DE102011106313A1

DE102011106313A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kokillenrohrs

Info

Publication number: DE102011106313A1
Application number: DE102011106313A
Authority: DE
Inventors: Daniel Reinelt; Dietmar Kolbeck; Gerhard Hugenschütt
Original assignee: KME Germany GmbH
Current assignee: KME Special Products GmbH and Co KG
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2012-12-27
Also published as: CN103298574A; US20140137623A1; WO2013000555A3; EP2723519A2; RU2014102386A; CA2840514A1; WO2013000555A2; JP2014518156A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kokillenrohrs aus Kupfer oder einer Kupferlegierung für eine Stranggießkokille, wobei ein Vorrohr auf einen die Innenform der Kokille bestimmenden Dorn durch Krafteinwirkung von außen aufgeformt und nach dem Formvorgang der Dorn wieder aus dem Kokillenrohr (1, 1a) entfernt wird, wobei die Krafteinwirkung durch Relativbewegung des Vorrohrs zu einer das Vorrohr umschließenden Matrize erfolgt, wobei die Matrize eine formgebende Struktur für eine Kühlprofilierung (6, 6a; 7, 7a) an der Außenseite (5) des Kokillenrohrs (1, 1a) aufweist, so dass die Kühlprofilierung (6, 6a; 7, 7a) mittels der Matrize beim Aufformen des Vorrohrs auf den Dorn hergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kokillenrohrs aus Kupfer oder einer Kupferlegierung für eine Stranggusskokille gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Rohrförmige Kokillen aus Kupfer oder Kupferlegierungen zum Gießen aus Profilen aus Stahl oder anderen Metallen mit hohem Schmelzpunkt sind vielfach im Stand der Technik beschrieben worden. Kokillenrohre besitzen üblicherweise in einer horizontalen Querschnittsebene eine gleichmäßige Wanddicke, die in Strangrichtung aufgrund der Innenkonizität des Kokillenrohrs zunimmt. Die Innenkonizität ist an das Erstarrungsverhalten des Stranges und die Stranggussparameter angepasst. Der Wärmeabfluss ist vorwiegend zweidimensional ausgeprägt und führt zu einer stark unterschiedlichen Abkühlung des Stahlstranges. Dabei zeigt sich ein besonders starkes Schalenwachstum und Schrumpfverhalten des Stranges in den Ecken des Kokillenrohrs, da hier aufgrund des ungleichen Verhältnisses von Gießfläche zu Kühlfläche besonders große Wärmemengen abgeführt werden. In den Seitenflächen eines Kokillenrohrs ist die Kühlleistung aufgrund der annähernd gleichen Verhältnisse von Gießfläche zu Kühlfläche geringer als in den Eckbereichen. Gleichzeitig wird ein höherer Wärmestrom aufgeprägt. Dies führt zu einem reduzierten Schalenwachstum im Verhältnis zu den Eckbereichen.
Aufgrund der unterschiedlichen Abkühlungsverhältnisse innerhalb eines Kokillenrohrs ergibt sich ein unterschiedliches Strangschalenwachstum über den horizontalen Querschnitt. In der Folge entstehen Zug- und Druckspannungen in der Strangschale. Da die Festigkeit der Strangschale direkt nach der Erstarrung relativ niedrig ist, führen solche Spannungen leicht zu internen und externen Fehlern in Form von Rissen in den Knüppeln. Auch steigt das Risiko des Durchbruchs der Strangschale unterhalb der Kokille.
Es gibt daher Bemühungen, das Kokillenrohr auf eine über den horizontalen Querschnitt homogene als auch über die gesamte Verweilzeit des Stranges in der Kokille maximale Wärmeabfuhr zu optimieren. Dies ist umso wichtiger, da mit steigenden Gießgeschwindigkeiten die Wärmebelastungen der Kokillenrohre steigen. Es muss daher eine möglichst optimale Kühlung angestrebt werden, um Beschädigungen des Kokillenrohrs zu verhindern mit dem Ziel, die Standzeiten der Kokillenrohre zu erhöhen.
Eine höhere Wärmeabfuhr kann durch zusätzliche Kühlnuten erzielt werden, wie sie beispielsweise in der EP 1 792 676 A1 beschrieben werden. Die Kühlnuten sind in ihrer Tiefe und Anordnung an die abzuführende Wärmemenge angepasst, wobei die Eckbereiche des Kokillenrohrs ausgespart werden. Die Nuten werden durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt, da sie als Vertiefungen in der Oberfläche ausgebildet sind.
In der DE 36 15 079 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Durchlaufkokillen für Stranggussmaschinen beschrieben, bei welchem ein Rohr durch einen innenseitigen Dorn kalibriert wird und außenseitig durch eine Matrize gezogen wird, welche der Kokille ihre Außenkontur verleiht. Auf diese Weise können auch gekrümmte Kokillen hergestellt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kokillenrohrs aufzuzeigen, mit welchem Kokillenrohre mit optimierter Wärmeabfuhr kostengünstig hergestellt werden können. Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kokillenrohrs aus Kupfer oder einer Kupferlegierung sieht vor, dass ein Vorrohr auf einen die Innenform der Kokille bestimmenden Dorn durch Krafteinwirkung von Außen aufgeformt und nach dem Formvorgang wieder aus dem Kokillenrohr entfernt wird. Das Vorrohr wird dabei durch eine Matrize geführt, welche eine formgebende Struktur für eine Kühlprofilierung an der Außenseite des Kokillenrohrs aufweist, so dass die Kühlprofilierung mittels der Matrize beim Aufformen des Vorrohrs auf dem Dorn hergestellt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht mithin eine spanlose Fertigung der Kühlprofilierung vor, was durch eine spezielle formgebende Struktur in der Matrize erreicht wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich die Kühlprofilierung wesentlich schneller und wirtschaftlicher herstellen als durch spanabhebende Bearbeitung.
Selbstverständlich ist im Rahmen der Erfindung nicht ausgeschlossen, dass eine zusätzlich spanabhebende Bearbeitung durchgeführt wird, um lokale Anpassungen vorzunehmen, beispielsweise um Nuten einzufräsen, aber welche das Kokillenrohr innerhalb eines Wassermantels befestigt wird. Das grundlegende Prinzip basiert jedoch auf dem Ansatz, die Kühlprofilierung im Durchlaufverfahren durch spanlose Umformung herzustellen.
Dadurch kann sich die Kühlprofilierung vom oberen bis zum unteren Ende des Kokillenrohrs erstrecken. Hinsichtlich der exakten Ausgestaltung der Kühlprofilierung ist auf die von dem Strang abgeführte Wärme während der Verweilzeit im Kokillenrohr abzustellen.
Die Wärmeabfuhr leitet sich unter anderem aus der äußeren Oberfläche des Kokillenrohrs ab, die mit Kühlwasser in Berührung steht. Hierfür steht der mathematische Ansatz: Q = α × A × ΔT, wobei Q den Wärmefluss beschreibt, α den Wärmeübergangskoeffizient der Kokillenaußenfläche in das Kühlwasser und ΔT die Temperaturerhöhung des Kühlwasser während der Kühlphase entlang des Kokillenrohrs. Dabei verhält sich die abzuführende Wärmemenge proportional zur wärmeübertragenden Fläche. Durch Vergrößerung der Außenseite mittels der Kühlprofilierung kann mehr Wärme an die Umgebung, d. h. an das Kühlwasser abgegeben werden. Die Kühlprofilierung führt mithin zu einer Flächenvergrößerung, wobei diese Flächenvergrößerung durch die Struktur der Matrize festgelegt ist.
Erfindungsgemäß wird die Kühlprofilierung vorzugsweise mittels Ziehen des Vorrohrs durch die Matrize hergestellt. Dabei können die Eckbereiche des Kokillenrohrs ausgespart werden, um die wärmeübertragende Fläche in diesem Bereich nicht zusätzlich noch zu vergrößern. Die Kühlprofilierung selbst kann als Rillenprofil mit einer gewellten Struktur oder als Zick-Zack-Profil ausgebildet sein. Eine gewellte Profilierung oder auch eine Zickzack-Profilierung lässt sich beim Ziehen durch die Matrize einfacher realisieren als einzelne zueinander beabstandete Nuten mit beispielsweise rechteckigem Querschnitt.
Im Rahmen der Erfindung wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Kühlprofilierung mit einer Amplitudenhöhe in einem Bereich von 0,5 bis 5 mm hergestellt wird, wobei im Falle eines Zickzack-Profils ein Öffnungswinkel zwischen zwei benachbarten Zacken in einem Bereich von 15 bis 90° hergestellt wird und wobei im Falle eines Wellenprofils der Abstand zwischen zwei benachbarten Rillen 1 bis 14 mm beträgt.
In vorteilhafter Weiterbildung beträgt die Amplitudenhöhe 0,5 mm bis 1,5 mm. Der Öffnungswinkel liegt vorzugsweise in einem Bereich von 45° bis 60°.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich grundsätzlich auf alle bekannten Formen von Kokillenrohren übertragen, sei es, dass der Querschnitt kreisförmig, rechteckförmig oder quadratisch ist. Ebenso sind T-, doppel-, U- oder L-förmige Querschnittsprofile mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar.
Der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Dorn kann konisch geformt sein. Er kann ein oder mehrteilig ausgebildet sein. Der Dorn selbst kann auch gekrümmt sein, so dass Kokillenrohre für Kreisbogenstranggussmaschinen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung durch den Wandbereich eines Kokillenrohrs mit einer einer Zickzack-förmigen Kühlprofilierung;
2 eine Schnittdarstellung durch den Randbereich eines Kokillenrohrs mit einer gewellten Kühlprofilierung und
3 eine perspektivische Ansicht des Eckbereichs eines Kokillenrohrs.
1 zeigt einen Ausschnitt eines Kokillenrohrs 1. Konkret handelt es sich um ein Viertel eines Kokillenrohrs, das in der kompletten Darstellung einen rechteckigen Innenraum begrenzt. Das Kokillenrohr 1 besitzt daher einen Eckbereich 2 sowie Seitenwände 3, 4, wobei die in der Bildebene obere Seitenwand 3 länger ist als die in der Bildebene rechte Seitenwand 4.
Das dargestellte Kokillenrohr 1 besteht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und ist durch Ziehen eines nicht näher dargestellten Vorrohrs durch eine Matrize hergestellt. Dabei wurde das Vorrohr auf einen ebenfalls nicht näher dargestellten Dorn aufgeformt. Durch Krafteinwirkung von außen mittels der Matrize wird die Innenkontur des Kokillenrohrs 1 ausgebildet. Die Geometrie der Matrize bestimmt die Außengeometrie des Kokillenrohrs 1. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt es wesentlich auf die Außengeometrie des Kokillenrohrs an. 1 zeigt, dass die Außenseite 5 in einigen Bereichen eine Kühlprofilierung 6, 7 aufweist und in anderen Bereichen nicht. Konkret ist der Eckbereich 2 bei diesem Ausführungsbeispiel glatt, d. h. ohne Kühlprofilierung ausgebildet. Die Kühlprofilierungen befinden sich nur im Bereich der Seitenwände 3, 4. Während die in der Bildebene obere Kühlprofilierung 6 der oberen Seitenwand 3 sich unmittelbar bis zum Beginn des Eckbereichs 2 erstreckt, d. h. dort aufhört, wo die Rundung des Eckbereichs 2 beginnt, befindet sich die Kühlprofilierung 7 der in der Bildebene rechten, kürzeren Seitenwand 4 in etwas größerem Abstand vom Eckbereich 2. Das heißt, der Eckbereich 2 geht zunächst in einen Bereich 8 über, in welchem die Außenseite 5 der Seitenwand 4 ungerundet und glatt ist. Erst dann beginnt die Kühlprofilierung 7.
Die Kühlprofilierungen 6, 7 sind identisch ausgebildet. Es handelt sich um Zickzack-Profile. Die Rillen bzw. Nuten des Zickzack-Profils sind insgesamt identisch ausgebildet. Sie besitzen eine einheitliche Amplitudenhöhe H, die in diesem Ausführungsbeispiel in einer Größenordnung von 0,5 bis 1,5 mm liegt und insbesondere 1 mm beträgt. Der Winkel W, der zwischen einander benachbarten Flanken zweier Zacken gemessen ist, liegt in einem Bereich von 15 bis 90°. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt er 60°.
Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich von derjenigen der 1 lediglich in der Gestalt der Kühlprofilierungen 6a, 7a. Die Kühlprofilierungen 6a, 7a sind nicht als Zickzack-Profil sondern als Wellenprofil ausgebildet. Die Amplitudenhöhe liegt in einem Bereich von 0,5 bis 5 mm und kann auch hier vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 bis 1,5 mm liegen, insbesondere 1 mm betragen. Es ist zu erkennen, dass beide Profilierungen 6a, 7a insgesamt gleichmäßig sind. Die einander benachbarten Rillen 9 zwischen zwei Wellenbergen 10 sind alle im gleichen Abstand angeordnet. Der Abstand beträgt 1 bis 14 mm. Der dargestellte Winkel W1 zwischen den Flanken beträgt wiederum 60°.
3 zeigt in perspektivischer Ansicht den Eckbereich 2 des in 1 dargestellten Kokillenrohrs 1. Der Eckbereich 2 ist an seiner Außenseite 5 glatt, während eine Kühlprofilierung 6 an der in der Bildebene linken Seitenwand 3 ausgebildet ist. In der Bildebene oberhalb der Kühlprofilierung 6 befindet sich eine Quernut 11, als Einfräsung in der Seitenwand 3. Eine weitere Quernut 12 befindet sich in der anderen Seitenwand 4. Die Quernuten 11, 12 ragen bis in den Eckbereich 2 hinein. Über die Quernuten 11, 12 kann das Kokillenrohr 1 fixiert werden. In der Bildebene oberhalb der Quernuten 11, 12 ist keine Kühlprofilierung mehr angeordnet. Die Kühlprofilierung kann beispielsweise durch spanabhebende Bearbeitung entfernt worden sein, um eine glatte Oberfläche für eine Abdichtung des Kokillenrohrs 2 in einem Wasserkasten zu schaffen.
Bezugszeichenliste

1: Kokillenrohr
1a: Kokillenrohr
2: Eckbereich
3: Seitenwand
3a: Seitenwand
4: Seitenwand
4a: Seitenwand
5: Außenseite
6: Kühlprofilierung
6a: Kühlprofilierung
7: Kühlprofilierung
7a: Kühlprofilierung
8: Bereich
9: Rille
10: Wellenberg
11: Quernut
12: Quernut
W: Winkel
W1: Winkel
H: Amplitudenhöhe
H1: Amplitudenhöhe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1792676 A1 [0005]
DE 3615079 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kokillenrohrs aus Kupfer oder einer Kupferlegierung für eine Stranggießkokille, wobei ein Vorrohr auf einen die Innenform der Kokille bestimmenden Dorn durch Krafteinwirkung von außen aufgeformt und nach dem Formvorgang der Dorn wieder aus dem Kokillenrohr (1, 1a) entfernt wird, wobei die Krafteinwirkung durch Relativbewegung des Vorrohrs zu einer das Vorrohr umschließenden Matrize erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize eine formgebende Struktur für eine Kühlprofilierung (6, 6a; 7, 7a) an der Außenseite (5) des Kokillenrohrs (1, 1a) aufweist, so dass die Kühlprofilierung (6, 6a; 7, 7a) mittels der Matrize beim Aufformen des Vorrohrs auf den Dorn hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlprofilierung (6, 6a; 7, 7a) mittels Ziehen des Vorrohrs durch die Matrize hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlprofilierung (6, 6a; 7, 7a) unter Aussparung von Eckbereichen (2) des Kokillenrohrs (1, 1a) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlprofilierung (6a, 7a) als Rillenprofil mit einer gewellten Struktur ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlprofilierung (6, 7) als Zick-Zack-Profil ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlprofilierung (6, 6a; 7, 7a) mit einer Amplitudenhöhe (H, H1) in einem Bereich von 0,5 bis 5 mm hergestellt wird, und wobei im Falle eines Zick-Zack-Profils ein Öffnungswinkel (W) zwischen zwei benachbarten Zacken in einem Bereich von 15° bis 90° hergestellt wird und wobei im Falle eines Wellenprofils der Abstand zwischen zwei benachbarten Rillen (9) 1 mm bis 14 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlprofilierung (6, 6a; 7, 7a) mit einer Amplitudenhöhe (H, H1) in einem Bereich von 0,5 mm bis 1,5 mm hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (W, W1) in einem Bereich von 45° bis 60° liegt.