Die Vermeidung von Querrissen an den Kanten von Mikrolegierungsstahl-Brammen ist eine bedeutende technische Herausforderung in der Stahlindustrie weltweit. Ein entscheidender Einflussfaktor für die Rissbildung ist die thermische Beanspruchung an den Ecken der Brammen. Die Bramme durchläuft im Stranggussprozess eine Biege- und eine Richtphase, wobei sie im Biegeabschnitt von einer vertikalen in eine gebogene Form übergeht und danach im Richtsegment wieder gestreckt wird. Während des Biegens entsteht an der inneren Krümmung der Bramme Druckspannung, die in der Regel keine Risse verursacht, da die Temperatur an der Ecke dabei häufig über 900 °C liegt und die Duktilität ausreichend hoch ist. An der Außenseite wirkt Zugspannung, die jedoch seltener zu Rissen führt, da die hohen Temperaturen die Sprödigkeit mindern.

Im Gegensatz dazu wirkt im Richtsegment auf der äußeren Bogenfläche Druckspannung, sodass dort keine Querrisse entstehen. Die Innenseite der Bogenfläche hingegen ist durch Zugbelastung bei vergleichsweise niedriger Temperatur und eingeschränkter Duktilität besonders anfällig für Querrisse an den Ecken. Daher wird der Richtprozess als kritische Phase für die Rissentstehung angesehen. Zur Reduzierung der Belastungen an der inneren Bogenfläche und somit der Risswahrscheinlichkeit werden Techniken wie mehrpunktige Richtverfahren und eine Erhöhung der Temperatur an den Brammenecken während des Richtens angewandt.

Die Präzision der Anlagen spielt eine zentrale Rolle: Ungenauigkeiten in der Anordnung der Rollen und Fehlstellungen der Lager können zu erheblichen Verformungen und damit zu unerwünschten mechanischen Spannungen in der Bramme führen. Beispielsweise bewirken Rollenvorsprünge von nur 0,5 bis 1,5 mm Dehnungen von bis zu 0,4 %, was höher ist als die im regulären Richtprozess auftretenden Beanspruchungen. Eine regelmäßige Wartung und Kalibrierung der Stranggussanlagen ist daher unerlässlich, um die Entstehung von Eckenrissen zu minimieren.

Auch die Zusammensetzung des Stahls beeinflusst die Neigung zu Querrissen maßgeblich. Insbesondere die Ausscheidung von Karbonitriden an den Korngrenzen der Ecken führt zur Versprödung und erhöht die Rissanfälligkeit. Die Mikrolegierungselemente, ihr Gehalt sowie der Stickstoffgehalt sind entscheidend. Stickstoff, als Schlüsselkomponente der Karbonitride, bestimmt die Menge der Ausscheidungen und ist damit ein wichtiger Parameter für die Risskontrolle. Studien zeigen, dass eine Reduzierung des Stickstoffgehalts unter 4 × 10⁻⁵ das Rissrisiko erheblich mindert. Eine wirksame Strategie ist die Zugabe von Titan, das bei Temperaturen über 1300 °C Karbonitrid-Ausscheidungen bildet und so den Stickstoff im Stahl bindet. Dies verringert die Menge an Stickstoff, die für die Bildung spröder Ausscheidungen mit anderen Mikrolegierungselementen verfügbar ist. Das „Titan zur Stickstoffbindung“ genannte Verfahren wird inzwischen weltweit erfolgreich angewendet.

Neben der chemischen Zusammensetzung konzentrieren sich moderne Optimierungen des Stranggussprozesses auf die Anpassung der Sekundärkühlung, die Steuerung der Temperaturprofile, die Stabilisierung des Formkegels und die Anpassung der Gießgeschwindigkeit. Diese Maßnahmen führen dazu, dass die Bramme mit höheren Temperaturen in das Richtsegment eintritt, was die Duktilität der Ecken verbessert und Risse reduziert. Zudem können hochfrequente, niederamplitudige Schwingungen des Kokillenkontakts sowie kontrollierte Temperaturschwankungen während des Richtens die Rissbildung weiter mindern.

Die Kontrolle der Niveauschwankungen des flüssigen Stahls in der Kokille, die präzise Steuerung der Sekundärkühlung und die exakte Justierung der Stranggussanlage sind weitere Schlüsselelemente, die in der Praxis umgesetzt werden, um die Rissbildung einzudämmen. In einigen Fällen wurde sogar die Möglichkeit untersucht, die Bramme durch ein schnelles Abkühlen im Richtprozess gezielt zu tempern, wobei sich zeigte, dass ein Unterschreiten von etwa 700 °C an der Brammenecke die Rissrate reduziert.

Die Komplexität der Rissbildung erfordert ein ganzheitliches Verständnis der metallurgischen, mechanischen und prozesstechnischen Faktoren. Nur durch das Zusammenspiel von präziser Anlagentechnik, optimierter Stahlzusammensetzung und durchdachter Prozesssteuerung können Querrisse an Brammenecken effektiv kontrolliert werden. Die thermische und mechanische Beanspruchung, die Mikrohärtung durch Karbonitride und die Temperaturabhängigkeit der Stahlduktilität sind dabei eng miteinander verbunden und beeinflussen sich gegenseitig.

Ein fundiertes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Prozessparametern, Materialeigenschaften und mechanischen Spannungen ermöglicht es, gezielte Maßnahmen zu entwickeln, die sowohl die Qualität der Brammen verbessern als auch wirtschaftliche Verluste durch Rissbildung minimieren. Die konsequente Umsetzung dieser Techniken und die Weiterentwicklung neuer Ansätze sind entscheidend, um den hohen Anforderungen moderner Mikrolegierungsstähle im Strangguss gerecht zu werden.

Wie kann die Heißduktilität von Mikrolegierten Stahlbrammen durch Kontrolle der Karbonitrid-Ausscheidung optimiert werden?

Die Heißduktilität mikrolegierter Stähle steht in direkter Abhängigkeit von der Ausscheidung von Karbonitriden während des Erstarrungsprozesses, insbesondere im Eckbereich von Brammen beim Stranggießen. Die empirischen Erfahrungen von Stahlwerken wie Mei Steel zeigen, dass sich durch eine präzise Kontrolle der Stickstoffgehalte im Stahl – unterhalb von 0,003 % – sowie durch gezielte Kühlintensivierung in Formecken und in der Hochtemperaturzone der Sekundärkühlung, die Rissbildung an Brammenecken auf weniger als 0,03 % reduzieren lässt.

Ein zentraler Aspekt ist die Ausscheidung von Aluminiumnitriden (AlN). Aluminium wird in der Stahlherstellung nicht nur als Desoxidationsmittel, sondern auch als Mikrolegierungselement eingesetzt, um die Kornfeinung zu fördern, die Alterung in niedrig legierten Stählen zu hemmen und die Zähigkeit sowie Oxidationsbeständigkeit bei tiefen Temperaturen zu verbessern. Unter nicht optimalen Kühlbedingungen neigt Aluminium jedoch dazu, mit freiem Stickstoff AlN zu bilden, das bevorzugt an den Korngrenzen ausscheidet und dort die Heißduktilität signifikant herabsetzt.

Die Ausscheidungstemperatur von AlN liegt in einem engen Intervall zwischen 950 °C und 1055 °C, wobei die Endausscheidung bei etwa 650 °C erreicht wird. Bei erhöhtem Al- und N-Gehalt – etwa im Bereich von 0,02 – 0,04 % Al und 0,003 – 0,006 % N – überlappt die Ausscheidungszone mit der Formunterseite und dem gesamten Sekundärkühlbereich. Ziel ist es, die AlN-Ausscheidung möglichst aus dem Bereich der Form herauszuhalten, da dort eine präzise thermische Kontrolle technisch kaum realisierbar ist.

Ein wirksames Steuerungsprinzip ist daher die Reduktion der Gesamtanreicherung von Al und N im Stahl. In der Praxis wird beispielsweise bei der Herstellung von Al-haltigen Stahlsorten wie GR4160Al eine maximale Summe von Al- und N-Gehalt von 4,5 × 10⁻⁵ angestrebt, was die Entstehung von Quer- und Eckrissen signifikant vermindert. Interessanterweise zeigt die Analyse, dass die Gesamtausscheidungsmenge von AlN im betrachteten Konzentrationsbereich weitgehend konstant bleibt, wenn der Stickstoffgehalt 0,0045 % beträgt – was darauf hindeutet, dass die N-Verfügbarkeit die AlN-Ausscheidung limitiert. Dies legt nahe, dass durch gezielte Stickstoffabsenkung die lokale AlN-Bildung an Korngrenzen kontrolliert und damit die duktilitätsmindernde Wirkung im Eckbereich minimiert werden kann.

Über Aluminiumnitrid hinaus ist jedoch die Ausscheidung anderer Karbonitride wie Ti(C,N), Nb(C,N), VC oder BN ebenfalls kritisch, insbesondere im Formbereich und in der hochtemperierten Sekundärkühlzone. Diese Ausscheidungen sind thermodynamisch begünstigt und treten bevorzugt entlang der Korngrenzen auf, was die Heißverformbarkeit weiter reduziert. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Ausscheidungsbedingungen stark variieren – abhängig von der spezifischen Legierung und dem jeweiligen Konzentrationsverhältnis der Mikrolegierungselemente.

Eine hochgradig adaptive Gießtechnologie mit optimierter Formstruktur und differenziertem Sekundärkühlregime gewinnt hierbei zentrale Bedeutung. Klassische rechteckige Formen stoßen schnell an ihre Grenzen, da sie keine effektive Kühlung und Erstarrungskontrolle in den Ecken erlauben. Innovative Lösungen wie konvexe Formgeometrien mit differenzierter Sekundärkühlung, die eine gleichmäßigere Temperaturverteilung und Ausscheidungskontrolle ermöglichen, werden zunehmend notwendig. Ziel ist es, die Bildung kontinuierlicher Karbonitridfilme an Korngrenzen zu unterbinden und so die integrale Duktilität der Brammenecken zu erhalten.

Die Kontrolle dieser Phänomene basiert auf einem präzisen Verständnis der Ausscheidungskinetik. Die Karbonitridausscheidung stellt eine typische diffusionsgesteuerte Phasenumwandlung dar. Bei hohen Temperaturen erfolgt die Diffusion der Legierungselemente zwar schnell, die geringe Unterkühlung bietet jedoch nur eine geringe Triebkraft für die Phasenumwandlung – die Ausscheidung verläuft langsam. Sinkt die Temperatur, steigt die Unterkühlung und damit auch die Triebkraft, was die Reaktionsrate zunächst beschleunigt. Bei weiterem Temperaturabfall dominiert jedoch die abnehmende Diffusionsfähigkeit, was die Ausscheidung wieder verlangsamt. Das Zusammenspiel dieser Mechanismen führt

Wie kann die Mikrostruktur von Stahl durch den Prozess der Doppelfasen-Übergangskühlung optimiert werden?

Der Prozess der Doppelfasen-Übergangskühlung bietet eine effektive Möglichkeit, die Mikrostruktur von Stahl zu verfeinern, insbesondere in hochtemperaturbelasteten Bereichen wie dem Eckenbereich von Brammen. Diese Technologie, die durch eine präzise Steuerung der Kühl- und Aufheizraten realisiert wird, hat das Potenzial, die mechanischen Eigenschaften des Stahls erheblich zu verbessern und die Neigung zur Rissbildung zu verringern.

Die Schlüsselfaktoren dieses Verfahrens sind die Kühlraten und die anschließende Erwärmung. Die präzise Steuerung der Kühlung auf etwa 620 °C mit einer Geschwindigkeit von 7,5 °C/s und das anschließende Wiedererwärmen auf über 900 °C mit einer Rate von 5,0 °C/s führen zu einer feinen Körnung der Austenitstrukturen und verbessern die Widerstandsfähigkeit des Materials gegen Rissbildung. Dies ist besonders relevant in der Praxis, wenn es darum geht, die Festigkeit von Stahlbrammen bei der Herstellung von hochfestem, mikrolegiertem Stahl zu optimieren.

Im Vergleich zu herkömmlichen Kühlmethoden, die in einem Temperaturbereich von 770 bis 830 °C eine brüchige Zone aufweisen, kann der Doppelfasen-Übergang einen signifikanten Unterschied machen. Hier liegt der Anteil des Rest-Austenits (RA) im herkömmlichen Kühlprozess unter 40 %, was zu einer erhöhten Rissgefahr führt. Bei der Doppelfasen-Übergangskühlung hingegen bleibt der RA-Wert in einem Bereich, in dem die Stahlstruktur robuster ist und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrissen deutlich verbessert wird.

Ein wesentlicher Aspekt dieses Prozesses ist die Fähigkeit, den Austenitkorn des Stahls auf etwa 1/8 der ursprünglichen Kornstruktur zu verfeinern, was zu einer höheren Duktilität und einer besseren allgemeinen Festigkeit führt. Dies wurde durch metallografische Tests und die Untersuchung der Temperatur-Duktilitätskurve bestätigt. Diese Technik ist besonders bei der Herstellung von Nb-haltigem hochfestem Stahl von Bedeutung, da sie eine effektive Methode zur Körnerefeinung darstellt.

Eine weitere wichtige Erkenntnis aus den Tests ist, dass bei Stählen, die mit Mikrolegerungen wie Al und V versetzt sind, ähnliche Kühlbedingungen angewendet werden können. Hierbei liegt der Fokus auf einer schnellen Kühlung auf 600 bis 620 °C mit einer Geschwindigkeit von 7,0 bis 8,0 °C/s, gefolgt von einer Erwärmung auf über 900 °C mit einer Rate von 3,5 bis 5,0 °C/s. Diese Bedingungen sorgen ebenfalls für eine sehr feine Körnung und verbessern die mechanischen Eigenschaften des Stahls.

Die praktische Umsetzung dieses Verfahrens in der kontinuierlichen Gießproduktion ist jedoch eine Herausforderung. Besonders im Bereich der Eckenstruktur der Bramme erweist sich die Kühlung als kritisch. In herkömmlichen Prozessen führt die Intensivierung der Sprühkühlung in bestimmten Bereichen zwar zu einer schnellen Temperaturabsenkung, hat jedoch in vielen Fällen nicht den gewünschten Effekt, da die Kühlzone zu kurz ist. Zudem kann eine übermäßige Kühlung der Oberfläche zu Längsrissen führen, was die Qualität des Endprodukts beeinträchtigt.

Daher wurde eine neue Kühlstruktur entwickelt, die speziell auf die schnelle Kühlung der Brammenecken abzielt. Durch die Verwendung eines spezialisierten Sprühkühlungssystems, das zusätzliche Düsen im Bereich des Fußrollers an der schmalen Seite der Form integriert, kann die Kühlung gezielt und effizient erfolgen. Diese Struktur ermöglicht es, die Brammenecken schnell auf Temperaturen zu bringen, bei denen die Doppelfasen-Übergangskühlung durchgeführt werden kann, ohne die Temperaturverteilung im gesamten Bauteil negativ zu beeinflussen.

Die Temperaturentwicklung der Bramme in den verschiedenen Kühlzonen wurde ebenfalls simuliert. Hierbei zeigte sich, dass die Temperatur der Ecken in der ersten Kühlzone schnell auf etwa 600 °C sinkt, wodurch der Ferrit-Übergang der Struktur eingeleitet wird. Diese schnelle Kühlung mit einer Rate von über 8,0 °C/s führt zu einer verbesserten Strukturverfeinerung und trägt zur Reduzierung von Rissgefahren bei. Nach dem Verlassen der ersten Kühlzone wird die Bramme in die sekundäre Kühlzone überführt, wo die Temperatur weiter sinkt, bevor die endgültige Formgebung abgeschlossen wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Prozess der Doppelfasen-Übergangskühlung ein leistungsstarkes Werkzeug zur Optimierung der Mikrostruktur von Stahl darstellt, insbesondere in der Produktion von hochfesten Stählen, die eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Rissbildung und eine verbesserte Festigkeit aufweisen sollen. Durch die präzise Steuerung der Kühl- und Aufheizraten kann eine feine Körnung erzielt werden, die die mechanischen Eigenschaften des Materials deutlich verbessert. Die Implementierung dieser Technologie erfordert jedoch spezialisierte Kühlstrukturen und eine sorgfältige Überwachung der Temperaturentwicklung während des gesamten Prozesses, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Wie wird das thermo-mechanische Verhalten von Dünnblechen im Sekundärkühlprozess modelliert und verstanden?

Im kontinuierlichen Gießprozess von Dünnblechen stellt das Verständnis der thermo-mechanischen Vorgänge während der Sekundärkühlung eine fundamentale Grundlage dar, um Qualität und Stabilität des Produkts zu sichern. Das Modell basiert auf der Annahme der Wiederaufnahme-Technologie, wodurch die Anfangsbedingungen – insbesondere Temperaturfeld und Spannungszustand – von einem vorhergehenden thermomechanischen Kopplungsmodell der Schalen-Solidifikation im Kokillenguss übernommen werden. Diese initialen Zustände entsprechen dem Temperatur- und Spannungszustand der Schale unmittelbar nach dem Austritt aus der Kokille.

Die komplexen Grenzbedingungen in der Sekundärkühlzone umfassen verschiedene Wärmeübertragungsmechanismen. Die primären Formen der Wärmeabfuhr sind: (1) die Wärmeübertragung durch das auf die Schalenoberfläche gesprühte Kühlwasser sowie der Kontaktwärmeübergang zwischen Gießwalze und Schale; (2) die Wärmeabfuhr durch Luft und Verdunstung infolge von Nebelsprühkühlung; und (3) die Wärmestrahlung von der heißen Schalenoberfläche an die Umgebungsluft. Aufgrund der praktischen Schwierigkeiten, jede einzelne Wärmeübertragungsform quantitativ exakt zu erfassen, wird der umfassende Wärmeübergangskoeffizient der Sekundärkühlzone als wesentlicher Parameter verwendet. Dieser Koeffizient hängt stark von Faktoren wie Düsentyp, Düsenanordnung, Wasserdurchflussdichte, Wassertemperatur und Oberflächenzustand der Schale ab. Für die Modellierung wird häufig auf empirisch ermittelte Formeln zurückgegriffen, wie beispielsweise die von Cai et al., welche den Zusammenhang zwischen Wasserdurchflussdichte und Wärmeübergangskoeffizient in Abhängigkeit von der Schalentemperatur beschreiben.

Im Bereich der Luftkühlung nach Austritt der Schale aus dem No.4-Bogenabschnitt dominiert die Wärmestrahlung an die Umgebung. Die Berechnung erfolgt mittels der Stefan-Boltzmann-Gleichung, wobei Emissionsgrad, Oberflächentemperatur der Schale und Umgebungstemperatur berücksichtigt werden. Diese Strahlungswärmeübertragung wird durch einen äquivalenten Wärmeübergangskoeffizienten ersetzt, um die Modellierung zu vereinfachen.

Die Annahme der Symmetrie der Wärmeübertragung und der mechanischen Spannungen in Querrichtung der Schale erlaubt eine adiabatische Behandlung der Symmetrieebene, wobei keine Temperatur- oder Verschiebungsänderungen in dieser Ebene zugelassen werden.

Ein weiterer wesentlicher Einflussfaktor ist der ferrostatistische Druck der flüssigen Stahlmasse, der durch die Höhe der flüssigen Schmelze über dem Erstarrungspunkt bestimmt wird und erheblichen Einfluss auf die Verformung der Schalenstruktur ausübt. Dieser Druck wird an der Erstarrungsfront mit einem festen Volumenanteil von 0,88 angewendet, um realistische Verformungszustände abzubilden.

Die Interaktion zwischen Walze und Schale wird als Kontaktpaar zwischen festen und elastischen Flächen definiert und durch die finite-Elemente-Software automatisch berechnet, wodurch die Reduktion des flüssigen Kerns und die mechanische Beanspruchung der Schale präzise erfasst werden.

Die Validierung des Modells erfolgt durch den Vergleich der berechneten Temperaturen an der schmalen Seite und der Ecken der Schale mit realen Messwerten aus einer Produktionsanlage. Die leichte Überschätzung der berechneten Temperaturen wird hauptsächlich durch die Bildung von Eisenoxidschichten erklärt, die die gemessenen Oberflächentemperaturen beeinflussen. Dennoch liegen die relativen Fehler zwischen Modell und Messung im Bereich von 0,4 % bis 1,6 %, was eine hohe Zuverlässigkeit der Modellierung belegt.

Die Temperaturverteilung im Sekundärkühlprozess zeigt charakteristische Muster: Über dem dritten Bogenabschnitt ist die Temperatur an der breiten Schalenfläche aufgrund der intensiven Kühlung deutlich niedriger als an der schmalen Seite, da hier die Nebelsprühkühlung nur eingeschränkt wirksam ist. Unterhalb des vierten Bogenabschnitts, insbesondere im geraden Abschnitt, steigt die Temperatur der breiten Schalenfläche aufgrund reduzierter Kühlintensität und Luftkühlung wieder an und wird teilweise höher als die der schmalen Seite. Diese homogene Temperaturverteilung mit Temperaturen über 1100 °C ist entscheidend für die weitere Prozessführung und Qualitätssicherung.

Neben der reinen Modellierung der Temperatur- und Spannungsverteilung ist das Verständnis der Wechselwirkung zwischen verschiedenen Wärmeübertragungsmechanismen, der mechanischen Belastung durch ferrostatistischen Druck sowie der Kontaktbedingungen von zentraler Bedeutung. Die Komplexität dieser Einflüsse erfordert eine sorgfältige Kalibrierung der Modellparameter und eine präzise Kenntnis der Betriebsbedingungen.

Für ein umfassenderes Verständnis ist es wichtig, den Einfluss von Materialeigenschaften und deren temperaturabhängigen Veränderungen auf das thermomechanische Verhalten zu berücksichtigen. Ebenso ist die Berücksichtigung von Mikrostrukturentwicklungen und deren Rückwirkung auf die mechanischen Eigenschaften der Schale während der Abkühlung ein wesentlicher Aspekt. Die enge Verzahnung von thermischem, mechanischem und metallurgischem Prozessverständnis ist Voraussetzung für die Optimierung des kontinuierlichen Gießprozesses und die Vermeidung von Defekten wie Rissen oder Verformungen.

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