Plasticity problems during continuous casting

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Steelmaking
Industrial research and development
Coal - hydrocarbons

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ISSN 1018-5593
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European Commission
technical steel research
Steelmaking
Plasticity problems during continuous
casting European Commission
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Steelmaking
Plasticity problems during continuous
casting
J. Heilemann
Institut für Allgemeine Metallurgie der
Technische Universität Clausthal
Robert-Koch-Straße 42
D-38678 Clausthal-Zellerfeld
Contract No 7210-CA/150
1 July 1989 to 31 December 1992
Final report
Directorate-General XII
Science, Research and Development
1995 EUR 16065 EN
1 LEGAL NOTICE
Neither the European Commission nor any person acting on
behalf of the Commission is responsible for the use which might be made of the
following information
Cataloguing data can be found at the end of this publication
Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 1995
ISBN 92-826-9686-3
© ECSC-EC-EAEC, Brussels · Luxembourg, 1995
Reproduction is authorized, except for commercial purposes, provided the source is acknowledged.
Printed in Luxembourg
2 Zusammenfassung
Im Rahmen dieses Projektes sollten generell die Einflüsse auf
die Qualität eines gegossenen Stranges untersucht werden, die
von der Kokille ausgehen. Die Schrumpfung des Stranges in der
Kokille und die damit verbundene Spaltbildung kann zu
ungleichmäßiger Wärmeabfuhr führen. Resultierende mechanische
Spannungen können Deformationen und Risse am Strang erzeugen.
Bei Acenor I+D wurden Versuche an Gießmaschinen, am Institut für
Allgemeine Metallurgie Laboruntersuchungen durchgeführt.
Gegenwärtig ist es nicht möglich, die Spaltbildung in der
Kokille während des Gießprozesses zu messen. Zur Vorhersage
wurden daher grundlegende Untersuchungen, die sich auf
experimentelle und theoretische Mittel stützten, durchgeführt.
Der Einfluß der chemischen Zusammmensetzung der Stähle wurde mit
Schrumpfungsmessungen an vergossenen Blöcken mit rundem und
quadratischem Querschnitt gemessen. Die Legierungen wurden dabei
in eiserne Versuchskokillen gegossen, die mit Temperatur­ und
Verschiebungssensoren ausgerüstet waren. Eisen­Silizium
Legierungen mit 0 bis 4 % Siliziumanteil wurden verwendet. Mit
diesen Legierungen kann gezielt das α­γ­α­Umwandlungsverhalten
eingestellt werden. Die erhalten Schrumpfungs­Zeit Kurven
zeigen, daß die γ­α­Umwandlung zu einer zeitlich begrenzten
Ausdehnung des sich abkühlenden Blockes führt. Dieses Phänomen
wird im wesentlichen durch die Verringerung der Dichte von a­
Eisen im Vergleich zu γ­Eisen verursacht. Die γ­Phase tritt nur
bei Siliziumgehalten bis 1,84% auf.
Der ferrostatische Druck führt in der Anfangsphase der
Experimente zu einer Ausbauchung der noch weichen Schale der
quadratischen Blöcke. Bei Raumtemperatur zeigt der Querschnitt
der n Blöcke keine Deformationen. Im Bereich der
Kokillenkanten wird normalerweise ungleichmäßige Wärmeabfuhr
erwartet, die zu mechanischen Spannungen und somit zu
Deformationen führen kann. Durch eine spezielle
Experimentiertechnik werden die Deformationen verhindert.
Für begleitende Rechnungen zum Schrumpfungsverhalten und zur
Spannungsentwicklung beim Erstarren und Abkühlen der
zylindrischen Blöcke wurde aus einer Literaturauswertung die
dafür benötigten temperaturabhängigen Materialdaten, wie Dichte,
Wärmeleitfähigkeit, Enthalpy, Elastizitätsmodul, sekundäre
Kriechrate bestimmt. Für die Wärmeleitfähigkeit und den
Elastizitätsmodul liegen keine Daten für höhere
Temperaturbereiche vor, Kriechdaten sind hauptsächlich für
Legierungen mit 3% Siliziumanteil vorhanden.
Die Spaltbildung in der Kokille der Stranggußmaschine wird
neben den Materialeigenschaften des Stranges durch das
Betriebsverhalten und den Verschleiß des Kokillenrohres
beeinflußt. Dazu wurden Untersuchungen an einem neuen linear
konischen Kokillenrohr einer Gießmaschine für Knüppel in einem
Stahlwerk durchgeführt. Die dafür entwickelte Meßtechnik, die im
wesentlichen aus einem speziellen druck­ und temperaturfesten
linearen Wegaufnehmer mit angeschlossenem
Trägerfrequenzverstärker besteht, wurde auch bei Acenor I+D eingesetzt. Das Kokillenrohr wurde während der ersten Sequenzen
durch thermische Einflüsse plastisch verformt. Dabei wurde
besonders im Bereich des Meniskus die Konizität verändert. Diese
plastischen Verformungen vergrößern sich während des weiteren
Einsatzes des Kokillenrohres kaum noch. Während des
Gießprozesses führen thermische Einflüsse zusätzlich zu höher­
und niederfrequenten elastischen Verformungen der Rohrwände.
Dien Bewegungen der Rohrwände können auf
thermische Einflüsse, resultierend aus der Kokillenoszillation
zurückgeführt werden. Letztlich kann die Verformung des
Kokillenrohres zu ungleichmäßiger Wärmeabfuhr und zu
Beeinflussungen der Qualität des Stranges führen. Bildunterschriften
2.1 : Aufbau der Strangußkokille
2.2 : Anordnung mit kontaktlosen Sensor
2.3 Planck'sches Strahlungsgesetz
2.4 : Transmission von Wasser gemessen mit dem Spektrometer
2.5n vonrn mit demr
2.6 : Schutzvorrichtung für den Dehnungsmeßstreifen
2.7 Maße des untersuchten Kokillenrohres
2.8 : Koordinatenmeßvorrichtung mit Bohrwerk realisiert
2.9 : Gemessene Verformungen der Kokillenwandungen
nach 53 Güssen
2.10 :en dern
nach 512 Güssen
2.11 : Verschlissene Chrombeschichtung
2.12 : Technische Zeichung zum linearen Wegaufnehmer
2.13 : Montage des Wegaufnehmers an der Strangießkokille
2.14 : Meßposition dess
2.15 : Darstellung der Meßkette zur on-line Messung am
Koki11enrohr
2.16 : Ergebnisse der on-line Messung - Verschiebung der
Kokillenwand in der Höhe des Meniskus
2.17 : Plastische Verformungen des Kokillenrohres
nach 5 Güssen
2.18 :en dess nach 5
Güssen
2.19 : Ausschnitt aus der originalen Linienschreiber-
aufzeichung
3.1 : Aufbau der Vorrichtung zur Schrumpfungsmessung an
zylindrischen Blöcken
3.2 : Meßprinzip zur Ermittlung der Schrumpfung an
Blöcken runden Querschnitts
3.3 :p zurg derg an
Blöcken quadratischen Querschnitts
3.4 : Kontakt der Meßfühlerspitze mit der weichen
Blockschale
3.5 : Messung der Ausdehnung der quadratischen Versuchs­
kokille
3.6 : Ungleichmäßige Verformung desn
Blocks wird durch eingeschmolzenes "Kreuz" aus
Feuerfestmaterial verhindert
3.7 : Kontrolleinheit
3.8 Aufbau der Sensoren zur Messung der Verschiebung der
Blockoberfläche
3.9 : Kontakt an der Meßfühlerspitze
3.10 : Ausschnitt aus der originalen Linienschreiber-
aufzeichung
3.11 : Temperaturen in der Meßkokille
3.12 : Verschiebungssignale
3.13 : Berechnete Schrumpfung und Verschiebungen des Blocks
in der Versuchskokille
3.14 : Bei der Auswertung zu berücksichtigende Offsets
3.15 : Resultierende Schrumfungs-Zeit Kurve 3.16 : Schrumpfung der zylindrischen Blöcke, ermittelt
bei Raumtemperatur
3.17 : Vergleich zwischen Schieblehren- und Sensorergebnissen
3.18 : Kontakt der Meßfühlerspitze mit der Blockoberfläche
an einer Überhöhung oder Vertiefung
3.19 : Schrumfungs-Zeit Kurve eines zylindrischen Blocks aus
einer Eisen-Silizium Legierung mit 1% Siliziumanteil
3.2 0 : Temperaturanstieg in der Kokille
3.21 : Phasendiagramm für Eisen-Silizium
3.22 : Schrumpfungs-Zeit Kurven gemessen an zylindrischen
Blöcken aus Eisen-Silizium Legierungen mit verschie­
denen Siliziumanteilen
3.23 : Gemessene Schrumpfung 50s und 1000s nach Gießende
3.24 :eg von Blöcken mit quadratischem
Querschnitt bei Raumtemperatur
3.25 : Vergleich zwischen Mikrometer- und Sensorergebnissen
3.26 : Gemessene Verschiebungssignale der Oberfläche des
quadratischen Blocks
3.27 :e thermische Dehnung der quadratischen
Versuchskokille
3.28 : Gemessene Schrumfungs-Zeit Kurven ann
Blöcken aus Eisen-Silizium mit verschiedenen
Siliziumgehalten
3.29 : Ausbauchung der weichen Blockschale
4.1 : Schutz der Thermoelemente zur Blocktemperaturmessung
4.2 Radiale Position der Blockthermoelemente
4.3 : Gemessene Temperaturverläufe im zylindrischen Block
einer Eisen-Siliziumlegierung mit 3% Silizium
4.4 :e Temperaturverlaufe imn Block
einerg mit 3%m
5.1 : Halbzerstörende Methode zur Ermittlung von
E i g en spannungen
5.2 : Zerstörende Methode zur Ermittlung von
Eigenspannungen
5.3 : Eigenspannungen an der Oberfläche von gegossenen
zylindrischen Blöcken aus Eisen- Silizium Legierungen
mit verschiedenen Siliziumgehalten
5.4 :n an dere vonn n Blöcken aus Eisen- Siliziumn
mitnn
5.5 : Verteilung der Eigenspannungen über dem Querschnitt
eines gegossenen zylindrischen Blocks aus einer
Eisen-Silizium Legierung mit 4% Siliziumanteil
5.6 : Definitionen
6.1 : Ermittelte Funktion des Wärmeübergangs zwischen Block
und Kokille
6.2 : Berechnetes Temperaturfeld in einem erstarrenden und
abkühlenden zylindrischen Block aus einer Eisen-
Siliziumlegierung mit 3% Siliziumanteil
6.3 : Vergleich zwischen berechneten und gemessenen
Temperaturen im einem erstarrenden und abkühlenden
zylindrischen Block aus einer Eisen-Siliziumlegierung mit 3% Siliziumanteil
7.1 : Berechneter Spannungsverlauf in einem erstarrenden und
abkühlenden zylindrischen Block aus einer Eisen­
Silizium Legierung mit 3% Siliziumanteil
7.2 : Vergleich zwischen berechneter und gemessener
Schrumpfung an einem gegossenen Block aus einer Eisen­
Silizium Legierung mit 3% l
8.1 : Gemessene Dichte von Eisen­Silizium Legierungen im
flüssigen Zustand
8.2 : e Gitterkonstante von Eisen­Silizium
Legierungen
8.3 : Aus Gitterkonstantedaten berechnete Dichte
8.4 : Thermische Dehnung einer Eisen­Silizium Legierung mit
4% Siliziumanteil
8.5 : Aus Daten der thermischen Dehnung berechnete Dichte
einer Eisen­Silizium Legierung mit 4% Siliziumanteil
8.6 : Dichte von m Legierungen aus
Gitterkonstante berechnet
8.7 : Herleitung des Koeffizienten k für die α­Phase
8.8 : Dichte von Eisen­Silizium n in der γ­Phase
berechnet aus Gitterkonstantedaten
8.9 : Herleitung des n k für die γ­Phase
8.10 : Dichte von flüssigen Eisen­Silizium Legierungen
8.11 : g des Koeffizienten k für die flüssige
Phase
8.12 : Überprüfung der gewählten Funktionen
8.13 : Beispiele für berechnete Dichten von Eisen­Silizium
Legierungen mit 0­4% Siliziumanteil
8.14 : Enthalpie von Reineisen
8.15 : e von reinem Silizium
8.16 : Mischungsenthalpy von Eisen­Silizium Legierungen
8.17 : Berechneter Wärmeinhalt von m Legierungen
8.18 : Daten zu Messungen der Wärmeleitfähigkeit von
Eisen­Silizium Legierungen
8.19 : Herleitung der Funktionen für die Koeffizienten kl,k2
8.2 0 : Vergleich zwischen Literaturdaten und berechneten Daten
zur Wärmeleitfähigkeit von Eisen­Silizium Legierungen
8.21 : Berechnete t von Eisen­Silizium
Legierungen
8.22 : Elastische Konstanten eines m Einkristalls
mit 2.82% Siliziumanteil
8.23 : Berechneter Elastizitätsmodul unter Anwendung der
Gleichung von Reuss
8.24 : Daten zum l von Eisen­Silizium
Legierungen
8.25 : Daten zum l von m n
8.26 : Herleitung des Koeffizienten k
8.27 : Berechneter Elastizitätsmodul von Eisen­Silizium
Legierungen
8.28 : Einfluß des Siliziumgehalts auf die Curietemperatur
von Eisen­Silizium Legierungen
8.29 : Kriechkurve einer Eisen­Silizium Legierung mit
3% Siliziumanteil 8.30 : Darstellung von Kriechdaten einer Eisen-Silizum
Legierung mit 3% Siliziumanteil
8.31 : Daten zum effektiven Spannungsexponenten von
Eisen-Silizium mit 3%l
8.32 : Daten zurn Aktivierungsenergie von Eisen-
Silizium mit 3%l
8.33 : Berechnete Aktivierungsenergie einer Eisen-Silizium
Legierung mit 3% Siliziumanteil
8.34 : Zener-Holomon Diagramm zu einerm g mit 3%l