a displacement of this final solidification area due to changing casting parameters to be taken into account.
  • the forging press has a housing 1 in which a frame 4, which accommodates forging tools 2, 3 arranged opposite one another in pairs, is mounted so as to be rotatable about a forging axis 5.
  • This frame 4 is formed by two adjusting disks 6, which are mounted in the housing 1 so as to be displaceable in the axial direction and can be acted upon by means of pistons 7 against the force of return springs 8, which are supported between the two adjusting disks 6.
  • the pistons 7 engage in annular spaces 9 formed in the housing 1, which can be acted upon by a hydraulic medium.
  • the two adjusting disks 6 are provided with oppositely inclined wedge surfaces 10 against which the forging tools 2, 3 slide with corresponding counter surfaces, so that corresponding wedge gears are formed between the adjusting disks 6 and the forging tools.
  • the forging tools 2, 3 are provided with guide strips 11 in the edge area of the wedge surfaces 10, which engage in guide grooves 12 of the adjusting disks 6. If the adjusting disks 6 are subjected to a compressive force via the pistons 7, they are moved against one another, which results in a sliding movement of the forging tools 2, 3 relative to the wedge surfaces 10 of the adjusting disks 6, with the effect that the forging tools 2, 3 carry out a radial forming stroke. When the pistons 7 are relieved, the adjusting disks 6 are moved back to the starting position by the return springs 8, whereby the forging tools 2, 3 guided along the wedge surfaces 10 carry out an idle stroke.
  • the frame 4 comprising the two adjusting disks 6 can be rotated by one rotational step between the forming strokes of the wedge gear using a step drive 13.
  • the step drive 13 comprises a pinion 15 driven by a step motor 14, which meshes with a ring gear 16 that is connected to one of the two adjusting disks 6.
  • any other rotary step drive is also possible.
  • the cross-section of the cast strand 17 can thus be reduced by the forging tools 2, 3 arranged opposite one another in pairs, with the frame 4 being rotated by one rotational step between the forming strokes in order to ensure step-by-step processing of the cast strand 17 along a screw around the forging axis 5.
  • Fig.3 can be removed, the cast strand 17 is cooled during casting with the effect that a solid shell 18 forms around the liquid core 19.
  • the casting area 20 is followed by a cooling area in which cooling liquid is sprayed onto the cast strand 17.
  • This causes the cast strand 17 to solidify from the outside to the inside, with a mixed phase 21 forming between the liquid phase 19 and the solid shell 18. which ends in a sump 22, the tip 23 of which indicates the complete solidification of the cast strand 17.
  • the solid phase proportion in the area of the sump 22 consequently increases from 0 to 100% according to the curve 24.
  • the solid phase proportions of 0%, 20%, 80% and 100% and the corresponding position of the strand cross sections Q1, Q2, Q3 and Q4 are shown in the Fig.3 marked.
  • the surface temperature of the cast strand 17 follows the curve 25 of the Fig.3
  • the core temperature is illustrated by curve 26. It can be seen that in the area of final solidification, the core temperature 26 drops considerably more rapidly than the surface temperature 25. This temperature gradient can be used to determine the longitudinal section of the cast strand 17 that is advantageous for a soft reduction according to the invention.
  • the depth effect of the forming strokes of the forging tools 2, 3 depends, among other things, on the temperature difference between the surface temperature 25 and the core temperature 26. By limiting this temperature difference 27 to a minimum that is still sufficiently effective for the depth effect, preferably 300 K, a longitudinal section can be limited, outside of which a soft reduction is no longer useful.
  • the strand cross-section in which the temperature difference 27 is 300 K is shown in the Fig.3 designated Q5.
  • a soft reduction of the cast strand 17 can only be carried out with a corresponding solid phase proportion.
  • the minimum proportion of the solid phase can be set at 80% in this context. This means that according to the Fig.3 a longitudinal section 28 for advantageous soft reduction of the cast strand 17 results, namely between the strand cross-section Q3 with a solid phase content of 80% and a strand cross-section Q5 in which the temperature difference 27 between the surface temperature 25 and the core temperature 26 is 300 K.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bearbeiten eines im Querschnitt runden, metallischen Gießstrangs durch eine Querschnittsreduktion im Enderstarrungsbereich mithilfe von wenigstens drei um den Umfang verteilten, zugleich auf den Gießstrang einwirkenden Umformwerkzeugen sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
    • Stand der Technik
  • Im Bereich der Enderstarrung metallischer Gießstränge mit rundem Querschnitt fällt die Kerntemperatur gegenüber der Oberflächentemperatur des Gießstrangs deutlich rascher ab, was zu unterschiedlichen thermischen Kontraktionen und infolgedessen zu Seigerungen und zu einer Kernporosität führt. Um diesen Seigerungen und Porositätserscheinungen entgegenzuwirken, wird im Enderstarrungsbereich eine als Soft-Reduktion bekannte Querschnittsreduktion durchgeführt. Hierfür ist es bekannt ( DE 101 44 234 A1 , welche die Basis für den Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet, WO 2018/069854 A1 ), wenigstens drei um den Strangumfang verteilte Umformwerkzeuge in Form von Walzen einzusetzen, mit deren Hilfe der Gießstrang einer Soft-Reduktion unterworfen wird, allerdings mit nur mäßigem Erfolg, weil die Tiefenwirkung der Querschnittsreduktion durch den Einsatz von Walzen begrenzt ist und größere Querschnittsreduktionen die Gefahr von Rissbildungen erhöhen.
  • Um die Einlaufschwierigkeiten beim Walzen von Knüppeln zu vermeiden, die durch ein Trennsägen eines Gießstrangs gewonnen werden, wurde vorgeschlagen ( DE 10 2011 012 508 A1 ), den Gießstrang im Bereich der späteren Trennschnitte mithilfe von einander paarweise gegenüberliegenden Schmiedewerkzeugen mit einer Fase zu versehen, und zwar bevor der Kern des Gießstrangs vollständig durcherstarrt ist. Wegen des teilweise flüssigen Werkstoffs können die Schmiedekräfte klein gehalten werden. Außerdem kann die Abkühlgeschwindigkeit im Umformbereich erhöht werden. Ein wesentlicher Einfluss auf die Kernporosität ist allerdings nicht zu erwarten.
  • Damit beim Stranggießen von Stahl und Metalllegierungen Seigerungen vermieden werden können, ist es bekannt ( DE 27 33 276 A1 ), den gegossenen Strang während des Erstarrens plastisch zu verformen, und zwar durch ein Walzen, sodass die Querschnittsfläche des Strangs entsprechend der Erstarrungsschrumpfung vermindert wird, wodurch eine Schmelzeverlagerung aufwärts oder abwärts im erstarrenden Strang unterbunden werden kann. Die Kernstruktur bleibt davon allerdings im Wesentlichen unberührt.
  • Zur Gefügeverbesserung ist es bekannt ( DE 197 00 486 A1 ), ein durch ein Stranggießen hergestelltes Vorprodukt einer Schmiedebearbeitung zu unterwerfen. Voraussetzung ist allerdings ein durcherstarrtes Vorprodukt.
  • Um bei Radialpressen für Werkstücke mit rundem Querschnitt vorteilhafte Pressbedingungen sicherzustellen, ist es bekannt ( EP 0 239 875 A2 ), die Pressbacken an gegensinnig in axialer Richtung geneigten Keilflächen zweier gegeneinander axial verstellbarer Stellkörper abzustützen, sodass bei einer gegensinnigen Druckbeaufschlagung der beiden Stellkörper die Pressbacken, die mit den Stellkörpern ein Keilgetriebe bilden, radial verlagert werden und einen Umformhub ausführen. Beim anschließenden Auseinanderbewegen der Stellkörper werden die entlang der Keilflächen geführten Pressbacken wieder in die Ausgangsstellung radial zurückgezogen. Aufgrund der im Verhältnis zum Presshub vergleichsweise geringen axialen Länge sind diese Radialpressen insbesondere zum Aufpressen von Schlaucharmaturen auf Hydraulikschläuche geeignet.
  • Bei Rundknetmaschinen ist es darüber hinaus bekannt ( US 3 175 387 , welche die Basis für den Oberbegriff des Anspruchs 5 bildet), die einander paarweise bezüglich einer Schmiedeachse gegenüberliegenden Schmiedewerkzeuge in einem Gestell zu lagern, das in einem Gehäuse um die Schmiedeachse drehbar gelagert und mithilfe eines Motors kontinuierlich antreibbar ist, um das frei drehbar geführte Werkstück, insbesondere ein herzustellendes Rohr, durch die Schmiedewerkzeuge während des Presshubs drehend mitzunehmen. Da die Schmiedewerkzeuge nicht nur kontinuierlich um die Schmiedeachse gedreht, sondern zusätzlich in Richtung der Schmiedeachse hin- und hergehend angetrieben werden, kann auf gesonderte Antriebe zum Drehen und axialen Verschieben der Werkstücke zwischen den Eingriffen der Schmiedewerkzeuge verzichtet werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bearbeiten runder Gießstränge durch eine Soft-Reduktion so auszugestalten, dass Kernporositäten weitgehend vermieden werden können, ohne den Gießstrang einer Rissgefahr auszusetzen.
  • Ausgehend von einem Verfahren der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Gießstrang durch die Umformwerkzeuge bildende Schmiedewerkzeuge mit jedem Umformhub in einem Längsabschnitt umgeformt wird, der wenigstens einem Viertel des Strangdurchmessers vor der Querschnittsreduktion entspricht, und dass die Schmiedewerkzeuge zwischen den Umformhüben um einen Winkelschritt um die Achse des Gießstrangs gedreht werden.
  • Durch den Einsatz von Umformwerkzeugen in Form von Schmiedewerkzeugen wird zunächst die Voraussetzung geschaffen, die Tiefenwirkung der plastischen Verformungen des Gießstrangs im Enderstarrungsbereich zu verbessern, und zwar aufgrund der durch die axiale Erstreckung der Schmiedewerkzeuge ermöglichten Einwirkung der Schmiedewerkzeuge über einen entsprechenden Längsabschnitt des Gießstrangs. Wird dieser Längsabschnitt der Umformung je Umformhub entsprechend einem Viertel des Strangdurchmessers vor der Querschnittsreduktion gewählt, so macht sich bereits ein qualitätsverbessernder Einfluss auf die Restporosität des Gießstrangs bemerkbar. Dieser Einfluss vergrößert sich mit der axialen Erstreckung des Werkzeugeingriffs, sodass der von den Schmiedewerkzeugen je Umformhub erfasste Längsabschnitt des Stranges bevorzugt in einem Bereich zwischen dem 0,6-Fachen des Strangdurchmessers und dem Strangdurchmesser liegt.
  • Die mit der axialen Erstreckung der Schmiedewerkzeuge verbesserte Tiefenwirkung der plastischen Strangverformung reicht allerdings nicht aus, um insbesondere die Kernporosität des Gießstrangs weitgehend zu unterbinden, selbst wenn es gelingt, die beim Durcherstarren des Stranges entstehenden Hohlräume durch die Umformhübe der Schmiedewerkzeuge zusammenzudrücken. Durch eine Drehung der Schmiedewerkzeuge gegenüber dem Gießstrang zwischen den Umformhüben um die Strangachse gelingt dies jedoch in überraschender Weise, ohne eine größere, mit einer Rissgefahr verbundene Querschnittreduktion vornehmen zu müssen. Die mit der schrittweisen Drehung der Schmiedewerkzeuge um die Strangachse verbundene Wirkung wird dadurch erklärt, dass die die Hohlräume aufweisenden Kernbereiche aufgrund der schraubenförmigen Strangbearbeitung wiederholt Schub- und Druckspannungen in unterschiedlicher Richtung ausgesetzt werden, sodass die für die Porenbildung verantwortlichen Hohlräume schrittweise bis zum Verschwinden verkleinert werden können.
  • Die Drehschritte der Schmiedewerkzeuge zwischen den Umformhüben dürfen jedoch nicht zu klein gewählt werden, weil sonst die Wirkung der aus unterschiedlichen Richtungen auf die Volumeneinheiten einwirkenden Kräfte verlorengeht. Die für einen Gießstrang jeweils vorteilhaften Drehschritte zwischen einzelnen Umformhüben können durch Simulationsrechnungen oder praktische Versuche vergleichsweise einfach ermittelt und in Abhängigkeit insbesondere von der Gießgeschwindigkeit, der Anzahl der Schmiedewerkzeuge, der Querschnittsreduktion, der Frequenz der Umformhübe und der Werkstoffeigenschaften vorgegeben werden.
  • Wird davon ausgegangen, dass in einem Längsabschnitt des Gießstrangs entsprechend der Eingriffslänge der Schmiedewerkzeuge der Gießstrang über seinen gesamten Umfang bearbeitet werden soll, so ergibt sich für eine Mindestbearbeitung über einen Umfangsbereich von 360° während eines Strangvorschubs entsprechend der Eingriffslänge der Schmiedewerkzeuge ein Drehschritt zwischen den einzelnen Umformhüben, der vom Strangvorschub zwischen den Umformhüben und der Eingriffslänge der Schmiedewerkzeuge abhängt, weil nach einem der Eingriffslänge der Schmiedewerkzeuge entsprechenden Vorschub des Gießstrangs eine Strangbearbeitung über einen den einzelnen Werkzeugen zugehörigen Umfangsabschnitt durchgeführt sein muss. Dies bedeutet, dass der den einzelnen Schmiedewerkzeugen zugehörige Umfangsabschnitt entsprechend der Anzahl der Vorschubschritte des Strangs bis zu einem Gesamtvorschub gemäß der Eingriffslänge der Schmiedewerkzeuge unterteilt werden muss, um den als untere Grenze vorzugebenden Winkel für eine Gießstrangbearbeitung über 360° zu bestimmen. Die Ganghöhe des schraubenförmigen Verlaufs der Bearbeitung ergibt sich somit für den kleinsten Winkel des Drehschritts durch das der Anzahl der Schmiedewerkzeuge entsprechende Vielfache der Eingriffslänge der Schmiedewerkzeuge. Bei einem Strangvorschub von 54 mm zwischen den Umformhüben und einer Eingriffslänge der Schmiedewerkzeuge von 350 mm errechnet sich daher der kleinste Drehschrittwinkel zwischen zwei Umformhüben beim Einsatz von drei Schmiedewerkzeugen zu 18°, beim Einsatz von vier Schmiedewerkzeugen jedoch zu 14°.
  • Da es zur Unterdrückung einer Kernporosität auf die Tiefenwirkung der Schmiedewerkzeuge ankommt, ist darauf zu achten, dass die Querschnittsform des Gießstrangs während der Soft-Reduktion möglichst erhalten bleibt. Deshalb ist der Gießstrang während der Umformhübe durch die über den Strangumfang verteilten Schmiedewerkzeuge in einem ausreichenden Maß zentrisch abzustützen. Dies gelingt vorteilhaft, wenn der Gießstrang durch die Schmiedewerkzeuge je Umformhub in einem auf die einzelnen Schmiedewerkzeuge aufgeteilten, sich auf die mittlere Breite der Kontaktflächen zwischen Schmiedewerkzeug und Gießstrang beziehenden Umfangsbereich von mindestens 20° umgeformt wird, wenn also die Schmiedewerkzeuge auf den Gießstrang gleichzeitig über einen sich über mindestens 20° erstreckenden, auf die Schmiedewerkzeuge aufgeteilten Umfangsabschnitt einwirken.
  • Für eine Soft-Reduktion muss der Gießstrang im Enderstarrungsbereich bearbeitet werden, und zwar vorteilhaft beidseits der Sumpfspitze. Wird der Gießstrang in einem Längsabschnitt, der sich von einem Querschnitt des Gießstrangs mit einem Festphasenanteil von 80 % bis zu einem Querschnitt erstreckt, in dem die Temperaturdifferenz zwischen Kern und Oberfläche 300 K beträgt, durch die Schmiedewerkzeuge bearbeitet, so werden die Voraussetzungen für eine erfindungsgemäße Soft-Reduktion mithilfe von Schmiedewerkzeugen im Allgemeinen gut erfüllt. Der Querschnitt des Gießstrangs soll dabei durch die Schmiedewerkzeuge um mindestens 8 % reduziert werden, damit ein merklicher Einfluss auf die Kernporosität genommen werden kann.
  • Zur Durchführung des Verfahrens zum Bearbeiten eines im Querschnitt runden, metallischen Gießstrangs durch eine Querschnittsreduktion im Enderstarrungsbereich kann von einer Vorrichtung mit wenigstens drei rotationssymmetrisch bezüglich einer Schmiedeachse angeordneten, im Gestell einer Schmiedepresse gelagerten und mit einem Antrieb für zur Schmiedeachse radiale Umformhübe verbundenen Schmiedewerkzeugen ausgegangen werden. Wird bei einer solchen Vorrichtung das Gestell um die Schmiedeachse drehbar in einem Gehäuse gelagert und mit einem Schrittantrieb zur Drehung um je einen Winkelschritt zwischen den Umformhüben verbunden, so sind alle Voraussetzungen zur Durchführung des Verfahrens erfüllt. Mithilfe der Schmiedewerkzeuge können die radialen Umformhübe durchgeführt werden, wobei durch ein Drehen des die Schmiedewerkzeuge aufnehmenden Gestells um die Schmiedeachse zwischen den Umformhüben die schrittweise Soft-Reduktion des Gießstrangs entlang einer Schraubenlinie sichergestellt werden kann.
  • Besonders einfache Konstruktionsverhältnisse ergeben sich in diesem Zusammenhang, wenn das Gestell zwei axial gegeneinander verschiebbare Stellscheiben aufweist, die in axialer Richtung nach außen abfallende Keilflächen eines Keilgetriebes für den radialen Hubantrieb bilden. Die mit entsprechenden Gegenflächen an den Keilflächen gleitfähig abgestützten Schmiedewerkzeuge werden somit bei einer gegensinnigen Verstellung der Stellscheiben radial verlagert.
  • Obwohl aufgrund der üblichen Frequenzen der Umformhübe in Verbindung mit der dazu vergleichsweise geringen Gießgeschwindigkeit eine synchrone Bewegung der Schmiedewerkzeuge mit dem Gießstrang während des Schmiedeeingriffs nicht zwingend ist, können die Schmiedewerkzeuge während der Umformhübe mit dem Gießstrang mitbewegt werden, um während des Leerhubs wieder in die Ausgangsstellung zurückgestellt zu werden. Zu diesem Zweck kann das die Schmiedewerkzeuge aufnehmende Gestell innerhalb des Gehäuses axial verschiebbar gelagert und mit einem axialen Stellantrieb verbunden sein. Ist das Gehäuse der Schmiedepresse selbst entlang einer Führung des Gießstrangs verlagerbar, so kann die Schmiedepresse gegenüber dem Enderstarrungsbereich des Gießstrangs ausgerichtet werden, womit auch eine Verlagerung dieses Enderstarrungsbereichs aufgrund sich ändernder Gießparameter berücksichtigt werden kann.
  • In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
    • Fig. 1
    eine erfindungsgemäße Schmiedepresse zum Bearbeiten eines runden, metallischen Gießstrangs in einem schematischen Längsschnitt,
    Fig. 2
    diese Vorrichtung in einem Querschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1 in einem kleineren Maßstab und
    Fig. 3
    einen Gießstrang mit einer schematischen Verteilung der flüssigen und der festen Phase über die Stranglänge bis zur vollständigen Durcherstarrung sowie im Kern- und Oberflächenbereich.
  • Die Schmiedepresse gemäß den Fig. 1 und 2 weist ein Gehäuse 1 auf, in dem ein einander paarweise gegenüberliegende Schmiedewerkzeuge 2, 3 aufnehmendes Gestell 4 um eine Schmiedeachse 5 drehbar gelagert ist. Dieses Gestell 4 wird durch zwei Stellscheiben 6 gebildet, die in axialer Richtung verschiebbar im Gehäuse 1 gelagert und mithilfe von Kolben 7 entgegen der Kraft von Rückstellfedern 8 beaufschlagbar sind, die zwischen den beiden Stellscheiben 6 abgestützt sind. Die Kolben 7 greifen in im Gehäuse 1 ausgebildete Ringräume 9 ein, die mit einem Hydraulikmittel beaufschlagt werden können.
  • Die beiden Stellscheiben 6 sind mit gegensinnig geneigten Keilflächen 10 versehen an denen die Schmiedewerkzeuge 2, 3 mit entsprechenden Gegenflächen gleitfähig anliegen, sodass sich zwischen den Stellscheiben 6 und den Schmiedewerkzeugen entsprechende Keilgetriebe ergeben. Die Schmiedewerkezuge 2, 3 sind im Randbereich der Keilflächen 10 mit Führungsleisten 11 versehen, die in Führungsnuten 12 der Stellscheiben 6 eingreifen. Werden die Stellscheiben 6 über die Kolben 7 mit einer Druckkraft beaufschlagt, so werden sie gegeneinander bewegt, was eine Gleitbewegung der Schmiedewerkzeuge 2, 3 gegenüber den Keilflächen 10 der Stellscheiben 6 mit der Wirkung zur Folge hat, dass die Schmiedewerkezuge 2, 3 einen radialen Umformhub ausführen. Mit der Entlastung der Kolben 7 werden die Stellscheiben 6 durch die Rückstellfedern 8 in die Ausgangsstellung zurückbewegt, wobei die entlang der Keilflächen 10 geführten Schmiedewerkzeuge 2, 3 einen Leerhub ausführen.
  • Das die beiden Stellscheiben 6 umfassende Gestell 4 kann mithilfe eines Schrittantriebs 13 zwischen den Umformhüben des Keilgetriebes um einen Drehschritt gedreht werden. Der Schrittantrieb 13 umfasst gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein von einem Schrittmotor 14 angetriebenes Ritzel 15, das mit einem Zahnkranz 16 kämmt, der mit einem der beiden Stellscheiben 6 verbunden ist. Es ist aber auch jeder andere Drehschrittantrieb möglich. Der Gießstrang 17 kann somit durch die einander paarweise gegenüberliegenden Schmiedewerkzeuge 2, 3 hinsichtlich seines Querschnitts reduziert werden, wobei zwischen den Umformhüben das Gestell 4 um einen Drehschnitt gedreht wird, um eine schrittweise Bearbeitung des Gießstrangs 17 entlang einer Schraube um die Schmiedeachse 5 sicherzustellen.
  • Wie der Fig. 3 entnommen werden kann, wird der Gießstrang 17 während des Gießens mit der Wirkung gekühlt, dass sich eine feste Schale 18 um den flüssigen Kern 19 bildet. Auf den Gießbereich 20 folgt ein Kühlbereich, in dem Kühlflüssigkeit auf den Gießstrang 17 aufgesprüht wird. Dadurch tritt eine von außen nach innen fortschreitende Erstarrung des Gießstrangs 17 ein, wobei sich zwischen der flüssigen Phase 19 und der festen Schale 18 eine Mischphase 21 bildet, die in einem Sumpf 22 ausläuft dessen Spitze 23 die vollständige Durcherstarrung des Gießstrangs 17 anzeigt. Der Festphasenanteil im Bereich des Sumpfs 22 steigt folglich gemäß der Kurve 24 von 0 auf 100 % an. Die Festphasenanteile von 0 %, 20 %, 80 % und 100 % und die zugehörige Lage der Strangquerschnitte Q1, Q2, Q3 und Q4 sind in der Fig. 3 eingezeichnet.
  • Aufgrund der äußeren Kühlung des Gießstrangs 17 verläuft die Oberflächentemperatur des Gießstrangs 17 entsprechend der Kurve 25 der Fig. 3. Die Kerntemperatur wird durch die Kurve 26 verdeutlicht. Es zeigt sich, dass im Bereich der Enderstarrung die Kerntemperatur 26 gegenüber der Oberflächentemperatur 25 erheblich rascher abfällt. Dieser Temperaturgradient kann vorteilhaft dazu ausgenützt werden, den für eine erfindungsgemäße Soft-Reduktion vorteilhaften Längsabschnitt des Gießstrangs 17 festzulegen. Die Tiefenwirkung der Umformhübe der Schmiedewerkzeuge 2, 3 hängt nämlich unter anderem von der Temperaturdifferenz zwischen der Oberflächentemperatur 25 und der Kerntemperatur 26 ab. Durch eine Begrenzung dieser Temperaturdifferenz 27 auf ein für die Tiefenwirkung noch ausreichend wirksames Minimum, vorzugsweise von 300 K, kann somit ein Längsabschnitt begrenzt werden, außerhalb dessen eine Soft-Reduktion nicht mehr sinnvoll ist. Der Strangquerschnitt, in dem die Temperaturdifferenz 27 300 K beträgt, ist in der Fig. 3 mit Q5 bezeichnet.
  • Da bei einem flüssigen Kern über eine Querschnittsreduktion keine die Kernporosität beeinflussenden Kräfte auf den Kern ausgeübt werden können, kann erst mit einem entsprechend Festphasenanteil eine Soft-Reduktion des Gießstrangs 17 vorgenommen werden. Der Mindestanteil der Festphase kann in diesem Zusammenhang mit 80 % festgelegt werden. Dies bedeutet, dass gemäß der Fig. 3 sich ein Längsabschnitt 28 zur vorteilhaften Soft-Reduktion des Gießstrangs 17 ergibt, und zwar zwischen dem Strangquerschnitt Q3 mit einem Festphasenanteil von 80 % und einem Strangquerschnitt Q5, bei dem die Temperaturdifferenz 27 zwischen der Oberflächentemperatur 25 und der Kerntemperatur 26 300 K beträgt.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Bearbeiten eines im Querschnitt runden, metallischen Gießstrangs (17) durch eine Querschnittsreduktion im Enderstarrungsbereich mithilfe von wenigstens drei um den Umfang verteilten, zugleich auf den Gießstrang (17) einwirkenden Umformwerkzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießstrang (17) durch die Umformwerkzeuge bildende Schmiedewerkzeuge (2, 3) mit jedem Umformhub in einem Längsabschnitt umgeformt wird, der wenigstens einem Viertel des Strangdurchmessers vor der Querschnittsreduktion entspricht, und dass die Schmiedewerkzeuge (2, 3) zwischen den Umformhüben um einen Winkelschritt um die Achse des Gießstrangs (17) gedreht werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießstrang (17) durch die Schmiedewerkzeuge (2, 3) je Umformhub in einem auf die einzelnen Schmiedewerkzeuge (2, 3) aufgeteilten, sich auf die mittlere Breite der Kontaktflächen zwischen Schmiedewerkzeug und Gießstrang (17) beziehenden Umfangsbereich von mindestens 20° umgeformt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießstrang (17) in einem Längsabschnitt (28), der sich von einem Querschnitt des Gießstrangs (17) mit einem Festphasenanteil von 80 % bis zu einem Querschnitt erstreckt, in dem die Temperaturdifferenz (27) zwischen Kern (26) und Oberfläche (25) 300 K beträgt, durch die Schmiedewerkzeuge (2, 3) bearbeitet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Gießstrangs (17) durch die Schmiedewerkzeuge (2, 3) um mindestens 8 % reduziert wird.
  5. Vorrichtung zum Bearbeiten eines im Querschnitt runden, metallischen Gießstrangs (17) durch eine Querschnittsreduktion im Enderstarrungsbereich mithilfe von wenigstens drei rotationssymmetrisch bezüglich einer Schmiedeachse (5) angeordneten, im Gestell (4) einer Schmiedepresse gelagerten und mit einem Antrieb für zur Schmiedeachse (5) radiale Umformhübe verbundenen Schmiedewerkzeugen (2, 3), wobei das Gestell (4) um die Schmiedeachse (5) drehbar in einem Gehäuse (1) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell mit einem Schrittantrieb (13) zur Drehung um je einen Winkelschritt zwischen den Umformhüben verbunden ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell (4) zwei axial gegeneinander verschiebbare Stellscheiben (6) aufweist, die in axialer Richtung nach außen abfallende Keilflächen (10) eines Keilgetriebes für den radialen Hubantrieb bilden.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell (4) innerhalb des Gehäuses (1) axial verschiebbar gelagert und mit einem axialen Stellantrieb verbunden ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) der Schmiedepresse entlang einer Führung des Gießstrangs (17) verlagerbar ist.
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