Warum entstehen Oberflächenrisse beim Heißladen von Brammen und wie können sie kontrolliert werden?

Das Heißladen von Brammen hat sich in der modernen Stahlproduktion als eine wichtige Technologie etabliert, um Energie zu sparen und den Produktionsprozess zu optimieren. Diese Technik reduziert den Energieverbrauch, verkürzt den Produktionszyklus, verringert den Metallverbrauch und vereinfacht den Fertigungsprozess. Besonders große Stahlwerke profitieren von dieser Methode, da sie den Platzbedarf erheblich reduziert und somit Infrastrukturkosten spart. Bei der Verwendung von Heißladungstechnologie für Brammen wird das Problem des begrenzten Raums für die Stapelung von Brammen gelöst, was besonders in modernen, groß angelegten Stahlwerken von Bedeutung ist. Dennoch bringt diese Technologie auch technische Herausforderungen mit sich, insbesondere im Hinblick auf die Entstehung von Oberflächenrissen.

Ein besonders stark betroffenes Material bei dieser Problematik ist Mikrolegerstahl, insbesondere Stahl, der Elemente wie Niob (Nb) und Vanadium (V) enthält. Diese Elemente erweitern die γ-Phase des Stahls, was dazu führt, dass der Übergang von γ → α im Bereich um die Brammenoberfläche erfolgt. Infolgedessen entstehen mikroskopische Strukturen, die für thermische Spannungen anfällig sind und Rissbildung begünstigen. Ein weiterer entscheidender Faktor für das Auftreten von Heißladerrissen ist die Bildung von Koharnitriden, insbesondere von Nb(C, N), AlN und VN, an den Korngrenzen der Austenitstruktur, die bei hohen Temperaturen instabil werden und die Festigkeit der Korngrenzen verringern.

Die Ursachen für Heißladerrisse in Mikrolegierungsstahlbrammen sind demnach vielfältig. Sie resultieren nicht nur aus der Umwandlung der Phasenstruktur während des Heißladens, sondern auch aus den Eigenschaften der Mikrolegierungselemente und ihrer Neigung, Koharnitridpartikel an den Korngrenzen zu bilden. Wenn diese Koharnitridpartikel entlang der Korngrenzen präzipitieren, wird die Festigkeit dieser Grenzflächen reduziert, wodurch die Brammenoberfläche bei der Einwirkung von Spannungen leichter reißt.

Für die Stahlindustrie ist das Verständnis dieser Ursachen entscheidend, da Heißladerrisse die Qualität und Effizienz der Stahlprodukte erheblich beeinträchtigen können. Insbesondere in Produktionsprozessen, bei denen eine hohe Qualität der Endprodukte gefordert wird, können diese Oberflächenfehler die Produktionszeiten verlängern und Nachbearbeitungskosten verursachen. Eine Kontrolle und Minderung der Rissbildung stellt daher eine große Herausforderung dar.

Mehrere Kontrolltechnologien wurden entwickelt, um diese Risse zu verhindern. Eine der gängigsten Methoden ist die Zugabe von Legierungselementen wie Titan (Ti), die die Bildung von Koharnitriden an den Korngrenzen verhindern sollen. Durch die Zugabe von Titan wird der Stickstoffgehalt im Stahl reduziert, was wiederum die Bildung schädlicher Koharnitridpartikel einschränkt. Diese Methode hat jedoch Einschränkungen, da nicht alle Stahlsorten hohe Mengen an Titan vertragen. In solchen Fällen müssen andere Methoden angewandt werden.

Eine weitere Methode zur Vermeidung von Heißladerrissen ist das verzögerte Heißladen der Brammen. Dabei wird die Bramme erst dann in den Ofen gegeben, wenn die Oberfläche der Bramme eine niedrigere Temperatur als die Umwandlungstemperatur Ar1 aufweist. Diese Verzögerung verhindert, dass die Bramme zu schnell die Strukturübergänge durchläuft, die Risse begünstigen könnten. Allerdings erfordert dieses Verfahren einen erheblichen Aufwand, da die Brammen entweder offline gestapelt oder mit Wärmeisolierungen aufbewahrt werden müssen, was zu höheren Produktionskosten und Energieverbrauch führt.

Eine besonders vielversprechende Methode zur Rissvermeidung ist das Hochtemperatur-Heißladen, bei dem die Brammen mit einer höheren Temperatur in den Ofen eingeführt werden. Dies wird häufig durch den Einsatz schnellerer Gießgeschwindigkeiten erreicht, wodurch die Brammen die notwendige Temperatur erreichen, bevor sie in den Ofen gelangt. In dieser Temperaturzone werden keine Risse durch Phasenübergänge verursacht, da die Struktur der Bramme stabil bleibt.

Für eine erfolgreiche Anwendung dieser Technologien ist es von entscheidender Bedeutung, dass Stahlwerke die verschiedenen Faktoren verstehen, die zur Rissbildung führen. Dazu gehören nicht nur die Temperaturprofile und die Phasenübergänge während des Heißladeprozesses, sondern auch die spezifischen Eigenschaften der verwendeten Mikrolegierungen und deren Verhalten unter thermischen Spannungen. Nur durch gezielte Anpassungen in der Produktionsmethodik und der Auswahl von Legierungselementen können Stahlwerke die Qualität ihrer Produkte sicherstellen und die Auswirkungen von Heißladerrissen minimieren.

Wie beeinflussen Mikrolegierungselemente und Kornstruktur die Heißdehnbarkeit und Rissbildung beim Strangguss von Stahl?

Die Heißdehnbarkeit von Stahl während des Strangussprozesses ist ein komplexes Phänomen, das entscheidend von der Mikrostruktur, der Ausscheidung von Karbonitriden und dem Kornwachstum beeinflusst wird. Verschiedene Mikrolegierungselemente wie Niob (Nb), Titan (Ti), Vanadium (V) und Bor (B) spielen hierbei eine zentrale Rolle. Ihre Wirkung auf die Ausscheidungsbildung und das Kornwachstum während der Erstarrung und der anschließenden thermischen Behandlung bestimmt maßgeblich die Anfälligkeit des Stahls für Transversalrisse und andere Defekte.

Insbesondere die Ausscheidung von Karbonitriden wie Nb(C,N), TiN und VN während der Abkühlung im Temperaturbereich von etwa 900 bis 600 °C führt zu einer Reduktion der Heißdehnbarkeit. Diese Ausscheidungen wirken als Versprödungsherde, da sie lokale Verspannungen erzeugen und die Beweglichkeit der Versetzungen behindern. Je nach Legierungszusammensetzung und thermischer Historie variiert die Größe, Verteilung und Stabilität dieser Ausscheidungen, was direkte Auswirkungen auf die Rissanfälligkeit hat.

Das Kornwachstum, insbesondere die Ausbildung von groben, säulenförmigen Austenitkörnern während des Erstarrungsprozesses, verschärft die Problematik. Grobkörnige Strukturen weisen oft eine geringere Duktilität auf und fördern die Bildung von Oberflächenrissen. Die Entwicklung dieser Körner hängt sowohl von der chemischen Zusammensetzung (beispielsweise dem Peritektikum-Gehalt, also dem Verhältnis von Kohlenstoff und Legierungselementen) als auch von den thermomechanischen Bedingungen während des Gießens ab.

Die gezielte Steuerung des Kornwachstums durch Mikrolegierungselemente wie Nb und Ti kann die Ausbildung grober Körner unterdrücken und so die Gesamtduktilität verbessern. Gleichzeitig beeinflussen diese Elemente das Ausscheidungsverhalten, indem sie die Bildung von feinen, gleichmäßig verteilten Karbonitriden fördern, die die Korngröße verfeinern und eine homogenere Mikrostruktur erzeugen. So werden Spannungen reduziert, die sonst zur Rissbildung führen könnten.

Ein weiterer entscheidender Faktor ist das Temperaturfenster, in dem die Heißdehnbarkeit kritisch abnimmt, häufig im Bereich von 600 bis 900 °C. Innerhalb dieses Intervalls sind die Ausscheidungen besonders aktiv, und die Gefahr von Transversalrissen in den Gussblöcken ist am höchsten. Die genaue Kenntnis der Ausscheidungskinetik, der thermischen Zyklen sowie der Wechselwirkungen zwischen Legierungselementen und Mikrostruktur ist daher unerlässlich für die Optimierung des Strangussprozesses.

Zusätzlich spielen auch äußere Prozessparameter wie die Kühlrate, die Formgestaltung des Kokillenbereichs und die Verteilung von Schlackenfilmen eine Rolle bei der Entstehung von Rissen. So können beispielsweise oszillierende Markierungen an der Oberfläche und ungleichmäßige Wärmeübergänge lokale Spannungskonzentrationen hervorrufen, die zusammen mit den mikrostrukturellen Faktoren die Rissanfälligkeit erhöhen.

Die wissenschaftliche Forschung hat gezeigt, dass eine ganzheitliche Betrachtung aller Einflussgrößen – von der chemischen Zusammensetzung über die thermische Behandlung bis hin zu den mechanischen Prozessparametern – notwendig ist, um die Qualität der kontinuierlich gegossenen Stahlblöcke zu sichern. Moderne Modellierungen des Kornwachstums und der Ausscheidungskinetik, unterstützt durch in-situ Beobachtungen und Simulationen, liefern wertvolle Erkenntnisse für die Prozesskontrolle und die Entwicklung neuer Legierungen mit verbesserter Heißdehnbarkeit.

Wichtig ist, dass der Leser versteht: Die mikrostrukturellen Vorgänge während des Erstarrens und der anschließenden Abkühlung sind nicht isoliert zu betrachten. Sie interagieren mit den makroskopischen Prozessbedingungen, und nur durch deren Zusammenspiel lassen sich Risse und Defekte vermeiden. Die Herausforderung besteht darin, die Balance zwischen Festigkeit und Duktilität durch gezielte Legierungs- und Prozessgestaltung zu finden, um letztlich stabile und rissfreie Stahlprodukte herzustellen.

Was sind die Entwicklung und Merkmale der Dünnschlammen-Kontinuierlich-Guss- und Walztechnologie?

Ein weiterer Durchbruch ist die Entwicklung der „endlosen Walztechnologie“, die eine nahezu stabile kontinuierliche Produktion ohne den Bedarf an menschlicher Aufsicht ermöglicht. Besonders hervorzuheben ist, dass mit dieser Technologie die Stabilität der mechanischen Eigenschaften des Produkts signifikant verbessert wurde. Die Produktion von Produkten mit einer Dicke von 0,6 bis 0,8 mm ist nun möglich, was „Heißwalzen statt Kaltwalzen“ bedeutet. Diese Entwicklung hat den Wettbewerbsvorteil von Produkten, die mit Dünnschlammen-Kontinuierlich-Guss- und Walztechnologie hergestellt werden, enorm gesteigert.

Statistiken zeigen, dass die Dünnschlammen-Kontinuierlich-Guss- und Walztechnologie im Vergleich zu traditionellen Heißwalzstraßen etwa 42 % weniger Investitionen erfordert, den Energieverbrauch um etwa 50 % senkt und die Produktionskosten um etwa 12 % reduziert. Darüber hinaus wird die Ausbeute um etwa 1,8 % erhöht und die Wartungskosten der Geräte um etwa 61 % gesenkt. Diese Faktoren tragen erheblich zur Verbesserung der Marktstellung der Produktionslinien bei.

Die Dünnschlammen-Kontinuierlich-Guss-Technologie hat eine Reihe spezifischer Merkmale, die sie von traditionellen Gussverfahren abheben. Ein entscheidendes Merkmal ist die geringe Dicke des hergestellten Schlamms. Die Dicke der von Dünnschlammen-Kontinuierlich-Gießern produzierten Schlamme liegt üblicherweise im Bereich von 20 bis 100 mm, wobei die typischen Dicken 50, 70 und 90 mm betragen. Aufgrund der geringen Dicke dieser Schlamme ist der Bogenradius des Gießers klein, und die Produktionslinie ist entsprechend kürzer, was die hohen Temperaturanforderungen an den Schlamm-Auslauf erleichtert. Darüber hinaus sorgt die schnelle Erstarrung des dünnen Schlamms für die Grundlage der Hochgeschwindigkeitskontinuierlichen Gießprozesse.

Ein weiteres Merkmal dieser Technologie ist die hohe Gießgeschwindigkeit. Die typische Gießgeschwindigkeit der Dünnschlammen-Kontinuierlich-Gießtechnologie liegt bei mehr als 5,0 m/min, wobei in modernen Anlagen wie der von Baowu Steel und Han Steel Geschwindigkeiten von 3,5 bis 5,0 m/min erreicht werden. In den letzten Jahren hat sich diese Geschwindigkeit dank der „endlosen Walztechnologie“ weiter erhöht und erreicht mittlerweile 5,5 bis 6,0 m/min. Unternehmen in Südkorea haben mit dieser Technologie sogar Gießgeschwindigkeiten von bis zu 8,0 m/min erreicht.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Dünnschlammen-Kontinuierlich-Gießtechnologie ist die hohe Temperatur des Schlamms beim Auslauf. Aufgrund der hohen Gießgeschwindigkeit hat der Schlamm beim Verlassen des Gießers eine hohe Temperatur: Die Oberflächentemperatur am Ende der Erstarrung kann 1100–1150 °C erreichen, während die Durchschnittstemperatur 1300 °C betragen kann. Diese hohe Temperatur ist eine Voraussetzung für die Anwendung der „endlosen Walztechnologie“, die eine kontinuierliche, automatisierte Produktion ohne menschliches Eingreifen ermöglicht.

Ein weiteres entscheidendes Merkmal ist die kurze metallurgische Länge der Dünnschlamme. Aufgrund der kleinen Dicke und schnellen Erstarrung des Schlamms ist die metallurgische Länge der Produktionslinie relativ kurz. In modernen Dünnschlammen-Kontinuierlich-Gießlinien beträgt diese Länge typischerweise nur 5 bis 8 Meter, während bei traditionellen Gießverfahren die metallurgische Länge oft 20 Meter überschreitet.

Die Dünnschlammen-Kontinuierlich-Gießtechnik ist auch durch eine große spezifische Oberfläche gekennzeichnet. Die spezifische Oberfläche eines Dünnschlamms mit einer Größe von 1500 mm × 50 mm beträgt 5,3 m²/t, während der herkömmliche Schlamm mit einer Dicke von 250 mm bei gleicher Breite nur 1,2 m²/t aufweist. Diese große spezifische Oberfläche führt zu einer höheren Wärmeabgabe während der Erstarrung und beschleunigt die Erstarrung des Schlamms. Gleichzeitig erhöht dies jedoch auch die thermische Spannung an der Oberfläche des Schlamms, was zu einer höheren Rate von Oberflächen- und Sub-Oberflächen-Rissen führt.

Die Implementierung dieses Prozesses hat mehrere Vorteile: Es verbessert die Qualität des Schlamms, reduziert die Segregation im Inneren des Schlamms und verringert die Anzahl der erforderlichen Walzprozesse. Darüber hinaus trägt dieser Prozess zur Stabilität der Produktionslinie bei und ermöglicht eine hohe Produktionsgeschwindigkeit bei gleichzeitig besserer Produktqualität.

Die Dünnschlammen-Kontinuierlich-Gießtechnologie hat das Potenzial, die Metallindustrie in den kommenden Jahren weiterhin zu revolutionieren. Ihre Effizienz, Flexibilität und das Potenzial für niedrige Produktionskosten machen sie zu einem wichtigen Instrument in der Stahlproduktion. Doch trotz der vielen Vorteile erfordert die Technologie weiterhin fortschrittliche Steuerungssysteme und hochpräzise Anlagentechnologien, um eine kontinuierlich hohe Qualität und eine stabile Produktion zu gewährleisten.

Wie wird das thermo-mechanische Verhalten der Schale bei der Erstarrung in dünnwandigen Stahlstranggussformen präzise modelliert?

Voraussetzungen und Annahmen sind entscheidend für die Modellierung. Beispielsweise wird die Komposition und das Verhalten der Formflussmittel-Schicht differenziert in flüssige und feste Phasen. Die Schichtdicke des Flusses wird durch den Spalt zwischen Schale und Kupferplatte sowie durch den Zustand des Flusses bestimmt, wobei dessen Schrumpfung vernachlässigt wird. Außerdem wird die Wärmeleitfähigkeit der Kupferplatte als isotrop und deren physikalische Eigenschaften wie Dichte und spezifische Wärme als konstant angenommen. Die mechanische Wechselwirkung zwischen Schale und Form wird als starrer-flexibler Kontakt modelliert, während Reibung und Formschwingungen vernachlässigt werden. Diese Vereinfachungen ermöglichen eine mathematisch und rechnerisch handhabbare Modellbildung bei gleichzeitig hoher Genauigkeit.

Das Kühlwasser in den Kanälen der Kupferplatte ist ein wesentlicher Faktor für die Effizienz der Wärmeabfuhr und somit für das Erstarrungsverhalten der Schale. Die Strömung wird durch die Kontinuitätsgleichung sowie Impuls- und Energiegleichungen beschrieben, welche die Massen-, Impuls- und Energieerhaltung sicherstellen. Aufgrund der hohen Fließgeschwindigkeit und großer Reynoldszahlen wird die Turbulenz mittels des k-ε-Modells berücksichtigt, welches die turbulente kinetische Energie und deren Dissipation erfasst. Diese genauere Modellierung des Kühlwassers ermöglicht die präzise Erfassung der Wärmeübertragung an der Schnittstelle und beeinflusst somit maßgeblich die Temperaturverteilung und mechanischen Spannungen in der Schale.

Mechanisch wird die Schale mit einem viskoplastischen, temperatur- und spannungsabhängigen Materialgesetz beschrieben, das das Verhalten bei duktiler Verformung und Kriechen während des Durchgangs durch den Trichterbereich abbildet. Das Anand-Modell als konstitutive Gleichung ermöglicht die Beschreibung dieser komplexen Zeit- und temperaturabhängigen Verformungsprozesse. So wird die Entwicklung von inneren Spannungen und plastischen Deformationen während des Erstarrungsprozesses erfasst.

Neben der reinen Modellierungstechnik ist für das Verständnis des Prozesses die Betrachtung der Wechselwirkung zwischen den physikalischen Größen zentral. Die Temperaturverteilung beeinflusst direkt die Erstarrungsgeschwindigkeit und die Entstehung von Spannungen, während die mechanischen Spannungen wiederum die Kontaktverhältnisse und damit die Wärmeübertragung beeinflussen können. Dies unterstreicht die Notwendigkeit der gekoppelten Betrachtung von Wärme- und Mechanikphänomenen.

Weiterhin ist die Berücksichtigung der Fluiddynamik des Kühlwassers entscheidend, da die turbulenten Strömungsverhältnisse die Wärmeabfuhr und damit den Erstarrungsprozess stark beeinflussen. Nur durch eine präzise Abbildung dieser Strömungen und deren Wechselwirkung mit der Form können realistische Vorhersagen über das thermische und mechanische Verhalten getroffen werden.

Wichtig ist zudem, die Grenzen und Annahmen des Modells im Auge zu behalten: Die Vernachlässigung von Reibung und Formschwingungen, die Annahme isotroper Materialeigenschaften und das Festhalten an konstanten thermophysikalischen Parametern können die Genauigkeit in bestimmten Randfällen einschränken. Ebenso ist die Wahl der Materialparameter des Anand-Modells kritisch für die präzise Beschreibung des mechanischen Verhaltens. Die Modellparameter sollten auf fundierten experimentellen Daten beruhen, um eine valide Prognose zu ermöglichen.

Darüber hinaus ist es für den Leser essenziell zu verstehen, dass die Modellierung thermo-mechanischer Prozesse in der Stranggussform ein interdisziplinärer Ansatz ist, der Kenntnisse aus Wärmeübertragung, Fluidmechanik, Materialwissenschaft und Mechanik erfordert. Nur durch die Kombination dieser Bereiche können die komplexen Phänomene im Gießprozess hinreichend genau beschrieben und optimiert werden.

Wie entstehen Eckenrisse bei mikrolegierten Dünnbrammen während der flüssigkernreduzierten Stranggießung?

Parallel dazu erfolgt eine Breitenexpansion der Bramme, die bei Eintritt in das Reduktionssegment durch die vorangegangene thermische Schwindung bereits etwa 14,3 mm beträgt. Während der flüssigkernreduzierten Passage erhöht sich die Breite infolge der starken Quetschung durch die Reduktionswalzen nochmals um ca. 7,74 mm. Diese plastischen Verformungen führen zu einer Differenzspannung entlang der Breite und Dicke der Bramme.

Die Analyse der äquivalenten Spannungsverteilung zeigt, dass an der Innenbogen-weiten Seite der Bramme unter dem Einfluss der zyklischen Belastung durch die Walzen Spannungen im Bereich von 40–45 MPa entlang der Mittellinie auftreten. An den Ecken jedoch steigen die Spannungen deutlich auf 60–65 MPa an. An der Innenbogen-schmalseite hingegen liegt die Spannung entlang der Mittellinie nur bei 4–5 MPa. Somit konzentrieren sich die höchsten mechanischen Belastungen an den Ecken der Bramme – dort, wo die Duktilität des Materials im Hochtemperaturbereich am niedrigsten ist.

In Verbindung mit der mikrostrukturellen Entwicklung bei hohen Verformungsraten und geringer Duktilität bestätigt sich, dass diese Spannungsakkumulation an den Ecken, kombiniert mit unzureichender plastischer Verformbarkeit, zur Hauptursache für transversale Risse wird. Der Beginn der Rissbildung lässt sich somit klar dem Bereich der flüssigkernreduzierten Segmente zuordnen.

Ein weiterer Schlüsselfaktor ist die ungleichmäßige Abkühlung in der Kokille. In konventionellen Gießsystemen liegt die durchschnittliche Abkühlrate im Bereich von der Kokillenmitte bis zum Austritt des ersten Bogensegments bei nur etwa 3,9 °C/s, was zu einer dynamischen Wiedererwärmung der Ecken führt. Diese langsame Abkühlung begünstigt die Ausscheidung von Mikrolegierungs-Carbonitriden entlang der Korngrenzen, insbesondere an den Ecken der Bramme. Die dortige Konzentration solcher Ausscheidungen reduziert die Warmumformbarkeit des Stahls signifikant.

Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass eine schnellere Abkühlung – mit Raten über 5 °C/s – die Ausscheidung feiner und gleichmäßig verteilter Carbonitride fördert, wodurch die Heißduktilität des Stahls verbessert werden kann. Um dies zu erreichen, ist eine gezielte technische Entwicklung notwendig: eine verbesserte Kokillenkonstruktion mit optimierter Wärmeübertragung sowie eine präzise gesteuerte Sekundärkühlung im Bereich der Fußwalzenzone.

Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein innovatives Schmalseitendesign entwickelt. Die Kupferplatte der Schmalseite besitzt nun eine gekrümmte Oberfläche mit einem progressiv abgestuften Kompensationsprofil: schnelle Kompensation im oberen Bereich, langsame im mittleren und unteren Bereich. Dieses Design reduziert effektiv die Spaltbildung zwischen Bramme und Formwand, steigert die lokale Wärmeübertragung und unterdrückt die unerwünschte Ausscheidung von Carbonitriden.

Wichtig ist auch die Berücksichtigung der mechanisch-thermischen Wechselwirkung im System: Die plastische Deformation, hervorgerufen durch Reduktionskräfte, tritt in einen komplexen Wettbewerb mit den thermisch bedingten Spannungen. Die lokale Mikrostrukturentwicklung an den Ecken hängt direkt von der Balance dieser Prozesse ab. Nur wenn ausreichende Abkühlraten und gleichzeitig kontrollierte Reduktionsparameter vorhanden sind, lässt sich die Gefahr von Eckenrissen minimieren.

Wichtig ist zudem, dass diese Prozessbedingungen nicht nur im Labormaßstab, sondern auch im industriellen Maßstab reproduzierbar sind. Die Integration thermomechanischer Simulationsmodelle in die Anlagensteuerung sowie die präzise Erfassung von Temperatur- und Deformationsprofilen entlang der Brammenlänge sind dabei essenziell. Nur so können Echtzeit-Anpassungen vorgenommen werden, um die Bildung kritischer Spannungszustände zu vermeiden.

Eine besondere Rolle spielt die gezielte Steuerung der Erstarrungsfront und deren Kopplung mit der Walzengeometrie. Auch die genaue Positionierung und Kalibrierung der Reduktionswalzen beeinflusst die Entstehung von Rissen erheblich. Gerade bei hochfesten mikrolegierten Stählen mit geringer Duktilitätsreserve im Übergangsbereich zwischen flüssigem und festem Zustand ist dies von zentraler Bedeutung.