Die Kontrolle von Querrissen an den Ecken von Mikrolegierungsstahl-Brammen stellt eine erhebliche Herausforderung in der Stahlindustrie dar. Verschiedene Stahlunternehmen haben unterschiedliche Methoden entwickelt, um die Rissbildung zu minimieren. So wird bei Tianjin Steel die Rissentstehung durch eine Reduktion des Wasserzuflusses an der Kante im geraden Abschnitt des Stranggusses sowie durch Zugabe von Titan (Ti) zur Legierung besser kontrolliert. Pan Steel wiederum optimiert die Oszillationsparameter der Form, die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Formflusses sowie die Verteilung des Sekundärkühlwassers, um die Rissrate deutlich zu senken. Mei Steel kombiniert die Zugabe von Ti mit einer strikten Kontrolle des Stickstoffgehalts und einer optimierten Kühlwasserverteilung, wodurch sie stabile Produktion bei geringem Rissvorkommen erreichen, sogar ohne Nachbearbeitung der Ecken.

Generell konzentrieren sich die Strategien zur Vermeidung von Eckrissen bei Mikrolegierungsstahl-Brammen auf die Optimierung der Stahlzusammensetzung und die Steuerung des thermo-mechanischen Verhaltens während der Erstarrung. Besonders die Kühlprozesse während des Stranggusses sind dabei entscheidend. Durch gezielte Steuerung der Kühlintensität in den Ecken der Bramme wird versucht, die Temperatur in einem Bereich zu halten, der die Bildung spröder Zonen verhindert. Die Vermeidung der sogenannten dritten spröden Temperaturzone ist essenziell, um Verformungen mit hoher Duktilität während des Biege- oder Richtprozesses zu ermöglichen. Dennoch zeigen die praktischen Bedingungen Einschränkungen: Gießgeschwindigkeit und die Struktur der Kühlwassersprühdüsen erschweren es, diese spröden Zonen vollständig zu umgehen.

Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken, wurde die Großfase-Form-Technologie entwickelt und erfolgreich in mehreren Stahlwerken eingesetzt. Dennoch besteht das grundlegende Problem fort, dass während der Erstarrung in den Körnergrenzbereichen Mikrolegierungs-Karbonitride und proeutektoide Ferritschichten konzentriert ausfallen. Diese führen zu einer Schwächung der Mikrostruktur an der Brammenoberfläche und damit zu instabiler Risskontrolle. Um eine nachhaltige Verbesserung zu erzielen, muss eine widerstandsfähige Oberflächenstruktur geschaffen werden, die die Rissanfälligkeit signifikant reduziert.

In jüngster Zeit ist die sogenannte Surface Structure Control Cooling (SSC)-Technologie entwickelt worden, welche sich auf die präzise Steuerung der Kühlrate, Temperatur sowie der Wiedererwärmung in der vertikalen Sekundärkühlzone fokussiert. Durch diese gezielte Temperaturführung wird die Ausscheidung von Körnergrenz-Karbonitriden und proeutektoidem Ferrit kontrolliert und somit die Rissresistenz der Brammenoberfläche bei hohen Temperaturen erhöht. Diese Technologie wurde bereits erfolgreich in einigen Anlagen implementiert und zeigt vielversprechende Resultate.

Die praktische Umsetzung der SSC-Technologie wird jedoch durch die Komplexität der Kühlsteuerung erschwert. Eine großflächige, schnelle Kühl- und Wiedererwärmungssteuerung in engem Raum erfordert präzise technische Ausrüstung und Prozessstabilität, die in der Praxis schwer zu gewährleisten sind. Zudem ist die Ausscheidungsreaktion der Mikrolegierungs-Karbonitride temperaturabhängig, und der Wärmeübergang an der Brammenecke erfolgt zweidimensional. So sinkt die Temperatur der Brammenschale nach dem Austritt aus der Form häufig auf etwa 1000 °C, in welchem Bereich bereits ein Großteil der Karbonitride ausfällt. Die Wirkung der schnellen Kühlung im Fußrollenbereich zur Verbesserung der Mikrostruktur an der Brammenecke bleibt daher begrenzt.

Darüber hinaus führen schnelle Abkühlungen oft zu erheblichen thermischen Spannungen und Temperaturgradienten, die sich negativ auf nachfolgende Prozessschritte wie das Richten und die Lebensdauer der Walzen auswirken können. Die schwierige Steuerbarkeit der Temperaturprofile und die Notwendigkeit, die Walzenabstände und Reduktionsprozesse am Erstarrungsende genau zu regulieren, unterstreichen die hohe technische Komplexität, die mit der Risskontrolle verbunden ist.

Das Verständnis dieser Zusammenhänge ist für den Leser wichtig: Die Vermeidung von Eckrissen in Mikrolegierungsstahl-Brammen ist kein isoliertes Problem der Kühltechnik allein, sondern erfordert ein ganzheitliches Management des Legierungsdesigns, des Stranggussprozesses und der thermomechanischen Prozessführung. Nur durch das Zusammenspiel dieser Faktoren kann eine Mikrostruktur geschaffen werden, die den mechanischen Beanspruchungen standhält und die Entstehung von Rissen nachhaltig verhindert. Die weitere Forschung und technologische Entwicklung wird sich daher auch künftig auf die Verbesserung der Prozessstabilität und die Feinsteuerung der Mikrostrukturentwicklung konzentrieren.

Wie beeinflussen thermo-mechanische Belastungen und Walzenkontakt die Rissbildung an den Kanten von kontinuierlich gegossenen Stahlbrammen?

Die Verteilung der duktilen Verformung während des Biegeprozesses einer Stahlbramme zeigt, dass sich die plastische Deformation aufgrund der niedrigeren Temperatur und des höheren Verformungswiderstands nicht an der äußeren Ecke der Bramme konzentriert, sondern vornehmlich an der Erstarrungsfront nahe der schmalen und breiten Fläche der Bramme unter dem Druck der Gießwalze. Dies deutet darauf hin, dass eine unzureichende Gestaltung des Biegeübergangs im Strangguss oder ungenaue Walzenabstände die Entstehung von inneren Eckrissen und oberflächennahen Rissen begünstigen. Bereiche mit geringerem äquivalenten duktilen Verformungswert liegen überwiegend an der breiten Fläche der Bramme, die nicht von der Klemmkraft der Biegewalze betroffen ist, sowie an den Randbereichen der schmalen und breiten Flächen.

Die Kombination aus thermischer Dehnung und duktiler Verformung führt zu einer Spannungsverteilung, bei der sich die höchsten Spannungen vor allem an den Ecken der Bramme befinden, wobei die äußere Bogenkante die höchste Spannung aufweist. Gleichzeitig zeigt die Temperaturentwicklung, dass die Temperatur an der Brammenkante im Biegerollwerk von etwa 870 °C wieder über 950 °C ansteigt, was die Duktilität des Materials erhöht. Unter normalen Produktionsbedingungen ist deshalb das Risiko von Quereckrissen an der äußeren Bogenkante relativ gering.

Während des Richtprozesses der Bramme ist die größte duktil-plastische Verformung an der inneren Bogenkante zu beobachten, was durch die kombinierten Kräfte der Gießwalzenklemmung und Richtwalzen hervorgerufen wird. Die Spannungen konzentrieren sich ebenfalls stark an den Ecken, wobei die höchste Spannung an der äußeren Bogenkante auftritt. Dabei herrschen an der inneren Bogenkante Zugspannungen vor, die, begünstigt durch Ausscheidungen von Mikrolegierungscarbonitriden und strukturelle Übergänge, bei geringer Duktilität entlang der Korngrenzen zu Rissbildung führen können, die sich als Quereckrisse ausbreiten. Im Gegensatz dazu wirken an der äußeren Bogenkante vorwiegend Druckspannungen, sodass trotz hoher Spannungsspitzen die Rissbildung hier seltener ist.

Die Spannungsverteilung entlang der Gießrichtung zeigt, dass sich die plastische Verformung primär an der Erstarrungsfront und an den Kanten konzentriert, während die höchsten Oberflächenspannungen unter der Klemmkraft der Gießwalzen auftreten. Während des Richtprozesses steigen die Spannungen an der inneren Bogenkante deutlich an, während sie an der äußeren Bogenkante ihren Höhepunkt erreichen und später etwas abnehmen. Sobald die Bramme den Richtbereich verlässt, verringert sich die Spannung weiter, da der Einfluss der Richtwalzen entfällt, jedoch bleibt die Klemmkraft der Gießwalzen bestehen. Der kritische Moment für die Bildung interkristalliner Risse und deren Ausbreitung ist der Kontakt der Brammenkante mit der Gießwalze während des Richtens, was als Hauptursache für Eckrisse bei mikrolegierten Stählen gilt.

Im Prozess der kontinuierlichen Reduktion – insbesondere bei Nb- bzw. Ni- haltigen hochfesten Stählen – erfolgt die Verformung hauptsächlich in den Segmenten 8 und 9 des Biegeabschnitts, etwa 18 bis 22 Meter vom Meniskus entfernt. Die Reduktion von insgesamt 6 mm wird gleichmäßig auf diese zwei Segmente verteilt. Die Verschiebung an der inneren Bogenkante zeigt, dass die Brammenoberfläche dort entlang der Dicke am stärksten reduziert wird. Wegen der geringeren Temperatur an der Ecke ist die Schrumpfung dort größer als in der Mitte der breiten Fläche. Die Reduktion an der Ecke ist jedoch geringer als an der Mittellinie und der Viertelbreite der Bramme. Die Oberflächenspannungen zeigen bei Kontakt mit der Reduktionswalze eine periodische Schwankung, die bei der Ecke der Bramme wegen der erhöhten Verformungsresistenz infolge niedriger Temperatur bis zu etwa 180 MPa ansteigt und beim Lösen der Walze wieder freigesetzt wird.

Neben den beschriebenen mechanisch-thermischen Einflüssen spielt die Mikrostruktur eine entscheidende Rolle bei der Rissbildung. Die Ausscheidungen von Mikrolegierungsphasen, die Korngrenzenfestigkeit und die Temperaturentwicklung beeinflussen die Duktilität und damit die Empfindlichkeit gegenüber Spannungsrissen. Daher ist es essenziell, das Zusammenspiel zwischen thermischer Behandlung, Walzenmechanik und mikrostruktureller Entwicklung genau zu verstehen, um Eckrisse zu vermeiden. Das Zusammenspiel aus Temperaturanstieg, Spannungsverteilung und Werkstoffverhalten unterstreicht die Komplexität des Prozesses und die Notwendigkeit einer exakten Abstimmung der Prozessparameter.

Weiterhin ist zu beachten, dass die Präzision der Walzenausrichtung und -gestaltung sowie die Kontrolle der Temperaturprofile während des Stranggussprozesses entscheidend sind, um eine ungleichmäßige Verformung und daraus resultierende Spannungsspitzen an den Kanten zu minimieren. Nur durch eine enge Kontrolle dieser Faktoren lässt sich die Entstehung von inneren und oberflächennahen Rissen wirksam verhindern, was letztlich die Qualität und die Weiterverarbeitungseignung der Brammen nachhaltig verbessert.

Wie der neue Prozess die Solidifizierung und Formung von Dickblechen im kontinuierlichen Gießprozess beeinflusst

Die Solidifizierung von Dickblechen im kontinuierlichen Gießprozess stellt eine komplexe Herausforderung dar, die durch verschiedene physikalische und technologische Faktoren beeinflusst wird. Ein kritischer Aspekt dabei ist die Bildung von Längsdepressionen an den breiten Ecken der Bleche, die sowohl die strukturelle Integrität als auch die Qualität der produzierten Stahlbleche beeinträchtigen können. Dieser Text behandelt die Anwendung eines neu entwickelten Prozesses zur Optimierung der Solidifizierung und der Oberflächenqualität von Dickblechen, insbesondere zur Vermeidung der problematischen Ecken-Depressionen und zur Verbesserung der Produktionsstabilität.

Ein bemerkenswerter Aspekt des neuen Prozesses ist der Einsatz eines speziell entwickelten Formsystems mit einer konvexen Struktur, die die Schrumpfung der schmalen Seite des Blechs während des Festigkeitsprozesses kompensiert. In herkömmlichen Prozessen kam es häufig zu einem signifikanten Aufwölben der schmalen Seite und einer tiefen Depression an den breiten Ecken des Blechs, was zu Oberflächen- und Subsurface-Rissen führte. Dies hatte eine negative Auswirkung auf die Weiterverarbeitung der Dickbleche und führte oftmals dazu, dass diese Bleche vor der Weiterbearbeitung einer Flammenreinigung unterzogen werden mussten.

Durch die Implementierung der neuen Technologie wurden diese Defekte erheblich reduziert. Insbesondere wurde die Bildung von Längsdepressionen an den breiten Ecken des Blechs nahezu vollständig eliminiert. Die Anwendung des neuen Prozesses in einem Stahlwerk über einen Zeitraum von mehr als drei Jahren zeigte eine deutliche Verbesserung der Oberflächenqualität und eine signifikante Reduzierung von Rissen, die zuvor häufig bei der Produktion von mikrolegiertem Stahl auftraten.

Die Schlüsseltechnologie für diese Verbesserung liegt in der speziellen Formgebung der schmalen Seite des Blechs. Während der Solidifikation wird die Form durch die konvexe Struktur unterstützt, wodurch die Schrumpfung kompensiert und die Verformung der Blechkanten verhindert wird. Dieser Mechanismus verhindert, dass das Blech in der Nähe der breiten Ecken „verzogen“ wird, was ansonsten zu einem signifikanten Temperaturunterschied und damit zu Hotspots führen würde. Diese Hotspots sind die Hauptursache für die Längsdepressionen und die damit verbundenen Risse.

Zusätzlich wurde die Kühltechnik in der Sekundärkühlzone optimiert. Durch eine gezielte, schnelle Kühlung im Hochtemperaturbereich konnte die Bildung von Rissen weiter reduziert werden, ohne die Sprödigkeit des Stahls zu erhöhen. Diese Veränderung hat dazu beigetragen, dass die Widerstandsfähigkeit der schmalen Seite gegen Verformungen und das Auftreten von „Hotspot“-Defekten signifikant gesteigert wurde.

Das Resultat dieser technologischen Anpassungen ist eine markante Verbesserung der Qualität der Dickbleche, die nun ohne die zuvor auftretenden Defekte produziert werden können. Die Anpassung des Prozesses hat auch die Effizienz der Produktionslinien erhöht, da weniger Ausschuss anfiel und weniger Nachbearbeitung erforderlich war. Dies führt zu einer höheren Gesamtproduktivität und einer besseren Nutzung der Produktionsressourcen.

Neben diesen technischen Aspekten sollten jedoch auch die Auswirkungen auf den gesamten Produktionsprozess berücksichtigt werden. Die Einführung solcher innovativen Technologien erfordert nicht nur die Anpassung der Gießtechnologie, sondern auch eine gründliche Schulung des Personals und eine enge Zusammenarbeit zwischen den Ingenieuren und dem Produktionsbetrieb. Es ist wichtig zu verstehen, dass diese Verbesserungen nicht isoliert betrachtet werden können, sondern in ein ganzheitliches Konzept eingebunden sind, das alle Schritte des kontinuierlichen Gießprozesses umfasst.

Darüber hinaus ist es entscheidend, die thermodynamischen und mechanischen Eigenschaften der verwendeten Stähle genau zu kennen, um die optimale Kühlstrategie und Formgebung zu bestimmen. Nur durch die richtige Kombination aus Technologie und Materialkenntnissen lässt sich die gewünschten Verbesserung in der Produktionsqualität erreichen.

Wie beeinflusst die Oberflächenabschreckung die Temperaturentwicklung und Mikrostruktur von Stahlbrammen im Stranggießprozess?

Die Temperaturentwicklung und Kühlrate während des Abschreckprozesses spielen eine entscheidende Rolle für die Qualität von Stahlbrammen im Stranggießen. Untersuchungen zeigen, dass sowohl das Segment Nr. 15 als auch Nr. 16 eines Stahlwerks die optimalen Startbedingungen für die Abschreckung erfüllen. Allerdings weist die Brammenoberfläche im Segment Nr. 15 höhere Temperaturen auf, was zu einem größeren Wasserverbrauch bei der Abschreckung führt. Deshalb konzentriert sich die Analyse auf das Segment Nr. 16, das bei einem Stranggießgeschwindigkeit von 1,4 m/min untersucht wurde. Hier sinken die Oberflächentemperatur und die Temperatur in 10 mm Tiefe nach der Abschreckung auf 392 °C bzw. 544 °C, bei einer maximalen Kühlrate von über 10 °C/s. Die Temperatur steigt dann vor der Weiterverarbeitung am Schneidepunkt auf 820 bzw. 833 °C an, was den Anforderungen eines optimalen Abschreckprozesses entspricht. Trotz dieser vergleichbaren Temperaturen kann im Segment Nr. 16 der Wasserverbrauch um etwa 9,6 bis 11,4 % reduziert werden, was die Wasserversorgung entlastet.

Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein neues kontinuierliches Abschrecksystem am Ende des Stranggießers entwickelt, bei dem das letzte Segment entweder ganz entfällt oder als intensives Abschrecksegment mit dicht angeordneten Düsen gestaltet wird. Dieses ermöglicht eine dynamische und starke Abschreckung sowohl an der Innen- als auch der Außenkurve der Bramme, was besonders wichtig ist, da die Wärmeübertragung und Wasserverweildauer an diesen Stellen stark variieren. Die ungleiche Wasserverteilung zwischen Innen- und Außenkurve kann sonst zu Verformungen der Bramme führen, die den Stranggießprozess stören.

In der Praxis zeigt sich, dass die Brammenoberfläche in der ersten Hälfte des Abschreckgerätes sehr schnell auf 380–410 °C abgekühlt wird, wodurch eine Strukturumwandlung initiiert wird. Anschließend dringt die Abschreckung in die Tiefe vor, während die Temperatur der Oberfläche durch Luftkühlung und Wärmeleitung aus dem Kern wieder auf 620–670 °C ansteigt, wenn die Bramme den Schneidpunkt erreicht. Nach dem Schneiden erfolgt eine erneute Temperatursteigerung auf etwa 780–820 °C, was eine Re-Austenitisierung der Oberfläche bewirkt und eine feinkörnige Abschreckstruktur formt. Diese Temperaturabsenkung setzt sich dann während des Weitertransports zur Ofenbeladung fort, wo die Oberfläche meist 550–620 °C erreicht.

Die mikrostrukturelle Analyse der Oberfläche zeigt deutliche Unterschiede durch den Einsatz der neuen Abschrecktechnologie. Bei herkömmlichen Stranggießprozessen lagert sich im Bereich von 5 mm unter der Oberfläche eine relativ grobe und kettenförmig angeordnete Karbonitrid-Phase (Nb-Ti-Karbonitride) ab, die eine Größe von 100–200 nm aufweist. Diese großkörnigen Karbonitride reduzieren die Warmduktilität der Oberfläche und fördern die Entstehung von Heißrissen während der Wärmebehandlung und des Abschreckprozesses. Nach Einführung der neuen Oberflächenabschreckung zeigt sich eine deutlich feiner verteilte Karbonitrid-Phase mit einem Größenbereich von meist unter 20 nm, was die Warmfestigkeit und Duktilität verbessert und somit das Risiko von Rissbildungen verringert.

Wichtig ist das Verständnis, dass die Abstimmung der Abschreckparameter – insbesondere Temperaturprofil, Kühlrate und Wasserverteilung – eine hochkomplexe Wechselwirkung zwischen Wärmeübertragung, Phasenumwandlungen und Mikrostrukturentwicklung steuert. Nur durch präzise Kontrolle dieser Parameter lässt sich die Brammenqualität optimieren und potenzielle Defekte wie Verformungen oder Heißrisse vermeiden. Ebenso spielt die gleichmäßige Wasserversorgung zwischen Innen- und Außenbogen eine zentrale Rolle, da Ungleichgewichte Verformungen hervorrufen, die den gesamten Gießprozess gefährden. Das Zusammenspiel aus Prozesssteuerung und mikrostruktureller Entwicklung ist daher grundlegend, um hochwertige Mikrolegierungsstähle mit hoher Duktilität und minimiertem Defektrisiko zu produzieren.

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