DGM Werkstoffwoche 2015 Ziehcharakteristik beim Stranggießen von Kupferwerkstoffen 1. Kokillenvarianten (Auswahl) 2. Abziehkinematik/Kenngrößen 3. Strangschalenbetrachtung 4. Anforderungen Ziehzyklus 5. Praxisbeispiele 6. Fragen [email protected] Confidential · All rights reserved · © 2014 SMS GmbH Übersicht: Ziehcharakteristik beim Stranggießen Kokillenvarianten (Auswahl) 2. Ofenabhängige Kokille (horizontal + vertikal) • Bolzen, Band, Rohr • Legierungen: Kupfer, Messing, Sondermessing, Bronze, Kupfer-Nickel Ofenunabhängige Kokille (vertikal) • Bolzen, Brammen • Legierungen: Kupfer, Messing, Sondermessing, Bronze, Kupfer-Nickel • Varianten mit/ohne Grafiteinsatz im Kühler • Kontinuierlich und Halbkontinuierliche Anlagenkonzepte Confidential · All rights reserved · © 2014 SMS GmbH 1. 1 Ziehcharakteristik beim Stranggießen Abziehkinematik Varianten Feststehende Kokille (horizontal + vertikal) Intermittierend ohne Rückstoß Intermittierend mit Rückstoß (Fahrkurve) symmetrisch oszillierend asymmetrisch oszillierend Entscheidend für die Strangschale ist die resultierende Relativbewegung zwischen Kokille und Strang Confidential · All rights reserved · © 2014 SMS GmbH Oszillierende Kokille (horizontal + vertikal) 2 Ziehcharakteristik beim Stranggießen Wichtige Kenngrößen eines Ziehzyklus Durchschnittliche Geschwindigkeit Zyklusdauer und -frequenz pro Vorwärtsbewegung Zeitdauer ohne Vorwärtsbewegung (inklusive möglicher Rückstöße) (tNEG) maximale positive Relativgeschw. Beschleunigungskurve Summe der Rückbewegung (mm) Durchschnittliche Ziehkraft während der Vorwärtsbewegung Je nach Anlage und Legierung streuen diese Kenngrößen sehr stark. Ziehparameter Geschwindigkeit Frequenz tNEG max v max a res. Ziehhub Rückhub Ziehkraft Einheit mm/min 1/min s mm/min mm/s² mm mm kN Vertikal Bolzen Konti Horizontal Bolzen 200 150 120 15 0,21 3,25 954 1200 132 200 1,67 10 1,24 3 20 20 Confidential · All rights reserved · © 2014 SMS GmbH Oszillationsmarkenlänge 3 Ziehcharakteristik beim Stranggießen Bedingung für die Randschalenfestigkeit eines stabilen Prozesses Die vereinfachte Formel für das Randschalenwachstum lautet: X=Kt0,5 Daraus lässt sich ableiten: • Je höher die zulässige Festigkeit • Je niedriger die Temperatur T im Querschnitt • Je höher die Kühlgeschwindigkeit • Je niedriger die Reibung -> desto höher ist die theoretisch erreichbare Gießgeschwindigkeit Confidential · All rights reserved · © 2014 SMS GmbH Grundsätzlich gilt: Die Randschalenfestigkeit im Querschnitt A muss ausreichend sein, um die Kraft FR zu übertragen 4 Ziehcharakteristik beim Stranggießen Gründe für eine zyklischen Abziehbewegung Ein stabiler/homogener Prozess des kontinuierlichen Abziehens erfordert ein kontinuierliches Anwachsen der Randschale. Ein kontinuierliches Anwachsen wird aufgrund folgender Prozessschwankungen gestört: Temperaturschwankungen/Überhitzung Schmelzeströmungen Legierungsschwankungen Reibungsschwankungen/ Kokillenverschleiß 5. Kühlungsschwankungen 6. Erschütterungen 7. Überlagerte Spannungen durch Wärmedehnungen/ Schwindung (Geometrieabhängig) Lösung: zyklischer Ziehhub Confidential · All rights reserved · © 2014 SMS GmbH 1. 2. 3. 4. 5 Ziehcharakteristik beim Stranggießen Strangschalenwachstum zwischen der Vorwärtsbewegung Erstarrung zwischen den Vorwärtshüben ohne Vorwärtsbewegung: • Keine Zugspannungen an der Erstarrungsfront Stabiles Randschalenwachstum möglich Der minimale Wert für tNEG ergibt sich aus: • • • • Legierung, Prozessschwankungen, Kühlrate, Anlagentechnik (z.B. Steifigkeit Antrieb) Ein langes tNEG stabilisiert die Erstarrung. Gleichzeitig gilt: je länger tNEG : • Desto niedriger ist die Abkühlgeschwindigkeit und Produktivität • Desto tiefer sind die Oszillationsmarken Confidential · All rights reserved · © 2014 SMS GmbH Die Zeitdauer zwischen der Vorwärtsbewegung wird als tNEG definiert. 6 Ziehcharakteristik beim Stranggießen Strangschalenbelastung während der Vorwärtsbewegung Je höher die Geschwindigkeit desto höher die Reibung und Strangschalenbelastung (keine reine Coulomb‘sche Festkörperreibung) Beschleunigungsübergänge führen zu Schwingungen Ruck Belastungsspitzen für die Randschale Die Bewegungsgrößen Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck beeinflussen die Randschalenbelastung Confidential · All rights reserved · © 2014 SMS GmbH Beschleunigung: rel. geringe Strangschalenbelastung geringe Massen niedrige Beschleunigung (<< Erdbeschleunigung) 7 Ziehcharakteristik beim Stranggießen Anforderungen Ziehzyklus Hohe Steifigkeit und Präzision der Bewegungsantriebe Sanftes Anfahren der Beschleunigung und Verzögerung (Ruckvermeidung) Optimierung von tNeg und damit im Wesentlichen der Zyklusdauer: tNeg: So kurz wie möglich, so lang wie nötig. Confidential · All rights reserved · © 2014 SMS GmbH Minimierung der Maximalgeschwindigkeiten 8 Ziehcharakteristik beim Stranggießen Praxisbeispiel: Blattfedergeführter Oszillationstisch (1) (Halb)-kontinuierliche Vertikalanlagen: Blattfederlagerung des Oszillationstisches Vorteile Erhöhte Führungsgenauigkeit Die Blattfedern blockieren alle Freiheitsgrade außer der gewünschten Oszillation in Gießrichtung. Wartungsarm In Kombination mit hydraulischer, aber auch konventionell mechanischer Anregung verfügbar. Confidential · All rights reserved · © 2014 SMS GmbH Verschleißarm 9 Ziehcharakteristik beim Stranggießen Blattfedergeführter Oszillationstisch (2) Confidential · All rights reserved · © 2014 SMS GmbH Die Erhöhung der Führungs- und Bewegungsgenauigkeit bietet Potenzial tNEG für Oszillationstische weiter zu optimieren. 10 Ziehcharakteristik beim Stranggießen Praxisbeispiel: Verbesserter Ziehzyklus Computocast (1) Bewegungsprofil dritter Ordnung („Third Order Motion Profile“) Reduzierung der Randschalenbelastung Beschleunigungsübergänge lassen sich einfach durch einen Parameter zwischen 0 und 50% einstellen. Confidential · All rights reserved · © 2014 SMS GmbH Beschleunigungskurve: (a-t Diagramm) 11 Ziehcharakteristik beim Stranggießen Praxisbeispiel: Verbesserter Ziehzyklus Computocast (2) Darstellung des aktuellen Ziehzyklus Direkte Vorgabe der Geschwindigkeit und der Ziehfrequenz -> einfache Parametervariation Einfache Messdatenerfassung der Ziehkräfte Confidential · All rights reserved · © 2014 SMS GmbH Vereinfachte Eingabemaske 12 Ziehcharakteristik beim Stranggießen Fragen? 1) Hrsg. Prof. Dr.-Ing. Klaus Schwertfeger, Metallurgie des Stranggießens, Verlag Stahleisen mbH, 1992, Düsseldorf 2) Dr. Paul Braun, Bandgießen von Zinnbronze mit einer Horizontalen Stranggießmaschine, Dissertation RWTH Aachen, 1994 3) Dipl.-Ing. Dierk Hartmann, Erstarrung binärer Kupferlegierungen beim horizontalen Stranggießen in Graphitkokillen, VDI Fortschrittsberichte Reihe 5: Grund- und Werkstoffe Nr. 158, VDI Verlag, 1988 4) Robin Baumgartner, Bandgießen von Kupfer-Zinn-Knetlegierungen mit thermisch isolierter Kokille, Forschungsberichte utg 10, Hrsg. Prof. Dr.-Ing. H. Hoffmann, Technische Universität München, Hieronymus Verlag, 2000 Confidential · All rights reserved · © 2014 SMS GmbH Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 13
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