Verwendung einer modifizierten Kokillenoberfläche zur Vermeidung von längsrissbasierten Schalenfehlern in einer Dünnbrammengießanlage

Dresler, Matthias GND

Moderne Stahlprodukte müssen hinsichtlich ihrer Qualität immer höheren Ansprüchen genügen. Unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten hat daher eine Vermeidung von fehlerhaften Produkten oberste Priorität.
Ein wesentlicher Produktionsschritt der Stahlerzeugung ist der Stranggießprozess. Das Herzstück des Gießprozesses ist die Kokille, in der der flüssige Stahl zu festen Produkten erstarrt. Ein möglicher, in der Kokille auftretender Fehler ist der so genannte längsrissbasierte Schalenfehler. Dieser beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften des Produktes und führt zu einer verminderten Oberflächenqualität.
Eine Ursache für die Bildung dieser Schalenfehler ist die während der Erstarrung auftretende Inhomogenität des aus der Kokille abzuführenden Wärmestroms. Eine besonders hohe Wärmestrominhomogenität tritt beim Gießprozess von Dünnbrammen auf. Dieser Prozess ist somit anfällig für längsrissbasierte Schalenfehler.
Daher liegt der Fokus der Arbeit auf dem Gießprozess von Dünnbrammen. Ziel dieser Arbeit ist es, durch eine geeignete Modifikation der Kokillenoberfläche den Wärmestrom in der Kokille zu beeinflussen und so den Fehlerbefall auf dem Produkt zu reduzieren.
Hierzu werden zunächst potenzielle Oberflächenstrukturen hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz in der Kokille bewertet und priorisiert. In ersten Untersuchungen wurde festgestellt, dass sich durch die Verwendung der Oberflächenstruktur eine signifikante Reduktion des Kontaktwärmestroms ergibt. Deutliche Unterschiede zwischen den untersuchten Strukturen konnten nicht festgestellt werden.
Gemäß der Priorisierung der Strukturen hinsichtlich ihres Einsatzes und aufgrund der Erkenntnisse aus den Untersuchungen zum Kontaktwärmestrom wird die Nadelstruktur für betriebliche Einsätze ausgewählt.
Durch weitere Untersuchungen werden die Auswirkungen der Rauheit der Struktur auf den Wärmestrom ermittelt. So existiert ein Grenzwert in der Rauheit, dessen Überschreitung zu keiner weiteren signifikanten Reduktion im Wärmestrom führt.
Auf Basis dieser Erkenntnisse und unter Einhaltung betrieblicher Restriktionen werden Kokillenplattenoberflächen mit einer Struktur präpariert und unter Betriebsbedingungen eingesetzt.
Die Verwendung der strukturierten Kokillenplattenoberflächen zeigt eine Homogenisierung des Wärmestroms in der Kokille sowie eine Reduktion des längsrissbasierten Schalenfehlers auf dem erzeugten Produkt. Somit kann durch die Modifikation der Kokillenoberfläche eine deutliche Verbesserung der Produktqualität erzielt werden.
Aufbauend auf den in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse kann durch zukünftige Betrachtungen eine Übertragung der Kokillenoberflächenmodifikation auf weitere Gießverfahren erfolgen.
Weiterhin bietet die Verwendung einer strukturierten Kokille das Potenzial, neue längsrisskritische Stähle über einen Dünnbrammen - Gießprozess zu erzeugen.

Today advanced steel products have to fulfill high standards of quality. The continuous casting process is an essential process step of steel production. For environmental and economic reasons, it is necessary to avoid defects which reduce the quality of the product.
An essential part of steel production is the continuous casting process. The core of the continuous casting process is the mould in which the melt is transferred into solid products. A possible type of defect, which can occur in the mould, is called longitudinal crack based shell defect.
These type of defects affect the mechanical properties of steel products and lead to a diminished surface quality.
The inhomogeneity of the cooling load in the mould caused by the solidifying melt is one reason of these kind of shell defects. The thin slab casting process is characterised by especially high inhomogeneity of the cooling load. That is the reason why this process is highly sensible to longitudinal crack based shell defects.
Hence the focus of this work is on the thin slab casting process. The objective of this work is to affect the cooling load in the mould and to reduce the defects on the product by modifying the surface of the mould.
At first potential surface structures are evaluated and prioritised concerning their skill of application in the mould. Initial studies revealed that the application of a surface structure lead to a significant reduction of the contact cooling load. Distinct differences between the potential surface structures could not be established.
According to the prioritisation of the structures concerning their skill of application and based on the results of the studies on the contact cooling loads the needle structure was chosen for operational usage.
Further studies show the effects of the structure’s roughness on the cooling load. A limit on roughness exists beyond that, the cooling load is not reduced significantly further.
Based on these results and satisfying the operational constraints, the structure was placed on the surface of several moulds. These moulds were used in the continuous casting process of thin slabs. Applying these structured moulds, the cooling load in the mould was homogenised and the amount of the longitudinal crack based shell defects on the product was reduced. Thus, an improvement of the product quality was achieved by using the modified mould surface.
Attributed to the knowledge gained in this work, a transfer of the surface structure to the conventional casting process is possible. Furthermore, usage of these moulds has the potential to prevent longitudinal crack based shell defects in new products, which normally have high risk of such defects.

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Dresler, Matthias: Verwendung einer modifizierten Kokillenoberfläche zur Vermeidung von längsrissbasierten Schalenfehlern in einer Dünnbrammengießanlage. 2020.

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