Warum bilden sich Quer­risse an den Ecken von mikrolegierten Stahlbrammen?

Im Stranggießprozess mikrolegierter Stahlbrammen entstehen transversale Eckrisse vorrangig in den mittleren und späteren Bereichen der Bogensegmente sowie während des Richtvorgangs. Die Ursachen liegen im Zusammenspiel thermischer, struktureller und metallurgischer Faktoren. Aufgrund der ungünstigen Wärmeübertragungsbedingungen an den Formecken entstehen grobkörnige Austenitstrukturen. Während der gerichteten Erstarrung segregieren Mikrolegierungselemente wie Nb, Ti oder V bevorzugt an den Korngrenzen. Sobald die Temperatur in den Bereich der Ausscheidung von Karbonitriden fällt, reagieren diese Elemente mit freien C- und N-Atomen und bilden konzentrierte Ausscheidungen, die sich entlang der Korngrenzen anreichern.

Diese Korngrenzen bilden dann bei weiterer Abkühlung schwach ausgebildete Ferritfilme mit reduzierter Festigkeit. Kommt es in diesem Zustand zu ungenügender Genauigkeit bei der Rollenspaltmontage in den Bogen- und Geradensegmenten, wirken sich die lokalen Spannungen und Dehnungen besonders negativ auf diese Bereiche aus. Infolge der konzentrierten Karbonitrid-Ausscheidung entlang der Ferritfilme entstehen Mikroporen von etwa 1–3 μm Größe, die sich zu sogenannten „Mikroporenketten“ zusammenlagern. Die Ferritfilmstruktur verliert dadurch erheblich an Warmumformbarkeit. Die Spannungen konzentrieren sich an den Porenkanten und führen schließlich zur Bildung makroskopisch sichtbarer transversaler Eckrisse entlang der Wachstumsrichtung der Ferritfilme.

Ziel der Vermeidung dieser Risse ist es, die Duktilität der Eckstruktur signifikant zu verbessern. Eine entscheidende Rolle spielt dabei die kontrollierte Ausscheidung von Mikrolegierungskarbonitriden. Die gleichmäßige, feindisperse Verteilung dieser Phasen in einem thermisch stabilen Bereich verhindert die Ausbildung grobkörniger Austenitstrukturen und reduziert gleichzeitig die Ausbildung ferritischer Filme entlang der Korngrenzen. Eine beschleunigte Abkühlung in den Formecken trägt wesentlich zur Bildung feinerer Austenitkörner bei und unterdrückt somit segregationsbedingte Schwächungen im Gefüge.

Die Thermodynamik der Karbonitridausscheidung in mikrolegierten Stählen ist dabei komplex. Verschiedene thermodynamische Modelle versuchen, dieses Verhalten abzubilden. Die gängigen Modelle – ideales Lösungssystem, reguläres und subreguläres Lösungssystem – stoßen bei realen Erstarrungsbedingungen an ihre Grenzen. Der am häufigsten eingesetzte Ansatz ist das Doppelsublattmodell, das sich in der Berechnung von Phasengleichgewichten in intermittierenden Lösungen bewährt hat. Es eignet sich besonders zur Beschreibung der Ausscheidung von M(C,N)-Phasen während der Erstarrung. Hierbei können Karbonitridphasen mit ähnlichem Gitteraufbau (wie z. B. Ti(C,N) oder Nb(C,N)) untereinander vollständig mischbar sein.

Da in modernen mikrolegierten Stählen die Konzentrationen der Legierungselemente niedrig sind, kann man in der thermodynamischen Modellierung davon ausgehen, dass Henry-Gesetz-Bedingungen gelten. Die Gitterplätze für interstitielle und substitutionelle Elemente sind klar verteilt, und die Aktivitätskoeffizienten lassen sich entsprechend einfach berechnen. Die molare freie Energie eines Mischkarbonitrids M(CₓN₁₋ₓ) ergibt sich aus dem Mischungsverhältnis der Einzelphasen sowie der Entropie- und Enthalpieanteile der Mischung. Die Stabilität der Phasen hängt von der Temperatur, dem Ausscheidungsgrad und der jeweiligen chemischen Aktivität der beteiligten Elemente ab.

Sobald die partielle molare freie Energie des gelösten Karbonitrids gleich der freien Energie in der festen Phase wird, hört die Ausscheidung auf – ein Zustand, der durch thermodynamische Gleichgewichtsbedingungen beschrieben wird. Diese Zustände sind entscheidend, um den geeigneten Temperaturbereich für kontrollierte Abkühlung und gezielte Ausscheidung zu identifizieren. Durch präzise Steuerung der Temperaturführung während des Stranggießprozesses lässt sich die Ausscheidung der Karbonitride in einen optimalen Bereich verlagern, in dem die Phasen fein verteilt und nicht entlang der Austenitkorngrenzen konzentriert auftreten.

Die praktische Umsetzung dieser Erkenntnisse verlangt jedoch weit mehr als nur die Anwendung thermodynamischer Modelle. Entscheidend ist die feingliedrige Abstimmung des gesamten Stranggießprozesses – von der Formkühlung über die Segmentanordnung bis hin zur exakten Kontrolle der Abkühlgeschwindigkeit und der mechanischen Belastung beim Richten. Nur durch dieses Zusammenspiel lässt sich die Warmduktilität in den kritischen Eckbereichen der Bramme erhöhen und die Bildung transversaler Eckrisse dauerhaft vermeiden.

Die Analyse der Rissursachen führt zu einer klaren technologischen Leitlinie: Eine feindisperse Ausscheidung der Karbonitride verhindert die Ausbildung ferritischer Schwächungszonen entlang der Korngrenzen. Die Vermeidung grobkörniger Austenitstrukturen, insbesondere an den Formecken, setzt eine beschleunigte, aber gleichzeitig kontrollierte Abkühlung voraus. Die thermodynamischen und kinetischen Modelle bieten dabei nur den Rahmen. Die Produktionspraxis muss durch präzise Parametersteuerung und Qualität der Anlagentechnik die notwendigen metallurgischen Bedingungen realisieren, um

Wie erfolgt der Wärmetransport an der Grenzfläche zwischen Kokille und Schale beim Stranggießen von mikrolegiertem Stahl?

Der Wärmetransport an der Grenzfläche zwischen der erstarrenden Schale und der Kokille beim Stranggießen von mikrolegierten Stählen erfolgt über zwei Hauptmodi: Modus I, bei dem ein Flüssig- und ein Festflussfilm an der Grenzfläche wirken, und Modus II, bei dem sich zusätzlich ein Luftspalt zwischen der Schale und der Kokille ausbildet. Beide Modi definieren sich durch eine komplexe Zusammensetzung aus Wärmeleit- und Strahlungswiderständen, die entlang der Höhenrichtung der Kokille wirken. Diese Widerstände bestimmen maßgeblich die Wärmeflussdichte an der Grenzfläche und beeinflussen dadurch die Erstarrungsdynamik der Schale.

Der Wärmefluss $q$ an der Grenzfläche ergibt sich aus dem Temperaturunterschied zwischen der Schalenoberfläche $T_s$ und der heißen Oberfläche der Kokille $T_m$, geteilt durch die Summe der thermischen Widerstände:

Die Widerstände selbst sind abhängig von den jeweiligen Schichtdicken und thermischen Eigenschaften der einzelnen Schichten – flüssiger Fluss, fester Fluss und Luft – sowie von den Strahlungseigenschaften der beteiligten Materialien. Neben der Wärmeleitung (mit dem Index $c$) muss auch der Wärmetransport durch Strahlung (mit dem Index $\text{rad}$) berücksichtigt werden, da insbesondere in der flüssigen und festen Flussschicht ein signifikanter Anteil der Wärmeübertragung über Strahlung erfolgt.

So ergibt sich beispielsweise der Gesamtwärmewiderstand der flüssigen Flussschicht aus der seriellen Kombination von Leitungs- und Strahlungsanteil:

Dabei hängt der Leitungsanteil vom Wärmeleitkoeffizienten $k_{\text{liq}}$ und der Dicke $d_{\text{liq}}$ der Schicht ab, während der Strahlungsanteil komplexe Abhängigkeiten von Emissivitäten, Extinktionskoeffizienten und Brechungsindizes aufweist. Entsprechendes gilt für die feste Flussschicht und den Luftspalt.

Besonders kritisch ist die Rolle des Luftspalts $d_{\text{air}}$, der durch mechanische Entkopplung der Schale von der Kokille entstehen kann. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der Luft stellt dieser Spalt einen hohen thermischen Widerstand dar, wodurch der Wärmefluss lokal stark eingeschränkt wird. Die Berechnung des Wärmewiderstands im Luftspalt berücksichtigt daher sowohl die Wärmeleitung durch Luft als auch die Strahlung zwischen der Schalen- und Flussoberfläche.

Ein zentraler Parameter ist der Kontaktwiderstand $R_{\text{int}}$ an der Grenzfläche zwischen fester Flussschicht und Kupferkokille. Dieser ist stark abhängig von der chemischen Zusammensetzung und Mikrostruktur des eingesetzten Flussmittels, der Dicke des Flussfilms, der Oberflächenrauigkeit sowie der lokalen Kühlintensität in der Kokille. Aufgrund der Komplexität und der Vielzahl einflussnehmender Faktoren ist die präzise Erfassung von $R_{\text{int}}$ meist nur über empirisch oder numerisch gestützte Modelle möglich.

Im Rahmen eines thermo-mechanisch gekoppelten Finite-Elemente-Modells des Stranggießsystems wird der gesamte Wärmetransport iterativ gelöst. Dabei werden die Temperaturen an der Schalenoberfläche $T_s$, an der Kontaktfläche zur Kokille $T_m$ sowie die variable Spaltdicke $d_{\text{gap}} = d_{\text{liq}} + d_{\text{sol}} + d_{\text{air}}$ dynamisch berücksichtigt. Die Wärmeflüsse an jedem Punkt werden mithilfe der Monte-Carlo-Methode berechnet und in das FEM-Modell eingespeist. Diese Kopplung erlaubt eine simultane Analyse der thermischen und mechanischen Zustände während der Erstarrung und ermöglicht eine realitätsnahe Simulation der Spannungsentwicklung und Rissanfälligkeit der Schale.

Von besonderer Relevanz ist die mechanische Interaktion zwischen der erstarrenden Schale und der Kokille. Die Schale bewegt sich mit der Gießgeschwindigkeit nach unten und erfährt dabei sowohl thermische Kontraktionen als auch externe mechanische Zwänge durch die Kontaktbedingungen mit der Kokille. Zur Modellierung dieses Verhaltens werden einige Vereinfachungen vorgenommen: Die Wärmeströme in Gießrichtung werden vernachlässigt, der Wärmeübergang an der Stahl-Schmelzgrenze wird über effektive Leitfähigkeiten abgebildet, und die mechanischen Spannungen werden als ebene Spannungszustände (Plane Stress) behandelt. Zusätzlich wird die Reibung an der Grenzfläche zur Kokille ignoriert und durch eine glatte Gleitkontaktbedingung ersetzt.

Insgesamt entsteht ein stark nichtlinear gekoppeltes System, dessen Verständnis essenziell ist für die Kontrolle von Oberflächenrissen und die Optimierung des Erstarrungsverlaufs. Insbesondere die Kontrolle der Schichtdicken von flüssigem und festem Fluss sowie die Minimierung des Luftspalts sind entscheidende Stellgrößen für eine stabile Erstarrung ohne Defekte.

Ein vertieftes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Wärmeleitung, Strahlung und mechanischer Kopplung erlaubt nicht nur eine bessere Vorhersage der Temperaturfelder, sondern auch eine gezieltere Prozessführung im industriellen Maßstab. Dabei muss berücksichtigt werden, dass selbst kleinste Änderungen der Emissivität oder Flussdicke große Auswirkungen auf den lokalen Wärmefluss haben können – ein Effekt, der sich insbesondere in den Ecken und Übergangsbereichen der Kokille deutlich manifestiert. Für eine präzise Modellierung ist daher eine hohe örtliche Auflösung der Eingangsparameter sowie eine kontinuierliche Validierung mit experimentellen oder prozessnahen Daten erforderlich.

Wie kann die Genauigkeit thermomechanischer Modelle bei der Stranggießverfestigung von Mikrolegierten Stahlbrammen sichergestellt werden?

Die Gießform im kontinuierlichen Stranggießprozess von Stahl stellt ein hochtemperiertes, relativ abgeschlossenes System dar, dessen innerer Verfestigungsprozess der Schale nur indirekt beobachtet werden kann. Die Thermoelemente, eingebettet in die breiten und schmalen Kupferplatten der Form, liefern in Echtzeit Temperaturdaten und sind damit das primäre Mittel zur Validierung thermischer Modelle der Schalenverfestigung. Ihre Messdaten geben Aufschluss über die Wärmeübertragung zwischen Schale und Formwand und bilden damit die Grundlage zur Überprüfung numerischer Simulationsmodelle, die auf thermomechanischer Kopplung basieren.

Diese Validierung erfolgt nicht nur über die Temperaturen, sondern auch über die gemessene Schalenstärke nach einem Durchbruch (breakout) und die Dicke des Formflussfilms. Die Analyse eines konkreten Beispiels zeigt, dass sich die Temperaturverteilung auf der breiten Formwand aufgrund der ungleichmäßigen Anordnung der Kühlwasserschlitze zyklisch verändert – an Schraubenpositionen ist die Temperatur etwa 10 °C höher als an wassergekühlten Bereichen. Im Gegensatz dazu weist die Temperaturverteilung auf der schmalen Formwand eine deutlich homogenere Struktur auf, was auf die gleichmäßige Kühlstruktur zurückzuführen ist. Besonders auffällig sind die Temperaturveränderungen in ecknahen Bereichen, in denen Schrauben und veränderte Schlitzabstände zu lokalen Erhöhungen führen, bevor die Kühlung wieder wirksam einsetzt.

Die gemessenen Temperaturen der oberen und unteren Thermoelemente auf breiter und schmaler Seite schwanken um 118 bzw. 107 °C und 116 bzw. 102 °C. Die Modellrechnungen zeigen hier eine gute Übereinstimmung mit den realen Messdaten, was auf eine hohe Modelltreue hinweist.

Ein weiterer wesentlicher Validierungsparameter ist die Schalenstärke entlang der Formhöhe. Die Simulationsergebnisse mit dem entwickelten thermomechanisch gekoppelten Finite-Elemente-Modell zeigen im oberen Bereich der Form – 0 bis 400 mm unterhalb des Meniskus – eine Unterschätzung der Schalenstärke im Vergleich zu Messwerten. Dieses Phänomen ist auf die Modellannahme zurückzuführen, die das Stahlbad initial mit homogener Überhitzung von 25 °C beschreibt. In der Realität jedoch wird in diesem Bereich kontinuierlich latente Wärme und Überhitzung über die Kupferplatte abgeführt, bevor die Schale vollständig erstarrt. Mit zunehmender Tiefe gleicht sich der Unterschied zwischen Simulation und Messung zunehmend an, was die Modellvalidität auf tieferen Niveaus bestätigt. Der Vergleich mit früheren Studien belegt die hohe Korrelation des Modells mit experimentellen Daten.

Ein weiterer Validierungspunkt ist die Schichtdicke des Formflussfilms zwischen Schale und Kupferplatte. Die Messungen nahe der Formecke zeigen sowohl in Verteilung als auch in Absolutwerten eine hohe Übereinstimmung mit den Vorhersagen des Modells. Diese Konvergenz von Simulation und Praxis erlaubt eine präzise Quantifizierung der Wärmeübertragung und des mechanischen Verhaltens der Schale während des Gießprozesses – insbesondere im sensiblen Eckbereich, wo transversale Risse entstehen können.

Die Simulation der dynamischen Schwindung und Deformation der Schale bei der Erstarrung eines mikrolegierten konventionellen Brammenstrangs belegt die wachsende Bedeutung thermischer Effekte entlang der Formhöhe. In der Frühphase der Erstarrung, wenn die Temperatur der Schale noch hoch ist, zeigen sich kaum Verformungen – ein enger Kontakt zwischen Schale und Formwand bleibt bestehen. Doch mit fortschreitender Abkühlung wird die thermisch bedingte Schwindung signifikant. Insbesondere an der schmalen Seite verliert die Schale aufgrund unzureichender konischer Anpassung den Kontakt zur Formplatte. Dies führt zur Bildung von Lücken zwischen Schale und Form, insbesondere im Bereich nahe der Ecken – einer Zone, die ohnehin mechanisch besonders belastet ist. Die Modellierung dieser Abkopplungsphänomene ist entscheidend für das Verständnis von Fehlerentstehung und die Entwicklung effizienter Formkonzepte, die auf gezielte Wärmeabfuhr und mechanische Unterstützung in diesen kritischen Bereichen abzielen.

Wichtig ist zu erkennen, dass die Genauigkeit solcher Modelle maßgeblich von der realitätsnahen Beschreibung initialer Randbedingungen abhängt. Eine homogen überhitzte Starttemperatur vernachlässigt den komplexen Wärmehaushalt im Meniskusbereich, was die frühe Schalenentwicklung verzerrt. Ebenso ist die Rolle der mechanischen Unterstützung durch Formkonizität nicht zu unterschätzen – eine unzureichende Abstimmung führt zu Schalenablösungen, die wiederum lokale Temperaturgradienten und Rissbildungen begünstigen.

Darüber hinaus spielt die Charakterisierung des Formflussfilms eine zentrale Rolle. Seine Dicke und Morphologie beeinflussen direkt die Wärmeleitfähigkeit an der Grenzfläche und damit die Erstarrungsgeschwindigkeit der Schale. Inhomogenitäten in diesem Film können Hot Spots verursachen oder die Wärmeableitung lokal verzögern – ein weiterer Risikofaktor für Rissentstehung, insbesondere bei Mikrolegierungen mit niedrigem Duktilitätsfenster.

Die Fähigkeit des Modells, diese gekoppelten Phänomene – Wärmeleitung, mechanische Verformung und Grenzflächeneffekte – präzise vorherzusagen, ist der Schlüssel zur Optimierung zukünftiger Gießprozesse. Dies schließt nicht nur die Konstruktion wärmetechnisch effizienter Formen ein, sondern auch die gezielte Steuerung von Gießparametern wie Geschwindigkeit, Kühlintensität und chemischer Zusammensetzung der Formflüsse, um die Gefahr transversaler Eckrisse signifikant zu minimieren.

Warum die Thermo-Mechanischen Eigenschaften des Stranggusses für die Qualität von Stahlblechen entscheidend sind

Die kontinuierliche Gießtechnik von Stahl ist ein äußerst komplexer Prozess, bei dem thermomechanische Verhältnisse und Materialverhalten in verschiedenen Phasen der Abkühlung und Erstarrung berücksichtigt werden müssen. Besonders im Bereich der Sekundärkühlzone, die eine entscheidende Rolle für die Qualität und Struktur des Endprodukts spielt, treten verschiedene physikalische Phänomene auf, die die mechanischen Eigenschaften der Stahlplatten stark beeinflussen. Diese Zone beeinflusst maßgeblich die Entstehung von Transversalrissen an den Ecken der Gussplatten, die eine der häufigsten Defekte in der Herstellung von Mikrolegerstählen sind.

Bei der Sekundärabkühlung von Stranggießplatten aus mikrolegertem Stahl, die Elemente wie Niob (Nb), Bor (B) und Aluminium (Al) enthalten, erfolgt die Ausfällung von Mikrolegerkarbonitriden vorwiegend in der Hochtemperaturzone der Sekundärkühlung. Diese Mikrolegerkarbonitridphasen, die auch Vanadium (V) enthalten können, setzen sich in der gesamten Sekundärkühlzone ab. Besonders auffällig ist, dass die langsame Wärmeübertragung an den Ecken der Gussplatte dazu führt, dass Mikrolegerkarbonitride an den Körnergrenzen des Austenits ausfallen, was die Kornrandbrüchigkeit der Struktur erhöht. Dies führt zu einer signifikanten Reduzierung der Duktilität in den Ecken der Platte, was die Entstehung von Transversalrissen begünstigt.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die hohe Temperaturfluktuation in den Ecken der Platte während des Abkühlprozesses, insbesondere in der Hochtemperaturzone. Diese Schwankungen wirken sich negativ auf die strukturelle Integrität aus, da die Platten in der Regel komplexen mechanischen Belastungen wie Biegung und Begradigung unterzogen werden müssen. Eine reduzierte Duktilität der Gusseckstruktur erhöht das Risiko von Rissen an den Korngrenzen, die durch übermäßige Spannungen oder Dehnungen induziert werden können, was letztlich zu Transversalrissen führt.

Zur besseren Kontrolle und Vermeidung solcher Defekte ist es notwendig, den Prozess der Sekundärkühlung und Erstarrung der Gussplatten genau zu analysieren. Besonders wichtig ist dabei die Entwicklung eines geeigneten thermomechanischen Modells, das die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Faktoren des Abkühlprozesses berücksichtigt. Ein solches Modell kann helfen, die Entstehung von Rissen zu minimieren und die Duktilität der Eckenstrukturen zu verbessern.

Zur Berechnung des thermomechanischen Verhaltens der Gussplatten im Sekundärabkühlbereich wurde ein dreidimensionales, thermomechanisches Finite-Elemente-Modell entwickelt. Dieses Modell berücksichtigt nicht nur die Wärmeübertragung und die mechanischen Spannungen während des Erstarrungsprozesses, sondern auch die komplexen Einflussfaktoren wie die Gießwalzen, die Plattenbiegung und -begradigung. Das Modell geht davon aus, dass das Material während des Erstarrungsprozesses isotrop ist, und dass die thermischen Eigenschaften nur von der Temperatur und der Phasenkomposition abhängen.

Die thermische und mechanische Kontrolle erfolgt unter Verwendung einer Vielzahl von Annahmen. So wird die Strömung des geschmolzenen Stahls auf den Erstarrungsprozess nicht berücksichtigt, und die Wärmeübertragung wird durch einen effektiven Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten beschrieben. Darüber hinaus wird das Material des Stranggießers als elastisch und duktil behandelt, wobei auch Kriecheffekte während der Abkühlung und Erstarrung berücksichtigt werden.

Die Modellierung der Wärmeübertragungsbedingungen zeigt, dass in der Sekundärkühlzone mehrere Wärmeübertragungsmechanismen zum Tragen kommen: Wärmeabgabe durch Strahlung, Wärmeabgabe durch das Eintauchen in Kühlwasser, Verdunstungswärme und Kontaktwärme zwischen der Gusswalze und der Platte. Diese verschiedenen Wärmeübertragungsarten tragen in unterschiedlichem Maße zum Gesamtenergieverlust bei. Die genaue Bestimmung der Wärmeübertragungskoeffizienten in der Sekundärkühlzone bleibt jedoch eine Herausforderung, da die Bedingungen von Gießanlage zu Gießanlage variieren.

Wichtig ist, dass durch die Anwendung solcher Modelle nicht nur die thermischen und mechanischen Eigenschaften des Gussprozesses genauer vorhergesagt werden können, sondern auch mögliche Defekte wie Transversalrisse vermieden werden können. Das Verständnis der thermomechanischen Wechselwirkungen und ihrer Einflussfaktoren in der Sekundärkühlzone bildet die Grundlage für die Entwicklung gezielter Steuerungsstrategien und die Optimierung der Gießtechnologie.

Wie beeinflusst die gekrümmte Struktur der Kokillenkupferplatte die Randkühlung und das Kornwachstum bei dünnen Stahlblechen?

Die Entwicklung und Anwendung der gekrümmten Struktur der Kokillenkupferplatte im Bereich der kontinuierlichen Stranggießanlagen (CSP) stellt eine bedeutende Innovation dar, um die Qualität und Mikrostruktur von dünnen Stahlblechen zu verbessern. Im oberen Bereich der Kokille ist die dünne Schicht des Stahls einer besonders hohen Temperatur ausgesetzt, was eine gezielte kompensatorische Formgebung erforderlich macht. Die große Taper-Kompensation im oberen Teil der Kokille ermöglicht es, die Schrumpflücke an den Ecken des Stahlblechs in Breitenrichtung effektiv zu eliminieren, ohne auf die zuvor übliche, größere Eckkompensation bei herkömmlichen Kokillenstrukturen zurückgreifen zu müssen.

Die Verteilung dieser Kompensation folgt einem spezifischen Muster entlang der Höhe der Kokille: Vom oberen Ende bis etwa 360 mm Höhe steigt die Kompensation der schmalen Seite schnell auf ihren Maximalwert von etwa 1,1 mm an und nimmt danach kontinuierlich ab, bis sie im unteren Bereich wieder null erreicht. Diese dynamische Anpassung der Form der Kokillenplatte trägt maßgeblich zur Stabilität der festen Schale bei, indem sie eine Verformung durch Schrumpfung sowohl an den Ecken als auch in deren unmittelbarer Umgebung verhindert.

Die Untersuchung der Verteilung des Flussfilms und der Luftspalte an den Ecken und nahe den breiten und schmalen Seiten des Blechs zeigt signifikante Verbesserungen gegenüber traditionellen flachen Kokillendesigns. Im Bereich von 100–400 mm unter der Oberfläche weist der Flussfilm insbesondere an der breiten Seite eine deutliche Zunahme in der Dicke auf, was zu einer stabileren Wärmeleitung beiträgt. Gleichzeitig reduzieren die gekrümmten Strukturen die maximale Flussfilmdicke an den Ecken der schmalen Seite von etwa 0,45 mm auf 0,25 mm und an den angrenzenden Bereichen von 0,7 mm auf 0,3 mm. Diese Reduktionen von bis zu 57 % verbessern die Wärmeübertragung in diesen kritischen Bereichen signifikant.

Die Luftspalte an den Ecken beider Seiten erfuhren durch die neue Kokillenstruktur ebenfalls eine drastische Verringerung. Besonders an der schmalen Seite reduzierte sich der maximale Luftspalt von ca. 0,28 mm auf nur noch 0,05 mm, was einer nahezu vollständigen Eliminierung entspricht. An der breiten Seite sank der Luftspalt ebenfalls um etwa 0,1 mm. Diese Verringerungen der Luftspalte begünstigen die Wärmeableitung und somit eine kontrollierte Erstarrung der Stahloberfläche.

Die Temperatur- und Abkühlkurven an der Blechkante zeigen einen schnellen Temperaturabfall im oberen Bereich der Kokille, mit einer Abkühlrate von mehr als 40 °C/s in den ersten 100 mm unterhalb der Meniskuslinie. Trotz der Abnahme der Abkühlrate während des weiteren Abwärtsflusses bleibt die mittlere Abkühlrate stets über 10 °C/s. Diese Bedingungen sind entscheidend für die feinverteilte Ausscheidung von Karbonitriden der Legierungselemente Nb, Al und B, die wesentlich zur Verbesserung der Warmdehnungseigenschaften und damit zur Vermeidung von Eckrissen beitragen.

Im sekundären Kühlbereich zeigt sich jedoch, dass die herkömmliche Kühlstruktur in der Zone der schmalen Seiten-Fußwalze mit nur zwei Düsen nicht ausreicht, um die für die Karbonitridausscheidung erforderliche Abkühlrate zu erreichen. Die Ecktemperaturen liegen hier bei etwa 945 °C mit einer durchschnittlichen Abkühlrate von nur 4 °C/s, was knapp unter der optimalen Rate für die Ausfällung liegt. Dies führt zu unzureichender Verfestigung der Mikrostruktur und erhöht das Risiko von Randrissen. Daher ist eine weitere Verstärkung der Eckkühlung nach Austritt aus der Kokille unverzichtbar, um die erforderlichen Bedingungen für eine optimale Karbonitriddispersion zu gewährleisten.

Die präzise Kontrolle der Form der Kokillenplatte, die gezielte Steuerung von Flussfilm- und Luftspaltdicken sowie die Optimierung der Abkühlraten sind integrale Bestandteile einer modernen Gusstechnologie, die die mechanische Integrität und Oberflächenqualität dünner mikrolegierter Stahlbleche maßgeblich beeinflussen. Ein tieferes Verständnis dieser Prozesse ermöglicht es, sowohl die Gusstechnologie als auch die nachfolgenden thermomechanischen Behandlungen gezielt zu verbessern.

Es ist wichtig zu verstehen, dass die verbesserte Wärmeübertragung und die damit verbundene kontrollierte Erstarrung der Stahlblechkanten nicht nur Risse verhindern, sondern auch die Homogenität der Mikrostruktur fördern. Die Steuerung der Karbonitridausscheidung trägt wesentlich zur Erhöhung der Festigkeit und Zähigkeit des Endprodukts bei. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen Formgebung der Kokillenplatte, Flussfilm- und Luftspaltverteilung sowie dynamischer Abkühlung erfordern eine präzise Abstimmung aller Prozessparameter. Nur durch ein integratives Verständnis dieser Aspekte können optimale Produktionsbedingungen geschaffen werden, die den steigenden Anforderungen an Qualität und Wirtschaftlichkeit im Stahlguss gerecht werden.