Falkenreck, Udo (Rotteland 23a, Bochum, D-44797, DE)
Quitmann, Uwe (Alperheide 35, Willich, D-47877, DE)
Wehage, Harald (Harzburger Strasse 31, Ilsenburg, D-38871, DE)

EP19990969051

01/02/2003

09/08/1999

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SMS Demag AG (Eduard-Schloemann-Strasse 4, Düsseldorf, 40237, DE)

(IPC1-7): B21B1/02; C21D9/00; C21D8/02; C21D8/04

PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 12, no. 434 (M-764), 16. November 1988 (1988-11-16) & JP 63 168260 A (AICHI STEEL WORKS LTD), 12. Juli 1988 (1988-07-12)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 12, no. 64 (M-672), 26. Februar 1988 (1988-02-26) & JP 62 212001 A (SUMITOMO METAL IND LTD), 18. September 1987 (1987-09-18)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 7, no. 285 (C-201), 20. Dezember 1983 (1983-12-20) & JP 58 164751 A (DAIDO TOKUSHUKO KK), 29. September 1983 (1983-09-29)

Meissner, Dipl. Peter -Ing E. (Meissner & Meissner, Patentanwaltsbüro, Hohenzollerndamm 89, Berlin, 14199, DE)

1. Method for the production of hot rolled strip and plates in a manufacturing plant consisting of a continuous casting plant for slabs between 100 and 180 mm in thickness, a descaling spray, a single- or multiple-frame roller unit with or without an integrated upsetting device, a cooling line, a heating-up furnace and a Steckel rolling mill,
characterised in that
between the continuous casting mill and the heating-up furnace, only the skin layer close to the surface of the previously descaled slab is deformed in-line, re-crystallised during and after the deformation process, and then cooled in several stages to a temperature below the A_r3 transformation point, and temporarily held until the microstructural transformation of the re-crystallised fine-grained austenite to ferrite/pearlite is complete.

2. Method as in Claim 1,
characterised in that
the slab is deformed at a total draught of 5 - 15% and at an optimised gauge roll gap ratio l_d / h_m of less than 0.8.

3. Method as in Claim 1 and 2,
characterised in that
the deformed area close to the surface corresponds, by selecting the draught and the roll gap ratio, to a maximum depth of one quarter of the thickness of the slab.

4. Method as in Claim 1 and 3,
characterised in that
the intensity of the cooling line, which consists of several groups of nozzles, is controlled and regulated in such a way that the surface temperature of the slab neither reaches the bainite range, nor falls below the martensite threshold of the stock material concerned.

5. Method as in Claim 1 and 4,
characterised in that
control and regulating systems regulate the pressure of the medium from the groups of nozzles in the cooling line, in dependence on the relevant slab thickness and casting speed, the average temperature of the skin layer close to the surface - while maintaining the cooling temperature and period necessary for a 100% microstructure transformation - and the bainite start temperature and the martensite start temperature of the stock material concerned.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Warmband und Blechen auf einer Produktionsanlage, bestehend aus einer Stranggießanlage für Brammen mit einer Dicke zwischen 100 und 180 mm und mit einer Austrittstemperatur aus der Stranggießanlage oberhalb von 1000 °C, einem Anwärmofen und einem Steckelwalzwerk.

In einer unter dem Namen FFM (Flexible Flat Mill) bekanntgewordenen Produktionsanlage für die Erzeugung sowohl von Warmband als auch von Blechen wird eine 100 - 180 mm dicke Bramme von der Stranggießanlage mit Hilfe eines Rollgangs direkt zum Anwärmofen transportiert, heiß eingesetzt und angewärmt und nach Verlassen des Anwärmofens in einem ein- oder mehrgerüstigem Steckelwalzwerk zu einem Band oder zu einem oder mehreren Blechen ausgewalzt.

Üblicherweise liegt die Temperatur der Bramme nach dem Verlassen der Stranggießanlage zwischen 1000°C und 1150 °C und verringert sich während des Transportes zum Anwärmofen auf dem Rollgang. Der direkte Heißeinsatz in den Anwärmofen erfolgt bei Temperaturen zwischen 750 und 950 °C. Im Anwärmofen wird die Bramme gleichmäßig über Dicke, Breite und Länge auf materialabhängige Temperaturen zwischen 1050 und 1280 °C angewärmt.

Kennzeichnend für den Heißeinsatz ist die Tatsache, daß vor der ersten Umformung in der Walzstraße über die Brammendicke keine oder nur eine geringfügige Austenit-Ferrit/Perlit-Umwandlung im oberflächennahen Bereich stattfindet, wenn die Oberflächentemperaturen die Umwandlungstemperaturen beim Transport der Bramme von der Stranggießanlage zum Anwärmofen nicht oder nur geringfügig und kurzzeitig unterschritten hat. Der mit der Erstarrung der Bramme entstandene grobkörnige Primäraustenit bleibt bis zur Umformung in der Walzstraße überwiegend erhalten. Die Austenitkorngröße kann im Anwärmofen materialabhängig und je nach Anwärmtechnologie noch wachsen.

Das Verfahren des Heißeinsatzes führt im Vergleich zum Kalteinsatz zur Einsparung von Anwärmenergie und -zeit während des Anwärmprozesses.

Das beschriebene Verfahren des Heißeinsatzes hat sich bewährt für Stähle mit einem Kupfergehalt kleiner als 0,3 %. Bei höheren Kupfergehalten im Stahl lagert sich das bei der Zunderbildung im Anwärmofen frei werdende Kupfer an den Korngrenzen des Primäraustenits an. In Abhängigkeit vom Kupfergehalt, der Anwärmtemperatur und Verzunderung können diese Kupferanlagerungen an den Korngrenzen während der Umformung im Walzwerk zu Materialtrennungen in Form von netzartigen Rissen führen.

In EP 0686702 A1 wird zur Lösung des auch in Dünnbrammen-Gießwalzanlagen auftretenden Problems vorgeschlagen, die Oberfläche der 40 - 70 mm dicken Dünnbrammen in einer der Stranggießanlage nachgeordneten Kühlstrecke auf Temperaturen unterhalb der A _r3 -Temperatur derart abzusenken, daß in einem oberflächennahen Bereich von mindestens 2 mm Tiefe eine mindestens 70%ige Gefügeumwandlung des Austenits in Ferrit/Perlit mit Neuorientierung der Austenitkomgrenzen nach Wiedererwärmung im Rollenherdofen stattfindet. Eine mittlere Oberflächentemperatur soll bei der Abkühlung in der Kühlstrecke die Martensitschwelle der jeweiligen Materialgüte nicht unterschreiten.

Insgesamt ist festzustellen, daß beim Stand der Technik beim Walzen von Blöcken, Knüppeln und Brammen bestimmter chemischer Zusammensetzung Risse bzw. Materialtrennungen auftreten, wenn das Verfahren des Heißeinsatzes in den Anwärmofen als direkte Kopplung von Stranggießanlage und Walzwerk angewendet wird.

In JP 59-189001 wird für Knüppel aus Kohlenstoffstählen mit 5 - 100 ppm Bor, 0,03 - 0,15 % Schwefel und 0,5 - 2,0 % Silizium ebenfalls eine schnelle Abkühlung der oberflächennahen Randschicht im Bereich zwischen Stranggießanlage und Anwärmofen zur Vermeidung von Rissen im Walzgut während des Walzens vorgeschlagen.

In EP 0587150 A1 werden AIN-Ausscheidungen während des Heißeinsatzes als Ursache für Risse im Walzgut beim Walzen von aluminium-beruhigten Stählen mit 0,008 - 0,030 % N und 0,03 - 0,25 % Pb angegeben. Empfohlen wird eine Schnellabkühlung der oberflächennahen Randschicht der Vorblöcke mit Gefügeumwandlung im Bainitgebiet zur Unterdrückung der AlN-Ausscheidungen. Die Schnellabkühlung findet zwischen Stranggießanlage und Anwärmofen statt.

Im US - Patent 56 34 512 werden Ausscheidungen von Al, V und N während des Heißeinsatzes als Ursache für Risse in Vorblöcken, Knüppeln und Brammen infolge von Zugspannungen bei der Abkühlung an Luft benannt. Vorgeschlagen wird ebenfalls eine Schnellabkühlung einer oberflächennahen Randschicht von mindestens 10 mm auf eine Temperatur von 400 °C mit anschließendem Selbstanlassen auf 900 °C durch nachfließende Wärme aus dem Kernbereich. Die Einrichtung zur Schnellabkühlung befindet sich zwischen Stranggießanlage und Anwärmofen. Eine materialspezifische Steuerung und Regelung der Abkühleinrichtung ist vorgesehen.

Dem geschilderten Stand der Technik ist gemeinsam, daß die eigentlichen Ursachen, Vorgänge bzw. Mechanismen, die zu Rissen und Materialtrennungen bei Nutzung des Heißeinsatzes in der Prozeßlinie Stranggießanlage - Anwärm-/Ausgleichofen - Walzwerk führen, bisher nicht eindeutig geklärt sind. Die Möglichkeit der Kombination mehrerer genannter Ursachen ist gegeben. Generell wird jedoch beim Stand der Technik eine Schnellabkühlung der oberflächennahen Randschicht des Stranggußmaterials unter die Umwandlungstemperatur mit anschließendem Anlassen durch nachfließende Wärme aus dem Kern vorgeschlagen. Die Gefahr der teilweisen Unterschreitung der Oberflächentemperatur unter die Martensitschwelle ist bei allen genannten Patenten gegeben, wie in Figur 1a mit der durchgezogenen, den Stand der Technik darstellenden Linie gezeigt ist. Fig.1a zeigt den Verlauf der Oberflächentemperatur über der Zeit.

Die Einrichtungen zur Schnellabkühlung werden beim Stand der Technik örtlich zwischen der Stranggießanlage und dem Anwärmofen bzw. Ausgleichofen vorgeschlagen. Die partielle Umwandlung der oberflächennahen Randschicht in Ferrit/Perlit ist mit einer Kornfeinung und Neuorientierung der Austenitkorngrenzen nach Wiedererwärmung verbunden, wie in Figuren 1b und 2, ebenfalls am Verlauf der durchgezogenen, den Stand der Technik darstellenden Linie zu erkennen ist.

Untersuchungen haben ferner gezeigt, daß bei Stählen mit einem Kupfergehalt größer als 0,3 % und 0,02 - 0,05 % Al sowie 0,008 - 0,020 % N und einem Kupfer/Nickel-Verhältnis größer als 3 ungeachtet einer Schnellabkühlung der oberflächennahen Randschicht einer Bramme mit partieller Gefügeumwandlung nach der Stranggießanlage und vor Einsatz in den Anwärmofen Risse bzw. Materialtrennungen beim nachfolgenden Walzen der Bramme zu Bändern und Blechen auftreten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es sicherzustellen, daß in einer kombinierten Warmband/Blech-Produktionsanlage der beschriebenen gattungsgemäßen Art auch Stähle mit höheren Gehalten an Cu, Al und N ohne Nachteile verarbeitet werden können.

Erfindungsgemäß wird bei dem gattungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen, daß zwischen Stranggießanlage und Anwärmofen nur die oberflächennahe Randschicht der zuvor entzunderten Bramme in-line umgeformt wird, während und nach der Umformung rekristallisiert und anschließend mehrstufig auf eine Temperatur unterhalb des A _r3 -Umwandlungspunktes abgekühlt und zeitweise gehalten wird, bis die Gefügeumwandlung des rekristallisierten feinkörnigen Austenits im Ferrit/Perlit abgeschlossen ist.

Vorrichtungstechnisch bedeutet das, daß vor dem Einsatz der Bramme in den Anwärmofen eine Oberflächenverformungsgruppe bestehend aus einem Zunderwäscher, einer ein- oder mehrgerüstigen Walzeinheit mit oder ohne integrierten Staucher und einer steuer- und regelbaren Kühlstrecke durchlaufen wird. Im Zunderwäscher wird die Oberfläche vollständig entzundert.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Bramme mit einer Gesamtabnahme von 5- 15 % und mit einem durchmesseroptimierten Walzspaltverhältnis l _d /h _m kleiner als 0,8 umgeformt wird. Die Walzgeschwindigkeit entspricht der Gießgeschwindigkeit. Durch Optimierung des bzw. der Walzendurchmesser und der Abnahme wird das vorgeschlagene Walzspaltverhältnis von gedrückter Länge zu mittlerer Walzguthöhe so eingestellt, daß nach einem anderen Merkmal der Erfindung der oberflächennaher Breich durch Wahl der Abnahme und des Walzspaltverhältnisses einer Dicke von maximal einem Viertel der Brammendicke entspricht, während der Kernbereich nahezu unverformt bleibt.

Durch die Verformung rekristallisiert der oberflächennahe Bereich des Stranggußmaterials im Walzspalt des jeweiligen Gerüstes der Walzeinheit in Abhängigkeit von den Umformbedingungen teilweise bis vollständig dynamisch. Nach Austritt aus dem Walzspalt des jeweiligen Gerüstes der Walzeinheit findet eine teilweise bis vollständige statische Rekristallisation der verformten oberflächennahen Randschicht des Walzgutes statt. Den Temperaturverlauf der oberflächennahen Randschicht zeigt Figur 1a mit der gestrichelten Linie. Durch die dynamische und statische Rekristallisation erfolgt eine Kornfeinung der oberflächennahen Randschicht (vgl. Figur 1b, gestrichelte Linie), d.h. der grobkörnige Primäraustenit ist in eine gewalzte feinkörnige Struktur übergegangen.

Zur Vermeidung von Kornwachstum in der oberflächennahen Randschicht aufgrund der noch hohen Temperaturen zwischen 850 und 1050 °C wird diese nach Abschluß der Rekristallisation in einer Kühlstrecke mehrstufig abgekühlt. Bei dieser Abkühlung wird gleichzeitig die A _r3 -Umwandlungstemperatur unterschritten, wodurch das durch das Walzen rekristallisierte und gefeinte Korn der oberflächennahen Randschicht im Vergleich zur herkömmlichen Methode 1 bedeutend schneller und zu einem noch feinerem ferritisch/perlitischen Gefüge umwandelt (vgl. Figuren 1 und 2). Erfindungsgemäß wird die Intensität der aus mehreren Düsengruppen bestehenden Kühlstrecke so gesteuert und geregelt wird, daß die Oberflächentemperatur der Bramme weder das Bainitgebiet erreicht noch die Martensitschwelle der jeweiligen Materialgüte unterschreitet.

Die mehrstufige Abkühlung der oberflächennahen Randschicht erfolgt solange, bis eine 100 %ige Umwandlung des rekristallisierten und gefeinten Austenitkorns in Ferrit/Perlit erfolgt ist. Dazu ist vorgesehen, daß Steuer- und Regelsysteme den Mediendruck der Düsengruppen der Kühlstrecke in Abhängigkeit von der jeweiligen Brammendicke und Gießgeschwindigkeit, der mittleren Temperatur der oberflächennahen Randschicht unter Einhaltung der für eine 100 %ige Gefügeumwandlung notwendigen Abkühltemperatur und -zeit sowie der Bainitstarttemperatur und der Martensitstarttemperatur der jeweiligen Materialgüte regulieren.

Durch die Kombination von Umformung der oberflächennahen Randschicht mit deren stufenweisen Kühlung unter die A _r3 -Umwandlungstemperatur entsteht ein bedeutend feinkörnigeres ferritisch/perlitisches Gefüge bis zum Einsatz der Bramme in den Anwärmofen im Vergleich zu herkömmlichen Methoden (vgl. Figur 1b). Dadurch ist auch eine vollständige Neuorientierung der Austenitkorngrenzen mit einem bedeutend feineren Korn infolge Gefügeumwandlung während der Wiedererwärmung gegeben.

Durch die vollständige Neuorientierung der Austenitkorngrenzen bei bedeutend feinerem Korn können Stähle mit einem Kupfergehalt größer als 0,3 % und Zusätzen von Al und N sowie einem Kupfer/Nickel-Verhältnis größer als 3 im Heißeinsatz auf der beschriebenen Produktionsanlage verarbeitet werden.