Wie beeinflussen thermomechanische Effekte die Wärmeübertragung und Rissbildung an den Ecken von Mikrolegierten Stahlbandwürfen während der kontinuierlichen Stranggussproduktion?

Die komplexe Wechselwirkung zwischen thermischer Schrumpfung, mechanischer Verformung und der Wärmeübertragung an der Grenzfläche zwischen dem erstarrten Metallschalenmantel und der Kupferform während des Stranggussprozesses führt zu charakteristischen Problemen, besonders in den Randbereichen der Schlacke. Im Bereich der schmalen Stirnseite passt sich die Kupferplatte durch die zunehmende Verformung der Schale allmählich an, wodurch die Spalte an der Ecke und dem angrenzenden Randabschnitt nahezu eliminiert werden. Im Gegensatz dazu bleiben an der breiten Stirnseite trotz der Schrumpfung und Verformung aufgrund der begrenzten Kompensation in Dicke und der thermischen Schrumpfung des Formmantels in Längsrichtung erhebliche Spalte zwischen Schale und Kupferplatte erhalten. Diese verbleibenden Spalte wirken sich direkt auf die Wärmeübertragung aus, da sie eine Konzentration von Luftspalten und dickeren Schlackenfilmen begünstigen.

Die Notwendigkeit, die Schrumpfung der schmalen Stirnseite in Querrichtung durch eine konische Formung der Kupferplatte auszugleichen, führt dabei zu unerwünschten Nebeneffekten. Eine zu starke Konizität verursacht nicht nur einen erhöhten Verschleiß an der Kupferplatte, sondern steigert auch die Reibung zwischen der Schale und der Form, was das Risiko der Schälrisse an den schmalen Kanten und Ecken signifikant erhöht. Diese Risse treten durch die Kombination aus überschüssiger Verformung der noch nicht vollständig erstarrten Schale und der unzureichenden mechanischen Unterstützung der Kupferplatte auf. Die Folge sind erhöhte Zugspannungen an der Erstarrungsfront und eine gesteigerte Anfälligkeit für oberflächennahe Risse, insbesondere im Bereich der Off-Ecken und Ecken der Schale.

Die Wärmeübertragung an der Schnittstelle zwischen Schale und Form wird maßgeblich durch die dynamische Verteilung von Schlackenfilmen und Luftspalten bestimmt. Während die obere Zone der Form, aufgrund der höheren Temperatur des Metallmantels, nur geringe Schrumpfung zeigt, verdickt sich die Schlackenfilmschicht weiter unten entlang der Höhe der Form, vor allem in den Randbereichen. Diese lokale Verdickung des Schlackenfilms bewirkt eine deutliche Verringerung der Wärmeabfuhr an den Ecken. Das Flüssigschlackenfilm füllt in diesen Bereichen die Spalte kontinuierlich aus, beeinflusst durch die Oszillation der Form, und sorgt für eine ungleichmäßige Wärmeübertragung.

Interessanterweise zeigt sich, dass die Dicke des Schlackenfilms an den schmalen Stirnseiten oft größer ist als an den breiten Stirnseiten, was die ohnehin bereits schwierige Wärmeableitung an den schmalen Kanten zusätzlich verschärft. Die Verteilung des Schlackenfilms entlang der Formhöhe und von der Ecke zur Mitte der Stirnseiten offenbart, dass der Bereich der schmalen Stirnseite stärker von Verdickungen betroffen ist. Dies steht im direkten Zusammenhang mit der unzureichenden Kompensation der Schrumpfung in Richtung der breiten Stirnseite durch die konische Form der Kupferplatte.

Die Folgen dieses komplexen thermomechanischen Verhaltens manifestieren sich in einer grobkörnigen Austenitstruktur und der lokalen Anreicherung von Mikrolegierungscarbonitriden entlang der Korngrenzen in den Randbereichen. Diese Mikrostruktur beeinträchtigt die Duktilität der Schale signifikant und fördert die Entstehung von Rissen, die im Stranggussprozess schwer zu kontrollieren sind.

Von besonderer Bedeutung ist die Erkenntnis, dass die Optimierung der Formgeometrie und der damit verbundenen Wärmeübertragungsschicht eine präzise Abstimmung erfordert. Eine unzureichende Kompensation der thermischen Schrumpfung führt zu mechanischer Überbeanspruchung und erhöhtem Verschleiß, während eine übermäßige Konizität die Rissanfälligkeit steigert. Die dynamische Natur des Schlackenfilms und die Verteilung der Luftspalte spielen eine entscheidende Rolle bei der Wärmeübertragung und damit bei der Mikrostrukturentwicklung und Rissbildung.

Das Verständnis dieser Zusammenhänge ist für die Weiterentwicklung des Stranggussprozesses von essentieller Bedeutung. Neben der Anpassung der Formgeometrie sollten auch die Eigenschaften und das Verhalten der Schlacke und die Oberflächenbeschaffenheit der Kupferplatten intensiv untersucht und optimiert werden. Nur so kann eine gleichmäßige Wärmeabfuhr gewährleistet und die Qualität der Mikrolegierten Stahlbänder nachhaltig verbessert werden.

Was ist die Ursache der Längsdepression an der breiten Ecke von Mikrolegiertem Stahl und wie kann sie kontrolliert werden?

Die Entstehung der Längsdepression an der breiten Ecke eines dicken Stahlbils ist ein bedeutendes Problem, das die Qualität des Endprodukts in der kontinuierlichen Gießtechnik beeinflussen kann. Dies betrifft insbesondere den Bereich der breiten Flächen des Stahlbils, wo beim Abkühlen und in der Folge der Verformung durch das Reduktionsverfahren signifikante Depressionsmerkmale auftreten können. Diese Depressionen entstehen vor allem an der äußeren Ecke der breiten Fläche und haben eine direkte Auswirkung auf die Oberflächenqualität des Stahlbils.

In den frühen Phasen des Reduktionsprozesses treten bei der Verformung des Stahlbils an der inneren Bögen-Seite signifikante Deformationen auf. Besonders auffällig sind die flacheren Ecken und die Abnahme der Breite und Tiefe der Längsdepressionen, wenn das Slab die verschiedenen Reduktionssegmente durchläuft. In den Reduktionssegmenten No. 9 bis No. 11 nimmt die Breite der Depression deutlich ab – von 153 mm auf 84 mm und die Tiefe von 3,6 mm auf 1,8 mm. Dieser Prozess führt zu einer Verringerung der Breite um rund 49,1 % und der Tiefe um etwa 53,8 %. In der praktischen Produktion ist es häufig der Fall, dass die Oszillationsmarken an der breiten Ecke des Stahlbils relativ grob sind und keine offensichtliche Depression zu sehen ist, oder nur eine geringe Depression mit einer Breite von 50–100 mm erscheint. Dieser Prozess der Reduktion und der Deformation hat jedoch zur Folge, dass die Form der schmalen Seite des Slabs sich zu einer „S-Form“ verändert, was die Kontrolle von Kantenfehlern, auch als „schwarze Linie“ bekannt, erschwert.

Die Bildung dieser Depression wird durch das thermomechanische Verhalten des Stahlbils im Gießprozess beeinflusst. Während der Erstarrung im Gießbalken entstehen im Bereich der breiten Ecke aufgrund der schlechten Unterstützung durch die Kupferplatten der Form erhebliche heiße Zonen. Diese Zonen behindern den Wärmeübergang an der breiten Ecke, was zu einer ausgeprägten Längsdepression führt. Im Bereich nach dem Austritt des Slabs aus der Form, speziell im Bereich der Fußrollen der schmalen Seite, tritt eine charakteristische Wölbung der schmalen Seite auf. Diese Deformation führt dazu, dass der bereits erstarrte Schalenbereich des Slabs mit der Ecke als Drehpunkt verdreht wird, wodurch die breite Seite nach innen abgeknickt wird und eine Depression entsteht.

Dieser Vorgang verstärkt sich in den sekundären Kühlzonen, insbesondere in den Zonen 2 und 3, und die Depression wird nach dem Biegen weiter stabilisiert. Nach dem Eintritt in die letzten Reduktionssegmente erfolgt eine allmähliche Glättung der Schale beider Seiten der breiten Ecke, wodurch sich die Depression allmählich verringert. Letztlich entsteht eine Depression mit einer Breite von 50–100 mm und einer Tiefe von 1,0–5,0 mm, die durch die reduzierte Schale auf beiden Seiten stabilisiert wird.

Die Ursachen dieser Längsdepressionen in der breiten Ecke sind eng mit den Wechselwirkungen zwischen der Schalenbildung, der Wärmeübertragung und der mechanischen Verformung des Slabs verbunden. Im Gegensatz zu den Theorien, die die Bildung der Depression bereits im Bereich der Fußrollen der Form ansetzen, wird in diesem Zusammenhang argumentiert, dass die Depressionen eher in den sekundären Kühlzonen entstehen, nachdem das Slab die Form verlassen hat. Dies macht deutlich, wie die Abkühlung und die mechanischen Einflüsse auf das Slab während des gesamten Gießprozesses ineinandergreifen.

Zur Kontrolle der Längsdepressionen muss insbesondere darauf geachtet werden, dass die gebildeten heißen Zonen an der breiten Ecke des Slabs verhindert werden. Dies erfordert eine ausreichende Unterstützung der Schale durch die Fußrollen der schmalen Seite und eine Reduzierung der Schrumpfungslücke zwischen der Schale und der Form. Dies kann durch eine Erhöhung des Kegels der Form erreicht werden, um eine gleichmäßigere Wärmeübertragung zu ermöglichen und die Bildung von Luftspalten oder dickeren Fluxfilmen zu verhindern. Darüber hinaus muss der Reduktionsprozess an den späteren Segmenten so gestaltet werden, dass die Deformation der breiten Seite minimiert wird, um die Bildung einer übermäßigen Wölbung zu verhindern.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die präzise Steuerung der Temperatur- und Verformungsparameter während der gesamten Herstellung des Stahlbils. Dies betrifft sowohl die Formungsprozesse in der Gießform als auch die Reduktion in den Folgeprozessen, bei denen die Kontrolle der Deformation entscheidend ist. Ohne eine gezielte Überwachung und Anpassung der Parameter könnte die Entstehung von Längsdepressionen nicht nur die ästhetische Qualität des Slabs beeinträchtigen, sondern auch die strukturelle Integrität des Materials gefährden.