Strangguss

Stranggießen ist ein Verfahren zum Herstellen von Halbzeug aus Metallen und ihren Legierungen.

Im Gegensatz zum Blockguss wird das Verfahren kontinuierlich durchgeführt. Dafür wird eine bodenlose gekühlte Kokille verwendet, in die das flüssige Metall gegossen wird. Innerhalb der Kokille erstarrt die Strangschale, die dann in Gießrichtung abgezogen wird und den flüssigen Kern umschließt. Nach dem Verlassen der Kokille wird die Strangschale weiter mit Wasser gekühlt, bis der Strang vollständig erstarrt ist. Entsprechend der Kokillenanordnung wird zwischen horizontalem und vertikalen Stranggießen unterschieden.

Gießen von Stahl

Strangguss oder Brammenguss

Eine Stranggießanlage besteht aus einer Haltevorrichtung für die Kokillen mit der Schmelze, dem Verteiler, der die Schmelze zu den Kokillen leitet, der Kokille dem System für die Strangführung und der Querteilanlage.

Die Schmelze wird gewöhnlich mit einer so genannten Stahlgießpfanne vom Schmelzaggregat zur Stranggießanlage transportiert. Über einen Bodenablass, der durch einen Stopfen oder Schieber verschlossen wird, fließt die Schmelze in den Verteiler. Durch ein Schattenrohr kann der auslaufende Strahl geschützt werden, um Reoxidation zu vermeiden.

Aus dem Verteiler läuft die Schmelze frei oder durch ein Tauchrohr in die Kokille. Der Durchfluss wird in Abhängigkeit vom Gießspiegel in der Kokille mit einem Stopfen gesteuert. Der Gießspiegel in der Kokille wird mit Schlacke abgedeckt. Diese verhindert Reoxidation der Schmelze, bindet aufgestiegene Unreinheiten und dient als Schmiermittel zwischen der erstarrten Schale und der Kokille. Dabei wird die Kokille ständig oszillierend bewegt, um ein Anbacken des Stahls an den gekühlten Wänden der Kokille zu verhindern und den Transportvorgang zu unterstützen. Für das Angießen wird ein Anfahrstrang von unten in die Kokille eingeführt, der deren Unterseite verschließt. Der eingefüllte Stahl erstarrt auf dem Anfahrstrang und wird mit diesem nach unten abgezogen. Nach erreichen der metallurgischen Länge, also der Strecke, die der Strang benötigt, um vollständig zu erstarren, werden der Anfahrstrang und der Gussstrang voneinander getrennt.

Die Kokille kann entweder gerade oder gebogen ausgeführt werden. In geraden Kokillen verlässt der Strang die Kokille senkrecht nach unten. Um eine ausreichende Stranglänge zum völligen Erstarren der Schmelze zu erhalten, muss der Strang mit einer Biege- und Richteinheit in die Horizontale gebogen werden. In gebogenen Kokillen ist der Strang bereits kreisbogenförmig, der nach Erreichen der Horizontale gerichtet werden muss. Beide Konzepte haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile, die daraus resultieren, dass einerseits durch das Biegen des Strangs Risse entstehen und andererseits eine lange vertikale flüssige Strecke Vorteile für die Reinheit des Stahles bietet, da Unreinheiten in die Schlacke aufsteigen können. Zum Verbessern der Reinheit wird mit Argon gespült und es kann die Schmelze elektromagnetisch gerührt werden.

Unterhalb der Kokille wird der Strang von außen durch Luft/Wasserbesprühung gekühlt. Außerdem wird er durch Rollen gestützt, um das Ausbauchen zu verringern, das wegen des auf die Strangschale wirkenden hydrostatischen Druckes erfolgt.

Nach dem Durcherstarren wird der Strang auf dem Auslaufrollgang mit Brennern in Längen geschnitten, um Halbzeug zu erhalten.

Das Stranggießen unterscheidet mittlerweile mehrere Verfahren, die von der Dicke des zu gießenden Stranges abhängig sind. Man unterscheidet allgemein den Brammenstrangguss (Dicke über 100 mm), den Vorbrammenguss (Dicke von 40 bis 100 mm) und den Dünnbrammenguss (Dicke 3 bis 50 mm). Bei den beiden letztgenannten Verfahren sind erhebliche Einsparungen im Bereich der Anlagentechnik und der Energiebilanz möglich.

Dünnbandgießen

Seit Mitte der neunziger Jahre wird das von Henry Bessemer entwickelte Dünnbandgießen hauptsächlich für rostfreie Stähle industriell genutzt. Hier erstarrt der Stahl zwischen zwei sich gegeneinander drehenden wassergekühlten Walzen und wird vollständig erstarrt als Band, bis 3 mm Dicke, nach unten abgeführt.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass der komplette Weg des Warmwalzens eingespart werden kann und somit die Energie zum Wiederaufheizen der Brammen eingespart wird.

Stranggießen von Aluminium

Technologie des Gießens

Das Stranggussverfahren für Aluminium wird auch als Wasserguss bezeichnet.

Das Verfahren, in der hier beschriebenen Weise, ist ein halbkontinuierlicher Prozess. Das flüssige Metall wird in eine wassergekühlte rahmenartige Kokille mit absenkbarem Boden gegossen. Hat die Schmelze in der Kokille eine bestimmte Füllhöhe erreicht, so wird der erstarrte Strang nach unten stetig abgesenkt, und zwar im selben Ausmaß, wie flüssiges Metall zuläuft.

Der Querschnitt des gegossenen Metalls wird durch die Form der Kokille vorgegeben.

Vor dem Austritt aus der Kokille hebt sich die Schale der Bramme wegen der Volumenkontraktion von der Kokillenwand ab. Unterhalb der Kokille wird die Brammenoberfläche mit dem unten aus der Kokille austretenden Wasser gekühlt. Bis Brammenoberfläche wird dabei auf 300 bis 500°C gekühlt.

Je nach Gießbedinungen variiert die Sumpftiefe. Besonders empfindliche Legierungen werden langsamer gegossen, so dass der Sumpf flacher wird. Normalerweise wird mit einer Absenkgeschwindigkeit zwischen 5 bis 10 cm/min gearbeitet.

Bei dieser Gießgeschwindigkeit ist die Erstarrungsgeschwindigkeit im Mittel etwa 10 mal größer als beim Blockguss in eisernen Kokillen ohne Wasserkühlung.

Die unterschiedliche Erstarrungsgeschwindigkeit macht sich im Gussgefüge deutlich bemerkbar. Im Stranggussgefüge sind Zellen und Einlagerungen wesentlich feiner als beim Kokillenguss. Auf Grund der raschen Erstarrung ist die Stranggussbramme weitgehend frei von Seigerungen. Das heißt, man findet über den Brammenquerschnitt wenig Unterschiede der chemischen Zusammensetzung. Der rasche Wärmeentzug beim Stranggießen verhindert allerdings einen Ausgleich der Legierungselemente in den Körnern des Gussgefüges, so dass die Übersättigung und Kornseigerung stärker ist als beim langsam erstarrenden Kokillenguss. Allerdings kann man Übersättigung und Kornseigerung durch eine Diffusionsglühung des Gussgefüges beseitigen.

Die Gusshaut von Stranggussbrammen weist im allgemeinen Ausschwitzungen auf, in welchen eine Anreicherung der Legierungsmetalle festgestellt werden kann. Hier handelt es sich um eine Seigerung, die durch eine Diffusionsglühung nicht mehr beseitigt werden kann. Allerdings ist die Erscheinung auf einen Bereich von wenigen Millimetetern unter der Oberfläche beschränkt, welcher nach dem Gießen durch Abfräsen entfernt wird. Zur Unterdrückung der Aussschwitzung sowie zur Steigerung der Gießgeschwindigkeit kommt es darauf an, den durch Kontraktion der bereits erstarrten Außenzonen entstehenden Schrumpfspalt zwischen Gusshaut und Kokillenwand möglichst klein zu halten, da durch dieses Luftpolster fast keine Wärme abgeleitet wird.

Kokillen für Luftfahrtlegierungen haben über die Breite eine größere Ausbauchung um die erhebliche höhere Schrumpfung dieser Werkstoffe zu kompensieren.

Zur Reduzierung des Schrumpfspaltes sind viele Maßnahmen vorgeschlagen worden. Insbesondere das Gießen mit möglichst niedrigem Metallstand in der Kokille. Eine andere Möglichkeit besteht im Einsatz konischer oder geriefter Kokillen. Eine geriefte Kokille bewirkt durch Lufteinschlüsse zwischen Kokillenwandung und flüssigem Metall in eine Verzögerung der Wärmeabfuhr wodurch bei gleich hohem Metallstand in der Kokille das Metall länger in Kontakt mit der Kühlfläche bleibt. Die Kontraktion verschiebt sich weiter nach unten, das heißt, der Schrumpfspalt wird kürzer. Neuerdings wurde das in der ehemaligen UdSSR erfundene, berührungslose Stranggießen in einem Magnetfeld durch AluSuisse zur industriellen Reife entwickelt. Das Schrumpfspaltproblem wird hierdurch eliminiert.

Wasserstoffgehalt und Oxideinschlüsse

Unter den natürlichen Verunreinigungen des Aluminiums gibt es nichtmetallische und metallische; wichtig sind bei letzteren der Eisen- und Siliziumgehalt des Elektrolysemetalls. Bei den nichtmetallischen stehen Wasserstoff und Oxide im Vordergrund. Die wichtigste Ursache für die Entstehung von Wasserstoff besteht in der Reaktion zwischen dem flüssigen Metall und Wasser welches meistens in der Form von Wasserdampf in der Atmosphäre vorliegt.

Der dabei entstehende Wasserstoff wird großenteils von der Schmelze aufgenommen (gelöst). Gelegenheit zum Ablauf dieser Reaktion besteht vor allem bei der Reaktion von flüsisgem Aluminium mit der Luftfeuchtigkeit oder feuchten Verbrennungsgasen sowie beim Einschmelzen von öligem, feuchtem oder korrodiertem Schrott. Das Korrosionsprodukt von Aluminium ist ein wasserhaltiges Oxid.

Je größer der Wasserdampfdruck über der Oberfläche und je höher die Temperatur der Schmelze, um so höher ist der Wasserstoffgehalt, der sich in der Schmelze einstellt. Der Einfluss der Tempereratur auf die Gleichgewichtslöslichkeit des Wasserstoffs im Aluminium ist in Bild 1 wiedergegeben. Da das frisch geschöpfte Elektrolysemetall eine hohe Temperatur von 900 °C. aufweist, reagiert es begierig mit Wasserdamf und weist daher meist einen relative hohen Wasserstoffgehalt auf (unter Umständen über 1 cm³ / 100g Aluminium) man erkennt in Bild 1 insbesondere einen sprunghaften Rückgang der Löslichkeit des Wasserstoffs bei der Erstarrung. Die Wasserstoffgehalte, welche im Regelfall in der Praxis vorliegen, sind in Bild 1 schraffiert eingezeichnet. Die Löslichkeit des Wasserstoffs in Aluminium beträgt im festen Zustand bei der Solidustemperatur nur noch etwas 10% der Löslichkeit in der Schmelze bei Liquidustemperatur. Dennoch kann der in der Schmelze vorhandene Wasserstoff bereits im verlaufe der Erstarrung und erst recht im festen Aluminium stark übersättigt vorliegen.

Bei rascher Erstarrung, wie sie bei technischen Gießverfahren vorliegt, hat der Wasserstoff nicht genug Zeit um aus dem erstarrenden Gefüge in die Schmelze zu entweichen, so dass man im festen Aluminium fast immmer mehr Wasserstoff findet als im Gleichgewicht löslich ist.

Außer Wasserstoff entsteht auch Aluminiumoxid (Al²O³) das sich auf der Oberfläche des festen oder flüssigen Metallles schichtartig ansammelt. Diese Oxidhaut kann beim Einschmelzen sowie beim Bewegen oder Fließen der Schmelze in das Innere des flüssigen Metalls gelangen wo das Oxid dann als Einschluss vorliegt. (Bild 2)

Zu hoher Wasserstoffgehalt und Oxideinschlüsse sind beim Stranggießen wie auch beim Formgießen gleichermaßen unerwünscht. Daher trachtet man danach, vor dem vergießen Oxide und Wasserstoff aus der Schmelze möglichst weitgehend zu entfernen. Die entsprechenden Verfahren werden teilweise auch als Raffination der Schmelze bezeichnet. Wichtig ist, insbesondere das durchperlen von Chlorgas (chlorieren) eine Salzwäsche der Schmelze oder ein längeres abstehen lassen der Schmelze vor dem vergießen. Alle drei genannten Verfahren verringern sowohl den Wasserstoff- als auch den Oxidgehalt.

Schmelzefiltration

Zur Herstellung von Aluminiumprodukten (Gussteilen oder Halbzeug) mit hoher Qualität müssen Oxideinschlüsse und Wasserstoff bereits vor der Erstarrung zu einem großen Teil entfernt werden. In der Vergangenheit wurde dazu hauptsächlich eine Chlorgasbehandlung der Schmelze durchgeführt. Die Chlorierung von Aluminiumschmelzen hat aber verschiedene Nachteile. Unter anderem wird der Magnesiumgehalt der Schmelze verringtert und insbesondere entstehende Probleme in Sachen Umweltschutz, da das entweichende Aluminiumchlorid in die Umwelt gelangen kann. Auch für die Arbeitsplatzhygiene ist der Umgang mit Chlor unterwünscht. Daher werden heute teilweise Gasmischungen aus 90% Stickstoff mit 10% Chlor benutzt oder es wird anstelle einer Gasbehandlung mit Chlor die Schmelze filtriert.

Seite einigen Jahren haben sich insbesondere zwei Filtrierverfahren durchgestetzt. Anwendung eines porösen Keramikfilters oder eines Filterbettes, welches entweder aus Aluminiumkugeln oder Petrolkoks besteht. In jedem Falle eignet sich dieses Verfahren dazu, die meiten Oxideinschlüsse zurückzuhalten.

Ein Keramikfilter ist ein kreisrunder oder rechteckiger porösen Filterstein, der meist unmittelbar vor der Strangussanlage eingesetzt wird und jeweis am Ende eine Gießcharge ersetzt werden kann. (Weggwerffilter im Hinblick auf seine geringen Kosten) Für Luftfahrtanwendungen sind max 10 Güsse pro Filter, für normale Anwendungen maximal 18 Güsse möglich.

Außerdem kann in einer Durchlauffiltration der zuvor genannten Art ein Gasgegenstrom eingebaut werden, wobei entweder Argon oder trockener Stickstoff verwendet wird. Dadurch werden Oxidnester und Wasserstoff entfernt und man kann mit diesem Verfahren Produkte herstellen, welche einen extrem niedrigen Gehalt an Einschlüssen Wasserstoff aufweisen.

Entstehung von Wasserstoffporen

Im Gussgefüge können drei verschiedene Arten von Hohlräumen auftreten:

Lunker, hervorgerufen durch die starke Volumenabnahme, die das erstarrende Metall beim Übergang vom festen Zustand erleidet (6-7% bei Reinaluminium, bei Legierungen meist weniger).

Lufteinschlüsse, entstanden durch Luft die beim Gießen in das Metall gelangt und nicht mehr rechtzeitig vor dem Erstarren entweichen kann.

Wasserstoffporen in denen sich der während der Erstarrung oder im festen Zustand ausgeschiedene Wasserstoff angesammelt hat.

Die beiden ersten Fehlerformen sind beim Formguss wichtig.

Wasserstoffausscheidungen spielen sowohl beim Strangguss und Knethalbzeug als auch bei Formgussstücken eine Rolle und sollen hier näher betrachtet werden:

Wasserstoffausscheidungen im Gussgefüge treten in der Form von feinen bis mittleren Poren auf (Durchmesser etwa 0,001 bis 0,5 mm). Diese Poren können nicht nur während sondern auch nach der Erstarrung entstehen und werden dementsprechend in primäre und sekundäre Porösität unterteilt. Je höher der Wasserstoffgehalt der Schmelze ist und je langsamer die Erstarrung erfolgt, umso mehr wird die primäre Porösität begünstigt.

Die primäre Porösität ist meist relativ ungleichmäßig im Gefüge verteilt. Bei Reinaluminium - Strangguss mit den meist vorliegenden Wasserstoffgehalten von 0,1 bis 0,2 cm³/100g liegt die primäre Porösität bei oder unter 0,1 Vol%. was bei diesem Werkstoff und den Knetlegierungen mittlerer Festigkeit noch als unschädlich gilt.

Höhere Wasserstoffgehalte verursachen merkliche primäre und sekundäre Porösität, wodurch Rissbildung beim Warmwalzen und Blasenbildung beim Weichglühen der Bleche begünstigt werden. Beim Stranggießen hochfester Legierungen muss der Wasserstoffgehalt der Schmelze bedeutend niedriger, und zwar unter 0,08 cm³/100 g gehalten werden. Einmal, weil das breite Erstarrungsinterwall und das meist dendritische Kristallwachstum dieser Legierungen die Ausscheidung von Wasserstoff als primäre und sekundäre Porösität begünstigen; zum anderen, weil die hochfesten Legierungen gegenüber derartigen Störungen des Gefügezusammenhangs empfindlicher sind als relativ weiche Werkstoffe.

Die sekundäre Porösität besteht aus sehr feinen Poren von meist nur einigen Micrometern Durchmesser (0,001 bis 0,01 mm) Diese Poren entstehen oder vergrößern sich oftmals beim Glühen von Barren und Halbzeug. Die sekundäre Porösität tritt sehr gleichmäßig auf und wurde bisher, im Gegensatz zur primären Porösität, als weitgehend oder völlig unschädlich erachtet.

Allgemeine Regeln für das Aluminiumgießen

Gießtemperatur: 25 K - 40 K über dem Schmelzpunkt je tiefer - desto feiner das Korn - desto geringer die Gasaufnahme - desto weniger Abbrand.

Metallzufuhr: langsam und turbulenzfrei, damit durch ein Aufreißen der Oxidschicht nicht losgelöste Oxidpartikel in den Gussbarren gelangen und die Wasserstoffaufnahme reduziert wird.

Metallverteilung: durch geeignetes Verteilsystem (Prallplatte) die Schmelze nahe an die Kokillenwand führen.

Kühlwasser: kontrolliert und gleichmäßig für glatte Barrenoberflächen

Gießgeschwindigkeit: = wichtigster Einflussfaktor, legierungsabhängig große Gießgeschwindigkeit - langsame Abkühlung, tiefer Sumpf kleine Gießgeschwindigkeit - schnelle Abkühlung, flacher Sumpf

Literatur

• Schwerdtfeger: Metallurgie des Stranggießens, Stahl Eisen Verlag Düsseldorf, 1992