Welche Faktoren beeinflussen die Bildung von Eckrissen bei der Mikrolegierungsstahl-Gussplatte?

Die Bildung von Eckrissen in Mikrolegierungsstahl-Gussplatten ist ein vielschichtiges Problem, das sowohl durch interne als auch durch externe Faktoren bedingt ist. In der industriellen Praxis wurde eine Vielzahl von Kühlmethoden entwickelt, um die Festigkeit und Duktilität von Stahl zu verbessern und gleichzeitig die Gefahr der Rissbildung zu minimieren. Besonders die Kühlprozesse während der kontinuierlichen Gießprozesse sowie die mechanischen Kräfte im Gießverfahren spielen eine entscheidende Rolle. Doch trotz der vielfältigen Fortschritte in der Forschung bleibt die Stabilität der Duktilität der Eckstrukturen bei niedrigen Temperaturen problematisch.

Die Praxis hat jedoch gezeigt, dass diese thermischen Prozesse nicht immer ausreichen, um die Entstehung von Eckrissen zu verhindern. Eine der wesentlichen Ursachen für Rissbildung in den Ecken der Gussplatte liegt in den externen Kräften, die durch die kontinuierliche Gießtechnik und die mechanischen Einflüsse während des Gießprozesses entstehen. Während des Gießvorgangs wirken unterschiedliche Spannungen auf die Gussplatte, insbesondere auf die Ecken, wo aufgrund der Form und des Temperaturgradienten besonders hohe mechanische Belastungen auftreten.

Ein bedeutender externer Faktor ist der Reibungsdruck zwischen der Gussschale und den Kupferplatten des Kokills. Wenn die Kokille während des Gießprozesses periodische Bewegungen vollführt, entsteht ein großer Reibungsstress, der die Oberfläche der Gussplatte beeinflusst. Besonders wenn die Kokille nach oben bewegt wird, gerät die Oberfläche der Gussplatte in eine Zugspannung, die bei schwachen Kornstrukturen in den Ecken zu Mikrorissen führen kann. Die Wahl geeigneter Parameter für den Schalenwinkel und die Oszillationsfrequenz der Kokille kann helfen, die Reibungskräfte zu minimieren und somit die Rissbildung zu verringern.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Tiefe der Oszillationsmarken auf der Oberfläche der Gussplatte. In der kontinuierlichen Gießtechnik variieren die Oberflächenmarken in Abhängigkeit von der Gießgeschwindigkeit, den Oszillationsparametern und der Stahlqualität. Studien von Emi et al. und Tomono et al. zeigen, dass besonders tiefe Oszillationsmarken eine Schwächung der Gussplatte hervorrufen können, indem sie die Kühlung ungleichmäßig beeinflussen und dadurch die Kornstruktur in diesen Bereichen verschlechtern. Dies erhöht die Gefahr der Bildung von transversalen Rissen an den Ecken der Gussplatte, da die Kornstruktur an den Kanten besonders anfällig für mechanische Belastungen wird.

Darüber hinaus spielt der Kühlprozess eine zentrale Rolle bei der Bildung von Eckrissen. Während des Erstarrungsprozesses der kontinuierlich gegossenen Platten entstehen große Temperaturunterschiede im Material, was zu erheblichen thermischen Spannungen führt. Besonders an den Ecken der Gussplatte ist der Temperaturgradient hoch, was zu einem starken Stress führt, der die Bildung von Rissen begünstigt. Eine gleichmäßige Kühlung und die Homogenisierung der Kühlwasserverteilung sind entscheidend, um diese thermischen Spannungen zu minimieren und die Gefahr von Rissen zu verringern.

In der Praxis ist es daher notwendig, neben den oben genannten Faktoren auch die Gestaltung der Kühlprozesse und die kontinuierliche Überwachung der mechanischen Spannungen während des Gießens zu optimieren. Neben der Forschung zur Verbesserung der Wärmebehandlungsprozesse spielt auch die genaue Abstimmung der Gießparameter auf den jeweiligen Stahltyp eine zentrale Rolle bei der Minimierung der Rissbildung. Die genaue Kontrolle über die Gießgeschwindigkeit, die Oszillationsparameter und die Kühlung ist entscheidend für die Verbesserung der Mikrohärte und Duktilität von Gussplatten und die Vermeidung von Rissen an den Ecken der Platten.

Wie der Langzeittiefenmechanismus der breiten Schalenablenkung bei der Bramme beeinflusst wird

Sobald die Bramme die Gießform verlässt und in die Sekundärkühlzone übergeht, übt der ferrostatistische Druck auf die breite Schale aus und führt zu periodischen Ausbuchtungen zwischen den Walzen. An diesem Punkt beginnt die Schale an der „heißen Stelle“ der breiten Schalenablenkung zu biegen, während unter dem Einfluss der Ausbuchtung der schmalen Schale im Bereich der Fußwalze die Ecke der Schale zur Mitte der breiten Seite verdreht wird. Dieser Prozess setzt sich fort, bis die Depression vergrößert wird und eine größere Längsdepression entsteht. Dieser Abschnitt wird als die Phase der Entstehung der Längsdepression an der breiten Schalenablenkung beschrieben.

Um die Bildung von Längsdepressionen an der breiten Schalenablenkung zu kontrollieren und zu verringern, wurden verschiedene Steuerstrategien entwickelt, die auf einem besseren Verständnis des Entstehungsmechanismus basieren. Eine dieser Strategien betrifft die Optimierung der Formstruktur und des Prozesses. Der Wärmeübergang in der Form bestimmt die Uniformität der Solidifikation der Schale. Um eine gleichmäßige Wärmeabgabe zu gewährleisten und die Verformung der Schale zu kontrollieren, wird empfohlen, eine Form mit einer dreifachen Neigung zu verwenden, bei der der obere Bereich eine große Neigungskomponente aufweist, die mittlere Teil parallel und der untere Bereich eine kleine Neigungskomponente hat. Diese Struktur hilft, die schnelle Schrumpfung der Schale in der frühen Phase der Solidifikation auszugleichen und die schmale Seite der Bramme vor einer zu starken Ausbuchtung zu schützen.

Neben der Optimierung der Formstruktur hat auch die Wahl des Formflusses einen wesentlichen Einfluss auf die Entstehung von Längsdepressionen. Zum Beispiel zeigte eine Untersuchung in Shougang Steel, dass für Brammen mit einer breiten Schalenablenkung bei hoher Aluminiummenge, ein Formfluss mit hoher Alkalinität, geringer Viskosität und niedrigem Schmelzpunkt vorteilhaft ist, um die Bildung von Längsdepressionen zu vermeiden. Für Brammen mit schmaleren Querschnitten wurde hingegen ein Formfluss mit höherer Viskosität und höherem Schmelzpunkt bevorzugt. Die Wechselwirkung zwischen Stahl und Schmelzfluss muss ebenfalls berücksichtigt werden, da sie die Entstehung von Längsdepressionen verschärfen kann.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Verbesserung des Sekundärkühlprozesses. Untersuchungen haben gezeigt, dass ein zu schwacher Kühlungsgrad an der schmalen Seite der Bramme dazu führen kann, dass die Schale dort ausbuchtet und die Längsdepressionen an der breiten Seite begünstigt werden. Dies lässt sich durch eine Verstärkung der Kühlung im Bereich der schmalen Schale vermeiden. Eine entsprechende Steigerung der Sprühmenge an der schmalen Seite nach dem Verlassen der Form kann die Schalenstärke und -festigkeit erhöhen, was wiederum die Entstehung von Ausbuchtungen und Längsdepressionen verhindert.

Wie gestaltet sich die Innovationskraft und strukturelle Entwicklung der chinesischen Eisen- und Stahlindustrie?

Die chinesische Eisen- und Stahlindustrie befindet sich gegenwärtig in einer Phase tiefgreifender struktureller Anpassungen und Transformationen, die eine Abkehr von der bisherigen expansiven Wachstumsstrategie hin zu einer qualitativen und nachhaltigen Entwicklung erfordern. Trotz der erreichten Größe und Kapazität ist die Qualität der Produkte, das Verhältnis der Produktstruktur und die Innovationsfähigkeit noch unzureichend. Diese Defizite führen zu einer starken Nachfrage nach hochwertigen, leistungsfähigen Produkten und eigenständigen Innovationen, die die Branche vor große Herausforderungen stellen.

Die Steigerung der Qualität und Effizienz der Entwicklung wird deshalb zur Hauptaufgabe, wobei die Angebotsseite im Fokus der Reformen steht. Die Modernisierung der Eisen- und Stahlindustrie verlangt eine Neuausrichtung hin zu einer serviceorientierten Wertschöpfungskette, die neben der Produktion auch umfassende Dienstleistungen einbindet. Diese Transformation soll die gesamte Branche nicht nur technologisch, sondern auch organisatorisch und ökonomisch zukunftsfähig machen und gleichzeitig den Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung verstärken.

Von besonderer Bedeutung ist das Zusammenspiel von Industrie, Wissenschaft und Forschung, das in China durch das Collaborative Innovation Center of Steel Technology institutionalisiert wurde. Dieses Zentrum, gegründet unter der Leitung der metallurgischen Spitzenuniversitäten, bündelt die Kräfte von Unternehmen, Forschungseinrichtungen und Hochschulen, um eine intensive Zusammenarbeit im Bereich Schlüsseltechnologien zu fördern. Seit seiner Etablierung im Jahr 2014 konnten bedeutende technologische Durchbrüche erzielt werden, die von innovativen Verfahrensentwicklungen wie dem neuen Pfannen-Bodenpulversprühveredelungsverfahren über kontinuierliche Gieß- und Walztechnologien bis hin zu intelligenter Fertigung von Profilen und Flachprodukten reichen.

Diese Forschungsfortschritte sind weitgehend originäre Leistungen chinesischer Wissenschaftler und Ingenieure, die nicht nur den Stand der Technik in China maßgeblich vorangebracht, sondern auch weltweit Anerkennung gefunden haben. Durch die erfolgreiche Umsetzung dieser Technologien in der Praxis wurde die Eisen- und Stahlindustrie Chinas von einer Nachfolgerrolle zu einer Vorreiterrolle in puncto grüner Technologien, intelligenter Ausrüstung und qualitativ hochwertiger Produkte geführt.

Wichtig ist, dass dieser technologische Fortschritt eingebettet ist in eine strategische Gesamtkonzeption, die auf hohe Qualität, Effizienzsteigerung und nachhaltige Innovation setzt. Die Förderung von eigenständiger Innovation gilt als essenziell, um die Abhängigkeit von externen Technologien zu verringern und die Wettbewerbsfähigkeit langfristig zu sichern. Das Ziel ist, nicht nur die technische, sondern auch die organisatorische und serviceorientierte Weiterentwicklung voranzutreiben, um eine moderne, international wettbewerbsfähige Eisen- und Stahlindustrie zu etablieren.

Der Wandel der Branche erfordert darüber hinaus ein tiefes Verständnis für die komplexen Zusammenhänge von Produktentwicklung, Prozessoptimierung und Marktnachfrage. Der Erfolg hängt davon ab, wie gut es gelingt, diese Aspekte miteinander zu verzahnen und eine nachhaltige Innovationskultur zu schaffen. Diese Kultur umfasst neben technologischem Fortschritt auch die Förderung von Fachwissen, die Integration von digitalen und intelligenten Fertigungsmethoden sowie die Entwicklung von umweltfreundlichen Produktionsprozessen.

Der vorliegende Wandel und die technologischen Errungenschaften verdeutlichen, dass die Zukunft der chinesischen Eisen- und Stahlindustrie in einem ganzheitlichen Innovationssystem liegt. Dabei spielen langfristige Kooperationen zwischen Industrie und Forschung eine zentrale Rolle, um technische Herausforderungen zu meistern und die industrielle Basis für eine grüne und intelligente Produktion zu schaffen. Die erfolgreiche Umsetzung dieser Vision wird maßgeblich dazu beitragen, die Position Chinas im globalen Wettbewerb zu stärken und gleichzeitig den ökologischen Fußabdruck der Branche zu minimieren.

Es ist zu beachten, dass die reine technologische Innovation ohne entsprechende organisatorische und strukturelle Reformen nicht ausreicht. Ebenso wichtig sind effiziente Managementprozesse, die Entwicklung von Fachkräften und eine engere Verzahnung von Produktion und Dienstleistung. Nur durch diese integrative Herangehensweise kann die Branche ihre Produktqualität verbessern, flexibler auf Marktanforderungen reagieren und letztlich einen nachhaltigen Beitrag zur wirtschaftlichen Entwicklung leisten.

Wie verändert sich das thermo-mechanische Verhalten von Mikrolegierten Dünnbrammen während der Sekundärkühlung im CSP-Verfahren?

Die kontinuierliche Herstellung von Dünnbrammen aus mikrolegierten Stählen wie Qste380TM im CSP-Verfahren ist durch hochkomplexe thermo-mechanische Vorgänge gekennzeichnet, insbesondere im Bereich der Sekundärkühlung. Hier wirken intensive Abkühlung, Reduktion des Flüssigkerns, Biegung und Richtprozesse gleichzeitig auf die Bramme ein. Diese Prozesse führen zu komplexen Temperatur- und Spannungsverteilungen, die maßgeblich die Bildung von Oberflächenfehlern und insbesondere die Gefahr von Eckrissen beeinflussen.

Thermografische Messungen an verschiedenen Positionen entlang des Sekundärkühlabschnitts zeigen signifikante Temperaturunterschiede, wobei die höchsten Temperaturen an den Ecken der Bramme während des Richtvorgangs auftreten. Die gemessenen Schlüsseltemperaturen in diesen Bereichen liegen bei ca. 911, 905, 901, 893 und 884 °C. Diese Werte spiegeln die Oberflächentemperaturen wider, gemessen mittels Infrarottechnologie, wobei der höchste Messwert am ehesten der tatsächlichen Temperatur entspricht.

Für mikrolegierten Stahl Qste380TM mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und Nb-Ti-Zusatz ergibt sich eine entscheidende Korrelation zwischen Temperatur und plastischer Umformbarkeit. Ist die Temperatur oberhalb von 890 °C, so überschreitet der rekristallisierte Anteil (RA) der Gefügestruktur 56 %, was auf eine hohe Duktilität hinweist. Forschungsarbeiten zeigen, dass bei einem RA über 40 % keine Oberflächenrisse entstehen, sofern die Genauigkeit der Prozessführung eingehalten wird. Daraus ergibt sich ein temperaturabhängiger Prozessfensterbereich, der kritisch für die Vermeidung von Rissbildung ist.

Die Sekundärkühlzone des CSP-Stranggießverfahrens ist in sechs Kühlsegmente unterteilt: Fußrollenbereich, Gittersegment sowie vier Bogen-Segmente. Jedes Segment ist durch spezifische Kühlintensitäten und -flächen charakterisiert, wobei der gesamte Kühlbereich sich über etwa 8,7 m erstreckt. Für Qste380TM-Stahl und eine Gießgeschwindigkeit von 4,0 m/min wird die Kühlwasserverteilung präzise kontrolliert, mit Volumenströmen zwischen 100 und 1720 l/min je nach Segment.

Die Modellierung dieser Prozesse erfolgt durch ein 3D Finite-Elemente-Modell, das die reale Walzenanordnung sowie die Geometrie und thermischen Eigenschaften der Bramme berücksichtigt. Die Modellgeometrie basiert auf einem halben Querschnitt der Bramme (625 mm × 90 mm), da von symmetrischen Temperatur- und Spannungsverteilungen in Breiten- und Dickenrichtung ausgegangen wird. Zudem wird die Interaktion zwischen Bramme und Walzen als Kontakt zwischen einem weichen Körper (Bramme) und einem starren Körper (Walzen) betrachtet.

Für die Berechnung des Temperaturfelds wird eine instationäre Wärmeleitungsgleichung herangezogen, in der die spezifische Wärmekapazität, Dichte und effektive Wärmeleitfähigkeit temperaturabhängig sind. Zusätzlich wird ein interner Wärmequellenterm berücksichtigt, der die latente Wärme während der Erstarrung abbildet.

Die Entwicklung von thermischen Spannungen wird durch konstitutive mechanische Gleichungen beschrieben, die mit den thermischen Feldern gekoppelt sind. Diese Kopplung ist essenziell, da sie die Verteilung mechanischer Belastungen in der Bramme infolge der ungleichmäßigen Abkühlung abbildet – ein zentraler Faktor für die Entstehung von Mikrorissen, insbesondere an den Ecken, wo die Geometrie zu Spannungskonzentrationen führt.

Wie beeinflusst der Oberflächenabschreckprozess die Strukturentwicklung von Mikrolegierten Stahlbreiten und deren Temperaturverhalten?

Im Oberflächenabschreckprozess eines Stahlbrettes zeigt sich die Mikrostruktur in verschiedenen Tiefen des Werkstücks stark variierend. An den Ecken des Stahlbretts unterhalb der Oberfläche ergibt sich eine Mikrostruktur, die derjenigen der breiten Fläche ähnelt. Sie ist hauptsächlich aus Ferrit und Perliten zusammengesetzt, wobei die Struktur in verschiedenen Tiefen praktisch identisch bleibt. In diesen Bereichen finden sich auch Widmanstätten-Strukturen sowie Proeutektoid-Ferritfilme. Diese mikrostrukturellen Merkmale sind nicht nur charakteristisch für den Übergangsbereich, sondern auch für die Veränderungen, die die Struktur unter dem Einfluss der Oberflächenabschreckung durchläuft.

Dieser Übergang erklärt sich durch die dynamischen Veränderungen der Mikrostruktur bei der Oberflächenabschreckung. In einer Tiefe von 40 mm unter der schmalen Seite des Stahlbretts ähnelt die Struktur weitgehend der der traditionellen Stranggussstruktur. Diese Entwicklung ist ein klarer Hinweis auf die Wirkung der Oberflächenabschreckung und die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften des Stahls je nach Tiefe der Struktur. Der entscheidende Punkt liegt in der Fähigkeit des Oberflächenabschreckprozesses, die Bildung von Hot-Charging-Rissen zu verhindern. Die Technologie ermöglicht eine effektive Anpassung an die unterschiedlichen Stahlqualitäten und den kontinuierlichen Gießgeschwindigkeiten, indem der Wasserfluss dynamisch und automatisch reguliert wird, um die Stabilität des Prozesses zu gewährleisten.

Besonders hervorzuheben ist die präzise Steuerung der Temperaturverhältnisse im Oberflächenabschreckprozess. Die Temperatur des Stahlbretts während des Prozesses sollte höher sein als der „Nasenpunkt“ der Mikrolegercarbonitritpräzipitation, der Temperaturübergang von Austenit zu Ferrit. Die Kühlrate sollte nicht weniger als 5 °C/s betragen, um die gewünschten strukturellen Veränderungen sicherzustellen. Das Ende der Abschreckungstemperatur sollte in einem Bereich von 400–450 °C liegen, was eine optimale Mikrostrukturentwicklung garantiert.

Die Oberflächenabschreckung wird idealerweise in einem Abschnitt nach der Reduktionszone des Stranggusses durchgeführt, um die Umverteilung der Karbide und Nitrate zu maximieren. Dieser Prozess hat sich als besonders effizient erwiesen, da er eine feinkörnige Ferritstruktur erzeugt und damit die Duktilität des Stahls erhöht, was die Entstehung von Hot-Charging-Rissen auf der Oberfläche effektiv verhindert.

Für den Erfolg des Oberflächenabschreckprozesses ist es entscheidend, die genaue Position des Quenchflusses sowie die optimalen Parameter des Prozesses zu definieren. Dies umfasst die Temperatur, die Kühlrate und den Zeitpunkt der Abschreckung. Insbesondere ist es von Bedeutung, dass der Prozess in einer Weise angepasst wird, dass er auf die unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften und -anforderungen der Stahlproduktion reagiert, ohne die Produktionsgeschwindigkeit oder -qualität zu beeinträchtigen.

Die Anwendung der Oberflächenabschrecktechnologie hat nicht nur die Produktionseffizienz und -qualität verbessert, sondern auch einen nachhaltigen Beitrag zu einer umweltfreundlicheren Stahlproduktion geleistet, indem der Energieverbrauch reduziert und die CO2-Emissionen gesenkt wurden. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Stahlindustrie dar, insbesondere im Hinblick auf die Entwicklung ressourcenschonender und umweltfreundlicher Technologien.