Wie lässt sich die Bildung transversaler Eckrisse bei der Stranggießung mikrolegierter Stähle wirksam kontrollieren?

Die Kontrolle der transversalen Eckrisse bei der Stranggießung mikrolegierter Stähle ist eine komplexe Aufgabe, deren Lösung entscheidend von der Präzision, Stabilität und strukturellen Optimierung der Stranggießanlage abhängt. Jede technologische Komponente, vom Schwingungsverhalten der Kokille bis hin zur Geometrie der Kokillenhöhlung, trägt signifikant zur Entstehung oder Vermeidung dieser typischen Rissart bei, die insbesondere bei Stählen mit peritektischer oder subperitektischer Zusammensetzung problematisch auftritt.

Die Tiefe der Oszillationsrillen auf der Brammenoberfläche korreliert direkt mit der Häufigkeit transversaler Eckrisse. Untersuchungen zeigen, dass flachere Oszillationsrillen zu einer signifikant reduzierten Rissanfälligkeit führen. Die Steuerung dieser Rillen erfolgt über Parameter wie Frequenz, Amplitude, Negativbandzeit und Wellenform der Oszillation. Besonders effektiv hat sich in der Praxis der Übergang zu nicht-sinusförmigen Oszillationsmustern mit hoher Frequenz und geringer Amplitude erwiesen, wie sie von führenden Herstellern wie Pratt entwickelt wurden. Diese Technik minimiert die Eindringtiefe der Rillen und reduziert somit das mechanisch-thermische Spannungsfeld an den Ecken der Bramme.

Darüber hinaus ist das Niveau des flüssigen Stahls in der Kokille ein kritischer Faktor. Starke Schwankungen führen zu ungleichmäßiger Schlackeninfiltration und erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Flussmitnahme und Rissbildung. Insbesondere bei hoher Gießgeschwindigkeit und reduzierter Sekundärkühlung sind diese Schwankungen bei mikrolegierten Stählen stark ausgeprägt. Um dem entgegenzuwirken, haben Unternehmen wie Baowu Steel und Han Steel Steuertechnologien entwickelt, die nicht nur das Stahlstandniveau stabilisieren, sondern auch gezielt die Temperaturverteilung im Fußwalzenbereich durch asymmetrische Walzenanordnung und differenzierte Kühlstrategien beeinflussen.

Ein weiterer Schlüsselfaktor ist der Taper der Kokille. Ein angemessenes Kokillenkonizitätsmaß fördert die gleichmäßige Wärmeabfuhr und verringert Luftspalte und Konzentrationen von Flussmittelfilmen an den Ecken. Hierbei setzen Stahlhersteller wie Lianyuan Steel auf große Konizitätswinkel, um die Bildung von Hohlräumen und die daraus resultierende Schwächung der Schale zu verhindern. Allerdings führt ein übermäßig großer Taper zu erhöhtem Verschleiß der Kupferplatten und verstärkter Reibung, was wiederum Mikrorisse an den Oszillationsrillen begünstigt. Die technische Herausforderung besteht somit in der Balance zwischen optimaler Formanpassung und mechanischer Integrität.

Die Wartung der Stranggießanlage bildet das Fundament jeder nachhaltigen Qualitätsstrategie. Ein Walzenspalt mit einer Abweichung von maximal 0,3 mm sowie eine hohe Ebenheit sind Standards, die international durchgesetzt werden. Zur Vermeidung von Düsenverstopfungen in den Kühlzonen haben sich rückspülbare Düsensysteme bewährt, wie sie unter anderem bei Tianjin Steel eingesetzt werden.

Besondere Aufmerksamkeit verdient die Geometrie der Kokillenhöhlung. Die Entwicklung von nicht-konventionellen Kokillen mit großflächigen Fasen, Mehrfachfasen oder abgerundeten Ecken zielt darauf ab, die Temperatur der Brammenecken gezielt anzuheben und damit das Erreichen der dritten Sprödigkeitstemperaturzone zu vermeiden. Industrieversuche belegen, dass durch den Einsatz solcher Geometrien, wie bei Qianan Steel und Handan Steel, die Temperatur an den Ecken um über 70 °C gegenüber konventionellen rechteckigen Kokillen erhöht werden kann. Dies trägt maßgeblich zur Verbesserung der Warmduktilität bei und unterdrückt die Rissinitiierung während der kritischen Erstarrungsphase.

Parallel zur strukturellen Optimierung wurde eine neuartige Kokille mit gekrümmtem Innenprofil entwickelt. Diese Konstruktion kompensiert gezielt das Schrumpfverhalten des Schalenmaterials in den Ecken und optimiert den Wärmeübergang in den Anfangsphasen der Erstarrung. Gleichzeitig begünstigt sie eine homogene Ausfällung von Karbonitriden und eine Verfeinerung der austenitischen Kornstruktur. Daraus resultiert eine signifikante Verbesserung der Heißverformbarkeit und eine drastische Reduktion transversaler Eckrisse.

Was in der technischen Diskussion häufig vernachlässigt wird, ist die Rolle der thermischen Übergangsbereiche zwischen Kokille und Sekundärkühlzone. Gerade in diesen Übergangsregionen entstehen hohe Temperaturgradienten, die zur Versprödung der Randschichten führen können. Eine gezielte Temperaturführung, angepasst an die Phasenübergänge der Legierung und die lokale Schalenstärke, ist unabdingbar. Auch die zeitliche Abstimmung der Sekundärkühlung auf die Erstarrungsdynamik kann erheblichen Einfluss auf die Spannungsentwicklung und das Rissverhalten nehmen.

Die industrielle Umsetzung dieser Maßnahmen setzt ein hochpräzises Zusammenspiel zwischen Prozessüberwachung, Simulation und Echtzeitregelung voraus. Nur durch eine tiefgreifende Analyse der Werkstoffreaktionen unter realen Gießbedingungen lassen sich robuste Strategien entwickeln, die sowohl die mechanische als auch die mikrostrukturelle Integrität der Bramme sichern. Hierbei ist die kontinuierliche Rückkopplung aus der Produktionslinie ebenso entscheidend wie die Bereitschaft, etablierte Designparadigmen der Stranggießtechnik infrage zu stellen.

Wie kann man die Randvertiefung bei der Stranggussproduktion von dickwandigen Stahlplatten effektiv kontrollieren?

Die Kontrolle der Randvertiefung an den schmalen Kanten dicker Stahlplatten während des Stranggussprozesses stellt eine komplexe Herausforderung dar, die sowohl die Gestaltung der Kokille als auch die Steuerung des Abkühlungsprozesses umfasst. In der Praxis muss die Kokille universell einsetzbar sein, um unterschiedliche Stahlsorten von ultraniedrigem bis hin zu hochkohlenstoffhaltigem Stahl zu gießen. Traditionell wird eine Keilkompensation in der Dicke der Platte von etwa 1 bis 2 mm verwendet, wobei 2 mm als Standard gilt. Diese Methode stößt jedoch bei sehr dicken Platten an ihre Grenzen, da eine Erhöhung der Kompensationsdicke auf über 5 mm zwar theoretisch die Schrumpflücke an der breiten Seite verringern könnte, praktisch jedoch zu einem erheblichen Verschleiß der Kupferplatten führt und somit nicht umsetzbar ist.

Der Schrumpfungsprozess der erstarrenden Schale in der Kokille verläuft ungleichmäßig: Während der oberen Bereich der Schale schnell schrumpft, erfolgt die Schrumpfung im mittleren und unteren Bereich langsamer. Bei flachen Kokillen, die derzeit weit verbreitet sind, kann diese Differenz nicht effektiv ausgeglichen werden. Dies führt dazu, dass die schmale Kanten-Schale im oberen Bereich frühzeitig von der Kupferplatte abgelöst wird, was wiederum die breite Kanten-Schale mitzieht und eine größere Lücke zwischen Schale und Kupferplatte erzeugt. Diese Lücke erhöht die Gefahr von „Hot Spots“ und beeinträchtigt die Wärmeübertragung, was zu Qualitätseinbußen im Gussteil führen kann. Gleichzeitig wird durch Überkompensation im unteren Bereich der Kokille der Verschleiß der Kupferplatten erhöht, was häufig zu Ausfällen oder Reparaturen führt.

Ein Ansatz zur Verbesserung besteht in der Entwicklung einer gekrümmten Kokille mit differenzierten Kompensationsstrukturen: Im oberen Bereich wird eine schnelle Schrumpfkompensation ermöglicht, während im mittleren und unteren Bereich die Kompensation verlangsamt wird. Dies erlaubt eine gleichmäßige Wärmeabfuhr und eine feste Anbindung der Schale an die Kupferplatten über den gesamten Erstarrungsprozess, verhindert das Verdrehen der Ecken und minimiert die Bildung von Lücken. Die Innovation besteht darin, die Kokilleninnenfläche konkav zu gestalten, um die Verformung der schmalen Kanten zu begrenzen, sowie den Keil im mittleren und unteren Bereich schrittweise zu reduzieren oder sogar negativ zu gestalten, um den Verschleiß zu minimieren.

Die Anwendung dieser neuartigen konvex strukturierten Kokille ermöglicht eine deutliche Verbesserung der Produktionsqualität insbesondere bei mikrolegierten Stählen, welche wegen ihrer peritektischen Eigenschaften besonders rissanfällig sind. In der Praxis hat sich gezeigt, dass eine verstärkte Kühlung nach Verlassen der Kokille – vor allem an den breiten und schmalen Kanten – ohne Qualitätsverlust der Oberfläche umgesetzt werden kann, wenn die Anlagenpräzision gewährleistet ist. Diese verstärkte Kühlung unterstützt die schnelle Abkühlung der Hochtemperaturzone und trägt zur Vermeidung von Verformungen und Ausbeulungen an der schmalen Kante bei.

Beispielsweise konnte bei der Herstellung einer 250 mm dicken Platte durch die Kombination der großen Keilkompensation an der schmalen Kante mit der neuartigen Kokillenstruktur die Schrumpfkompensation im Bereich der effektiven Erstarrungshöhe und der Fußrollen-Zone um jeweils etwa 1 bis 1,5 mm gesteigert werden. Dies hat die Bildung von Ausbeulungen signifikant vermindert. Die Grundregel bei der Einstellung der Keilkompensation in der Fußrollen-Zone ist, dass die Kaltplatte an der schmalen Kante eine Fußrollen-Markierungstiefe von etwa 1 bis 2 mm aufweisen sollte, um eine optimale Unterstützung und Steuerung des Gussstücks zu gewährleisten.

Für den Leser ist wichtig zu verstehen, dass die mechanischen und thermischen Prozesse in der Kokille nicht statisch, sondern hochdynamisch sind und stark von Materialeigenschaften und Temperaturgradienten abhängen. Die alleinige Erhöhung der Keilkompensation ist weder effizient noch wirtschaftlich, da sie unerwünschte Nebenwirkungen wie erhöhten Verschleiß und Produktionsausfälle hervorruft. Stattdessen ist die systematische Anpassung der Kokillenform und der Kühlstrategie unter Berücksichtigung des individuellen Erstarrungsverhaltens des Stahls entscheidend. Nur durch ein integratives Verständnis von Erstarrungsmechanik, Wärmeübertragung und Materialdeformation lassen sich hochwertige dickwandige Stahlplatten mit minimalen Defekten herstellen.

Welche Technologien der Oberflächenabschreckung werden in der kontinuierlichen Stranggießproduktion eingesetzt, und wie beeinflussen sie die Oberflächenqualität?

Die Oberflächenabschrecktechnologie für kontinuierlich gegossene Stahlplatten spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Oberflächenqualität und der Reduktion von Rissen, die durch thermischen Stress entstehen können. Verschiedene Unternehmen haben unterschiedliche Methoden entwickelt, um die Anforderungen der modernen Stahlproduktion zu erfüllen, bei denen hohe Gießgeschwindigkeiten und die Vermeidung von Oberflächenfehlern entscheidend sind. Zu den bekanntesten Systemen gehören die Oberflächenabschreckungssysteme von Danieli, Nippon Steel und weiteren Stahlwerken, die spezifische Lösungen für die Vermeidung von Oberflächenrissen anbieten.

Das von Danieli entwickelte System zur Oberflächenabschreckung von Stranggießblöcken wurde bereits 1994 im italienischen ABS-Werk eingeführt. Es handelt sich dabei um ein Sprühkühlverfahren, bei dem nach dem Auszug- und Richtvorgang der Platten eine Reihe von Düsen mit starkem Kühlwasserstrahl die Plattenoberfläche gezielt abkühlen. Das System ist so ausgelegt, dass die Kühlwasserströme der einzelnen Düsenreihen individuell reguliert werden können. Diese präzise Steuerung ermöglicht es, die Oberflächentemperatur der Platte innerhalb eines engen Rahmens zu kontrollieren und damit die Entstehung von Rissen aufgrund von thermischem Stress zu minimieren. Das Danieli-System hat sich nicht nur in Italien bewährt, sondern wird inzwischen auch von Stahlwerken in China und Südkorea angewendet. Bei dieser Technologie ist die genaue Anpassung des Abschreckprozesses an die jeweiligen Stahlqualitäten und Gießgeschwindigkeiten von zentraler Bedeutung, um eine gleichmäßige und effektive Kühlung zu gewährleisten.

Ein weiteres System wurde von Nippon Steel entwickelt, das die Technologie der Eintauchabschreckung für Stranggießbarren umfasst. Diese Methode wurde speziell für die Beseitigung von Oberflächenrissen entwickelt, die durch das thermische Aufheizen von heiß geladenem Stahl während des Gießprozesses entstehen. Das Problem wird oft durch die Bildung von spröden Phasen an den Korngrenzen des Stahls verursacht, die zu Rissen führen können. Bei der Eintauchabschreckung wird der heiße Strang in ein Kühlbad eingetaucht, wobei die Abschreckzeit für verschiedene Stahlsorten variiert. Diese Technologie hat den Vorteil, dass sie die Oberflächenstruktur des Stahls erheblich verfeinern kann, sodass eine feinkörnige Ferrit-Perlit-Struktur entsteht, die weniger anfällig für Rissbildung ist.

In einigen Stahlwerken, wie beispielsweise Werk A, wird die Oberflächenabschreckung nach der Sekundärbearbeitung der Stranggießplatten eingesetzt, um die Bildung von Rissen während des Aufheizens der Platte zu verhindern. Das System funktioniert durch eine schnelle Abkühlung der Plattenoberfläche nach dem Schneiden und Vorbehandeln der Gussstücke. Nach dem Quenchprozess wird die Temperatur kontrolliert, sodass die Platten bei etwa 350–450 °C in den Heizofen eingelegt werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit von thermisch bedingten Rissen reduziert wird.

Ein weiteres Beispiel für diese Technologie wird in Werk B angewendet, wo Stranggießplatten mit einer Dicke von bis zu 300 mm verarbeitet werden. Die Kühlung erfolgt durch starke Sprühdüsen, die die Plattenoberflächen gleichmäßig abkühlen, und anschließend wird die Temperatur so angepasst, dass keine thermischen Risse mehr entstehen, wenn die Platten in den Heizofen geladen werden.

Ein häufiges Problem, das bei der Anwendung dieser Technologien auftreten kann, ist die ungleichmäßige Kühlung, die insbesondere bei den Sprühdüsen vorkommen kann. Ungleichmäßige Kühlung führt dazu, dass an bestimmten Stellen der Plattenoberfläche nicht die notwendige Temperatur erreicht wird, was wiederum dazu führen kann, dass Risse trotz der Abschreckung entstehen. Daher müssen die Systeme kontinuierlich überwacht und angepasst werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

In der gesamten Industrie zeigt sich, dass die Oberflächenabschreckungstechnologie eine wichtige Rolle bei der Qualitätskontrolle von Stranggießstahl spielt. Sie trägt dazu bei, die Oberflächenrisse zu minimieren und die Festigkeit des Materials zu verbessern. Allerdings gibt es noch Herausforderungen im Hinblick auf die Effizienz der Kühlmethoden, insbesondere wenn es darum geht, die ideale Kühlung mit der Produktionsgeschwindigkeit zu kombinieren. Weiterhin müssen bei der Anwendung der Technologie verschiedene Stahltypen und Gießbedingungen berücksichtigt werden, da diese Faktoren die Abschreckwirkung beeinflussen können.

Insgesamt ist es wichtig zu verstehen, dass die Oberflächenabschreckungstechnologie zwar erhebliche Vorteile für die Qualität des Stranggießstahls bietet, aber die Implementierung und der Betrieb dieser Systeme präzise und anpassungsfähig gestaltet werden müssen. Eine falsche Anpassung der Kühlparameter oder eine ungenügende Kontrolle der Kühlrate kann zu ungleichmäßigen Strukturen und damit zu einer Beeinträchtigung der Produktqualität führen. Ein umfassendes Verständnis der physikalischen Prozesse und eine enge Überwachung der Technologie sind daher entscheidend, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.