Technisches Gebiet

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 44234 A1, 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 102011 012508 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 2733276 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 19700486 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 0239875 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. Darstellung der Erfindung

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 überraschenderweise, 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.

Kurze Beschreibung der Erfindung

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 ll-ll 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.

Wege zur Ausführung der Erfindung

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 27300 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 26300 K beträgt.