Auf dem Gebiet des Stranggießens von metallischen Schmelzen ist die Verwendung von Kokillen bekannt. Aufgrund der hohen Temperaturen der metallischen Schmelzen sowie einer möglichst kontinuierliche Betriebsweise werden hierbei hohe Anforderungen an die Kokille gestellt, um eine ausreichende Kühlung der metallischen Schmelze zu erreichen, damit beim Verlassen der Kokille ein Strang mit einer ausreichend feste Schale entsteht.

Technischer Hintergrund (Background Art)

Beim Stranggießen werden metallische Schmelzen mit Hilfe von wassergekühlten Kokillen zu Brammen erstarrt. Bei einer Kokille handelt es sich in den meisten Fällen um einen Kasten mit einer oberen Eintritts- und einer unteren Austrittsöffnung, wobei die inneren Flächen meist durch Kokillenplatten gebildet sind, die außen von einer Kühleinrichtung, oft auch Wasserkasten genannt, umgeben sind. Die Schmelze wird durch ein Tauchrohr in die Kokille eingeleitet, wobei diese bei Kontakt mit den gekühlten Kokillenwänden von außen nach innen allmählich erstarrt. Auf Höhe des Gießspiegels treten dabei die höchsten Wärmestromdichten auf, da in diesem Bereich noch keine bzw. die sich bildende Strangschale eine geringe Dicke aufweist.

Neben einer Änderung der Oberflächenstruktur oder veränderter Gießpulver sind im Stand der Technik Veränderungen an der in der Regel einstückigen Kokillenplatte bekannt.

Beispielsweise ist aus DE 10 2007 028 064 AI bekannt, in eine Kokillenplatte aus Kupfer Wärmetransportelement einzusetzen, die eine gegenüber dem Kupfer höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um die Wärmeabfuhr aus der metallischen Schmelze zu beschleunigen beziehungsweise die abgeführte Wärme pro Zeiteinheit zu erhöhen. Hierdurch wird die Kühlleistung insgesamt erhöht.

Einen gleichen Ansatz verfolgt die US 3,612, 158 aus dem Stand der Technik.

Aufgrund der enormen Temperaturunterschiede kommt es bei der Erstarrung im Bereich des Gießspiegels jedoch zu spannungsinduzierter Rissbildung und damit zu qualitativer Beeinträchti- gung am Endprodukt. Neben der qualitativen Beeinträchtigung des Erzeugnisses, ist die Belastung des Kokillenmaterials erheblich.

Zusammenfassung der Erfindung (Summary of Invention)

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, durch das vor allem hinsichtlich der Oberfläche qualitativ hochwertige Stranggussprodukte, insbesondere ohne Rissbildung, hergestellt werden können.

Weitere Aufgaben der Erfindung liegen in Verbesserung der Prozesssicherheit, Kosten und Standzeiten.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Kokillenplatte gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 aufweist, insbesondere wenn diese nach einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12 verwendet wird.

Erfindungsgemäß ist eine Kokillenplatte für eine Kokille einer Stranggießanlage mit einem Grundkörper, welcher auf einer Seite eine Arbeitsfläche zur Wärmeaufnahme aus in die Kokille gegossenem Metall und auf der gegenüberliegenden Seite eine Kühlfläche zur Wärmeabgabe an eine Kühleinrichtung umfasst, wobei der Grundkörper einen ersten Wärmeleitkoeffizienten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Grundkörper ein Ersatzmaterial mit einem zweiten Wärmeleitkoeffizienten angeordnet ist, welcher geringer als der erste Wärmeleitkoeffizient ist. Für den Grundkörper wird beispielsweise eine Kupferlegierung verwendet. Als Ersatzmaterial eigenen sich beispielweise hochlegierte Stähle, insbesondere alle nichtrostende, wärmebeständige, korrosionsbeständige und/oder warmfeste Stähle. Hierdurch entsteht der Effekt, dass die Wärmeleitfähigkeit der Kokillenplatte, an der oder den Stellen an denen Ersatzmaterial vorgesehen ist, verringert wird. Ein weiterer Vorteil liegt in der im allgemeinen höheren Verschleißbeständigkeit eines Ersatzmaterials mit einem geringeren zweiten Wärmeleitkoeffizienten gegenüber dem Grundkörper, wodurch vor allem in Bereichen mit hoher thermischer Belastung auch die auftretende höhere mechanische Belastung entgegengewirkt werden kann. Hierdurch kann die Standzeit der Kokillenplatte und der Kokille als Ganzes verlängert werden. Die Wärmeleitfähigkeit wird zum einen durch den gewählten Werkstoff des Ersatzmaterials bestimmt. Zum anderen spielt die geometrische Anordnung, bzw. das Dickenverhältnis der eingesetzten Paarung von Grundkörper und Ersatzmaterial zwischen Schmelze und Kühlkanal eine Rolle. Hier kann beliebig, oder auch gezielt variiert werden. Bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Kokillenplatten sind dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzmaterial bündig mit der Arbeitsfläche abschließt. Dadurch wird das teilerstarrte Metall in der Kokille nicht durch Unebenheiten der Kokillenplatte beziehungsweise Unebenheiten der Arbeitsfläche beeinflusst. Eine Vermeidung von Unebenheiten auf der Arbeitsfläche ist für nachfolgende Prozessschritte von Vorteil. Denn es wird eine ebene Arbeitsfläche, im Wesentlichen ohne Vertiefungen und Erhöhung, bereitgestellt, wodurch keine Unebenheiten auf das gegossene, teilerstarrte Metall übertragen werden.

Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Kokillenplatte sind dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzmaterial in Bereichen mit hoher thermischer Belastung vorgesehen ist. Hierdurch wird die Wärmeleitfähigkeit in diesen Bereichen und somit die Wärmestromdichte, also die Menge der abgeführten Energie, reduziert. Entgegen dem Stand der Technik, bei dem, insbesondere in den hoch thermisch belasteten Bereichen, eine möglichst schnelle Abkühlung in der Kokille gewünscht ist, wird die Wärmeleitfähigkeit in zumindest einem dieser Bereiche verringert. Mit dieser Maßnahme wird die Wärmestromdichte über die Fläche der Kokillenplatte ausgeglichener und somit der Temperaturunterschied zwischen Kokillenplatte und metallischer Schmelze beziehungsweise Strangschale geringer. Aufgrund des verringerten Temperaturunterschiedes wird auch eine Rissbildung in der Strangschale vermieden.

Erfindungsgemäße Ausführungsformen der Kokillenplatte sind dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzmaterial im Bereich des Gießspiegels, des Tauchrohrs, der seitlichen Ränder und/oder dem Austrittsbereich angeordnet ist. Da dies die Bereiche mit einer hohen thermischen und/oder mechanischen Belastung sind, weist Ersatzmaterial dort die zuvor beschriebenen Vorteile auf.

Ausführungsformen erfindungsgemäßer Kokillenplatten sind dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzmaterial als Streifen ausgebildet ist, der sich zumindest über einen Teil der Breite der Kokillenplatte erstreckt. Derartige Ausbildungen weisen den Vorteil auf, dass das Ersatzmaterial plat- tenförmig bereitgestellt und einfach in Ausnehmungen, welche in die Kokillenplatte eingebrachte wurden, befestigt werden kann. Die Befestigung kann durch Verbindungsmittel, wie Schrauben und dergleichen, und/oder Formschluss mittels Nuten und in diese eingreifende, entsprechend geformte, Formstücke erfolgen. Die Streifen können nur einen Teil der Breite der Kokillenplatte ersetzen oder sich, insbesondere im Bereich des Gießspiegels, auch über die komplette Breite der Kokillenplatte erstrecken. In erfindungsgemäßen Ausführungsformen der Kokillenplatte ist das Ersatzmaterial zylindrisch ausgebildet und passgenau in einer entsprechenden Bohrung im Grundkörper angeordnet. Eine zylindrische Form des Ersatzmaterials ist, insbesondere für die Fertigung einer solchen Kokillenplatte vorteilhaft. Eine Bohrung zur Einpassung des zylindrischen Ersatzmaterials in den Grundkörper kann einfach mittels eines Bohrers bereitgestellt werden. Das Ersatzmaterial kann dann passgenau im Grundkörper fixiert werden. Dies kann insbesondere durch eine Presspassung geschehen. Ein weitere Vorteil des zylindrisch ausgebildeten Ersatzmaterials liegt darin, dass durch Variierung der Durchmesser und/oder Anzahl pro Flächenabschnitt der Ersatzmaterialien die Wärmeleitfähigkeit und somit die Wärmestromdichte in den Flächenabschnitten eingestellt und ein sprunghafte Wechsel zwischen Flächenabschnitten vermieden werden kann. Neben einer zylindrischen Form sind auch andere Querschnittsprofile möglich, wobei in diesen Fällen jedoch unter Umständen der Vorteil der leichten Herstellbarkeit entfällt.

In Ausführungsformen ist die Kokillenplatte, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfläche vollflächig vom Grundkörper gebildet wird. Das Ersatzmaterial weißt hierbei eine Dicke auf, die geringer als die Dicke des Grundkörpers ist. Die Kühlfläche weist dadurch den Vorteil einer einheitlichen Oberfläche auf, wodurch ein guter Wärmeübergang an das Kühlmedium der Kühleinrichtung erfolgt, welche mit der Kühlfläche verbunden wird. Aufgrund der einheitlichen Fläche werden Probleme hinsichtlich der Abdichtung bei einem flüssigen Kühlmedium vermieden, welches direkt mit der Kühlfläche in Kontakt steht, und die Wärmestromdichte auf der Kühlfläche wird gleichmäßiger.

Kokillenplatte sind in erfindungsgemäßen Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Grundkörpers einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und das Ersatzmaterial einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und dass der erste und zweite Wärmeausdehnungskoeffizient einen um maximal 10% voneinander abweichenden Wert aufweisen. Insbesondere im Temperaturbereich im Betrieb, also der Temperatur der metallischen Schmelze und dem Erstarrungstemperaturbereich darunter, weisen das Material des Grundkörpers und des Ersatzmaterials einen Wärmeausdehnungskoeffizient in einer ähnlichen Größenordnung auf. Die Wärmeausdehungskoeffizienten unterscheiden sich um maximal 10% voneinander, beispielsweise bei einem Grundkörper aus einer Kupferlegierung mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten von ca. 16,5*10 ⁶ 1/K liegt der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient des Ersatzmaterials im Bereich von 15*10 ^~6 bis 18*10 ^~6 1/K. Hierdurch werden Beschädigungen am Grundkörper oder dem Ersatzmaterial aufgrund der unterschiedlichen Materialausdehnung entstehenden Spannungen vermieden.

Bevorzugte Ausführungen erfindungsgemäßer Kokillenplatten sind dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient größer oder gleich dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizient ist. Idealerweise weisen Grundkörper und Ersatzmaterial einen gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wodurch Spannungen vermieden werden. Um das Ersatzmaterial während des Betriebs im Grundkörper zu sichern, ist auch ein etwas größerer Wärmeausdehnungskoeffizient des Ersatzmaterials vorteilhaft, da hierdurch eine Presspassung erzeugt beziehungsweise verstärkt werden kann. Hierbei sollte der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient, wie oben bereits ausgeführt, nicht mehr als 10% größer als der erste Wärmeausdehnungskoeffizient sein.

Der Grundkörper ist in erfindungsgemäßen Ausführungsformen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt, wie auch bei aus dem Stand der Technik bekannten Kokillenplatten. Als Ersatzmaterial eignen sich bevorzugt hochlegierte Stähle, insbesondere warmfeste beziehungsweise wärmebeständige sowie korrosionsbeständige Stahllegierungen. Durch das Ersatzmaterial wird die verwendete Menge an Kupfer reduziert. Hierdurch wird bereits durch den teilweisen Materialwechsel eine Kostenersparnis erreicht, indem der Kupfer-Anteil geringer wird. Die Standzeit der Kokillenplatte wird ebenfalls erhöht, da gerade in den thermisch hochbelasteten Bereichen das Kupfer durch ein verschleißbeständigeres Ersatzmaterial ersetzt wird. Somit wird eine weitere Kostenersparnis aufgrund der längeren Standzeiten erreicht.

Weiter sind Kokillen einer Stranggießanlage erfindungsgemäß, welche eine der zuvor beschriebenen Kokillenplatte aufweisen.

Eine Stranggießanlage umfassend eine zuvor beschriebene Kokille ist ebenfalls Teil der Erfindung.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Kokille einer Stranggießanlage, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass mittels in einer Kokillenplatte eingebettetem Ersatzmaterial mit einem zweiten Wärmeleitkoeffizienten, welcher geringer ist als der erste Wärmeleitkoeffizient des Grundkörpers der Kokillenplatte, die Wärmestromdichte der Kokillenplatte im Bereich hoher thermischer Belastung reduziert wird. Wie oben zur Kokillenplatte beschrieben, wird hierdurch der Temperaturunterschied und somit die Abkühlgeschwindigkeit zwischen metallischer Schmelze und Kokille verringert. Somit verläuft die Wärmestromdichte gleichmäßiger über die durchlaufene Höhe der Kokille, was Spannungsrisse in der entstehenden Strangschale vermeidet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen (Brief Description of Drawings)

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleichartige Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Einzelnen zeigen:

Fig. la eine schematische Darstellung einer Kokillenplatte mit Kühlvorrichtung nach dem

Stand der Technik,

Fig. lb eine schematische Darstellung des Verlaufs der Wärmestromdichte über die Höhe der Kokillenplatte gemäß Fig. la,

Fig. 2a eine schematische Darstellung einer Kokillenplatte mit Kühlvorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 2b eine schematische Darstellung des Verlaufs der Wärmestromdichte über die Höhe der Kokillenplatte gemäß Fig. 2a,

Fig. 3a eine schematische Darstellung einer Kokillenplatte mit Kühlvorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 3b eine schematische Darstellung des Verlaufs der Wärmestromdichte über die Höhe der Kokillenplatte gemäß Fig. 3a und

Fig. 4 Verteilung der Wärmestromdichte über die Fläche einer Kokillenplatte gemäß

Fig. la. Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen (Best Mode for Carrying out the Inven- tion)

Fig. la zeigt eine einteilig ausgeführte Kokillenplatte (1), wie im Stand der Technik üblich, welche mit einer Kühlvorrichtung (8) verbunden ist. Die Kokillenplatte (1) weist an ihrer mit der metallischen Schmelze in Kontakt kommenden Seite eine Arbeitsfläche (2) auf. Die der Arbeitsfläche (2) gegenüberliegende Kühlfläche (3) der Kokillenplatte (1) ist mit der Kühlvorrichtung (8) verbunden, weshalb das Bezugszeichen auf die Verbindungsebene verweist.

Fig. lb stellt schematisch den Verlauf der Wärmestromdichte über die Höhe der Kokillenplatte (1) gemäß Fig. la dar. Die Achsen sind hierbei mit h für die Höhe der Kokillenplatte (1) als y-Achse und die x-Achse mit q für die Wärmestromdichte bezeichnet. Wie deutlich erkennbar steigt die Wärmestromdichte im oberen Bereich, der dem Gießspiegel der metallischen Schmelze entspricht sehr schnell an bis auf ein Maximum und fällt nach unten hin deutlich ab. Der schnelle Anstieg ist durch den Gießspiegel und der Tatsache, dass darüber keine metallische Schmelze vorhanden ist, klar. Der starke Abfall der Wärmestromdichte ist zum einen durch die bereits teilweise erfolgte Abkühlung sowie dem sich verschlechternden Wärmeübergang aufgrund der sich bildenden Strangschale begründet.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform ist in Fig. 2a gezeigt. Hierbei ist wie zu Fig. la beschrieben, eine Kokillenplatte (1) mit einer Arbeitsfläche (2) und einer Kühlfläche (3) dargestellte, die mit einer Kühlvorrichtung (8) verbunden ist. Die Kokillenplatte (1) ist hierbei jedoch aus einem Grundkörper (4) gebildet, in den im Bereich des Gießspiegels ein Streifen aus einem Ersatzmaterial (5) eingesetzt ist. Das Ersatzmaterial (5) schließt hierbei bündig mit der Arbeitsfläche (2) ab. In der dargestellten Ausführungsform wird die Kühlfläche (3) vollflächig von dem Grundkörper (4) gebildet und das Ersatzmaterial (5) erstreckt sich nur über einen Teil der Dicke der Kokillenplatte (1).

Fig. 2b stellt entsprechend den schematischen Verlauf der Wärmstromdichte über die Höhe der Kokillenplatte (1) gemäß Fig. 2a dar. Im Vergleich zu Fig. lb ist deutlich erkennbar, dass das Maximum im Bereich des Gießspiegels deutlich geringer ausfällt und sich eine gleichmäßigere, annähernd lineare, Abnahme der Wärmestromdichte einstellt. Somit erfolgt eine gleichmäßigere Abkühlung der metallischen Schmelze, was zu einer Vermeidung von Spannungsrissen in der Strangschale beiträgt. In Fig. 3a ist ebenfalls ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst ebenfalls eine Kokillenplatte (1) mit einer Arbeitsfläche (2) und einer Kühlfläche (3), wobei die Kokillenplatte (1) mit einer Kühlvorrichtung (8) verbunden ist. Der Grundkörper (4) der Kokillenplatte (1) ist in dieser Ausführungsform mit Bohrungen (7) versehen, in die zylindrisch geformtes Ersatzmaterial (6) eingepasst ist. Das Ersatzmaterial (5) schließt auch hier bündig mit der Arbeitsfläche (2) ab. Die Bohrungen (7) beziehungsweise das zylindrische Ersatzmaterial (6) sind in der dargestellten Ausführungsform vor allem im Bereich des Gießspiegels gleichmäßig verteilt vorgesehen. Zylindrisch ist hierbei allerdings nicht auf rein runde Geometrien beschränkt, wobei runde Querschnitte fertigungstechnische Vorteile aufweisen. Vielmehr kann das Ersatzmaterial (6) und entsprechend die Bohrung (7) einen polygonen, elliptischen oder sonstig beliebig geformten Querschnitt aufweisen. Alternativ kann die Verteilung der Bohrungen (7) auch den Gegebenheiten angepasst werden, und beispielsweise die Anzahl pro Flächeneinheit und/oder der Durchmesser des Ersatzmaterials (6) variiert werden. Genauso können in weiteren Bereichen mit hoher thermischer Belastung (9) zusätzliche Bohrungen (7) mit eingepass- tem Ersatzmaterial (6) vorgesehen werden.

Analog zu den Fig. lb und 2b zeigt Fig. 3b den Verlauf der Wärmestromdichte über die Höhe einer Kokillenplatte (1) für eine Ausführungsform gemäß Fig. 3a. Es wird ein gleichartiger Effekt, wie bei Fig. 2b beschrieben erreicht, wobei das Maximum verglichen mit einer Ausführungsform mit Streifen leicht höher sein kann, jedoch dieses über einen breiteren Höhenbereich verteilt werden kann.

Fig. 4 zeigt eine Verteilung der Wärmestromdichte über die Fläche, insbesondere Arbeitsfläche, einer einstückigen Kokillenplatte (1) nach dem Stand der Technik, wie auch in Fig. la dargestellt. In dieser Darstellung sind deutlich Bereich mit hoher thermischer Belastung (9) erkennbar. Dieser verteilen sich insbesondere über die Breite entlang des Gießspiegels beziehungsweise auf Höhe des Auslasses des Tauchrohrs (10), welcher der in der weiteren Beschreibung verwendeten Formulierung des Bereichs des Gießspiegels entspricht. Im Bereich des Tauchrohrs (10) liegt die höchste Thermische Belastung vor, da an dieser Stelle die metallische Schmelze in die Kokille eintritt. Weitere thermisch hoch belastete Bereiche sind an den Randbereichen erkennbar.

Die verschiedenen Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar und nicht nur auf die beschriebenen oder dargestellten Beispiele von Ausführungsformen beschränkt. So kann sich streifenförmiges Ersatzmaterial auch nur über einen Teil der Breite der Kokillenplatte erstre- cken und/oder eine variable Streifenbreite aufweisen. Auch Kombinationen von streifenförmigem und zylindrischem Ersatzmaterial sind möglich.

Bezugszeichenliste

1 Kokillenplatte

2 Arbeitsfläche

3 Kühlfläche

4 Grundkörper

5 Ersatzmaterial (Streifen)

6 Ersatzmaterial (Zylinder)

7 Bohrung

8 Kühleinrichtung

9 Bereich hoher thermischer Belastun

10 Tauchrohr q Wärmestromdichte

h Höhe der Kokillenplatte