Condrop-Kokillentechnologie für besseren Wärmeaustausch Hohe Stahlqualität im Stranggiessprozess

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In Zentrum von Zürich, in der Nähe des Bürkliplatzes, agieren 160 Spezialisten der SMS group. Der folgende Beitrag zeigt auf, welches werkstoff- und verfahrenstechnische Know-how die Zürcher Spezialisten entwickelt haben, um ein prozesssicheres Stranggussverfahren zu realisieren.

Seit 2002 stellt SMS Concast selbst Kokillen her. Die formgebende Kokille ist das Herzstück einer jeden Stranggiessanlage. Die Kokillen werden in zwei Werkstätten in der Schweiz und in Kanada gefertigt. Dabei fliesst das gesamte metallurgische Wissen des Unternehmens in die Herstellung von massgeschneiderten Kokillenrohren. Somit erhält der Kunde Kokillen mit optimaler Geometrie und Oberfläche für seine Produktion. Weitere Dienstleistungen rund um das Kokillenrohr umfassen die Prozessanalyse, um Verbesserungspotential beim Stranggiessen aufzuzeigen, sowie die bis zu fünfmalige Aufarbeitung gebrauchter Kokillenrohre.

Der Stranggiessprozess

Der Stranggiessprozess dient der Überführung einer flüssigen Stahlschmelze in den erstarrten Zustand. In der Kokille wird die Primärerstarrung vollzogen, die neben der Formgebung des Endprodukts auch für die Beeinflussung der Produktqualität massgeblich ist. Die wichtigsten Faktoren während der Primärerstarrung sind die verwendeten Kokillenmaterialien sowie deren Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit, die Kühlstrategie und die Schmierung zwischen der Strangschale und der Kokille.

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Rhomboidität: Qualitätsmerkmal des Giess­produkts

Alle oben genannten Faktoren haben einen starken Einfluss auf den Wärmeentzug aus dem Stahl und somit auch auf die entstehende Strangschalenbildung, Stahlstruktur und -qualität. Ein wichtiges Qualitätsmerkmal des Giessprodukts ist die Rhomboidität und wird durch einen ungleichmässigen Wärmeentzug während der Primärerstarrung im Meniskusbereich der Kokille verursacht. Die neuartige Condrop-Kokillentechnologie wirkt durch gezielte Beeinflussung des Wärmeentzugs der Entstehung von Rhomboidität entgegen und kann die Produktqualität nachhaltig verbessern.

Rhomboidität im Strangguss

Rhomboidität ist ein verbreitetes Phänomen im Strangguss und entsteht während der Primär­erstarrung im Meniskusbereich, bis ca. 150 mm unterhalb des Giessspiegels der Kokille. Die Ursache liegt im ungleichmässigen Wärmeentzug der Stahlschmelze bzw. der soeben erstarrten Strangschale, die zu einer ungleichmässig ausgeprägten Schalendicke führt.

Als Konsequenz der Erstarrungskontraktion kommt es nun zu lokalen Spannungen, die zur Verformung der Strangschale und somit der Rhomboidität führen. Neben der unerwünschten Deformation des Gussprodukts können weitere qualitätsmindernde Defekte wie Oberflächen- und Innen­risse oder im schlimmsten Fall ein Giessabbruch resultieren.

Ursachen von ungleichmässigem Wärmeentzug im Meniskusbereich

Ein ungleichmässiger Wärmeentzug im Meniskusbereich der Kokille kann durch verschiedene Einflüsse begünstigt werden. Dies sind auf der dem Strang zugewandten Seite der Kokille unter anderem:

• Kokillendeformation: verursacht durch unzureichende Materialauswahl und Kühlung sowie lange Einsatzzeiten begünstigt diese einen Verlust oder eine Verstärkung des Kontakts zwischen Kokille und Strangschale und somit einen ungleichmässigen Wärmeentzug.

• Kokillengeometrie: die Kokilleninnengeometrie ist nicht der zu erwartenden Schrumpfung des Stahls während der Primärerstarrung angepasst, wodurch Kontaktverlust (Luftspaltbildung) oder Falt­effekte in der Strangschale auftreten können.

• Schmierung: eine ungleichmässige Schmierung des Stranges infolge inkorrekter Giesspulver- oder Ölauswahl sowie unzureichender Zuführung der genannten Giesshilfsmittel führt lokal zu ungleichmässigem Wärmeentzug.

• Badspiegelfluktuationen: sie begünstigen eine ungleichmässige Schmierung durch Giesspulver oder Öl sowie eine ungleichmässige, effektive Erstarrungslänge, die zu lokalen Unterschieden des Primärerstarrungsprozesses führt.

Auf der dem Strang abgewandte Seite der Kokille (Wasserseite) sind dies unter anderem:

• Ablagerungen von Mineralstoffen aus dem Kühlwasser infolge unzureichender Wasserqualität, die einen Einfluss auf die effektive lokale Wärmestromdichte haben.

• Luftspaltbildung auf der äusseren Kokillenwand infolge unzureichender Wasserdurchflussmengen und -geschwindigkeiten – bei Erreichen des Siedepunkts wird ein isolierender Dampffilm zwischen Wasser und Kokille gebildet, der die Wärmestromdichte lokal herabsetzt und somit den Wärmeentzug erniedrigt.

Aufgrund der vorherrschenden Bedingungen ist der Wärmeentzug im Meniskusbereich der Kokille besonders hoch und somit auch das Strangschalenwachstum stärker als im weiteren Bereich der Primärerstarrung. Somit kommt der Kontrollierung und Beeinflussung des Wärmeentzugs durch geeignete Massnahmen in diesem Bereich eine besondere Bedeutung zu.

Die Condrop-Kokillentechnologie von SMS Concast liefert hier eine effiziente Lösung zur gezielten Steuerung des Wärmeentzugs im Meniskusbereich der Stranggiesskokille, die im folgenden Abschnitt detailliert erläutert wird.

Condrop-Kokillentechnologie

Das Ziel der Condrop-Technologie ist die Reduzierung und Homogenisierung des lokalen Wärme­entzugs im Meniskusbereich der Stranggiesskokille.

Durch die neuartige Konstruktionsweise wird zunächst die Strangschalenbildung reduziert und somit das Risiko für eine auftretende Rhomboidität. Im weiteren Verlauf der Primärerstarrung wirkt sich der resultierende verbesserte Kontakt zwischen Strang und Kokille verstärkend auf die Schalenbildung aus. Somit kann zum einen die Rhomboidität effektiv minimiert werden und zum anderen eine sichere Vergiessbarkeit des Stahls im weiteren Prozessverlauf gewährleistet werden.

Die Condrop-Technologie sieht vor, eine Serie ovaler oder ähnlich geformter Einbuchtungen im Meniskusbereich der Kokilleninnenseite zu platzieren. Die Einbuchtungen werden mithilfe einer CNC-Maschine gefräst und zeigen daher keine harten Übergänge, die einen abrasiven Einfluss auf die Strangoberfläche haben könnten. Die Anzahl, die Position sowie die Grösse und Form der Einbuchtungen wird dabei variabel auf die zu vergiessenden Stahlgüten und deren Erstarrungseigenschaften sowie die Giessprozessparameter abgestimmt, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Durch die Einbuchtungen wird die Gesamtkontaktfläche zwischen der Kokillenwand und der Strangschale verringert, da die Einbuchtung nicht durch die soeben gebildete rigide Strangschale ausgefüllt wird. Zudem wird der Wärmewiderstand im Meniskusbereich der Condrop-Kokille durch die entstehenden Lufteinschlüsse künstlich erhöht. Folglich werden der Wärmeentzug und die Strangschalenwachstumsgeschwindigkeit lokal reduziert. Das Bild unten verdeutlicht den Unterschied des Wärmeentzugs in der Kokille mit der Condrop-Technologie im Vergleich zu einer Standardkokille.

Wie zu erkennen ist, wird wiederum unterhalb des Meniskusbereichs der Wärmeentzug gegenüber der Standardkokille als Folge des verbesserten Kontakts zur Strangschale erhöht. Somit wird der Gesamtwärmeentzug während der Primärerstarrung in der Kokille nicht verringert. Die Schalenbildung ist somit im Meniskusbereich gegenüber einer Standardkokille geringer und im weiteren Verlauf stärker ausgeprägt.

Thermische Simulationen bestätigen den verlangsamenden Effekt der Condrop-Technologie auf die Strangschalenbildung im Meniskusbereich und den beschleunigenden Effekt darunter entlang der Kokille. Beide Effekte wirken der Entstehung von Rhomboidität entgegen.

Vorteile mit Condrop

Folgende Vorteile können durch Verwendung der Condrop-Technologie im Stranggiessprozess erzielt werden:

• Optimierter Wärmeentzug während der Primärerstarrung in der Kokille; Reduktion im Meniskusbereich, Erhöhung unterhalb des Meniskusbereichs bei gleichbleibendem Gesamtwärmeentzug.

• Kontrollierte und homogenere Strangschalenbildung infolge des optimierten Wärmeentzugs gegenüber Standard-Stranggusskokillen.

Daraus ergeben sich eine verbesserte Produktqualität und Prozessstabilität infolge reduzierter Rhomboidität. Zudem ergeben sich verlängerte Einsatzzeiten und eine geringere Verformung der Kokille aufgrund der verminderten Arbeitstemperatur im Meniskusbereich. SMM

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