Dünnbrammen-Gießen und -Walzen: Effizienzsteigerung in der Flachstahlproduktion

Für Flachprodukte wird Flüssigstahl üblicherweise in Brammen (150–350 mm Dicke) im Stranggießverfahren gegossen. Nach Inspektion, Narbenbeseitigung (Schroten) und Aufheizen im Brammenofen auf Walztemperatur werden sie in Halbkontinuierlichen oder Kontinuierlichen Breitbandstraßen zu Warmbändern gewalzt. Die Dünnbrammen-Gieß- und Walztechnologie (Thin Slab Casting and Rolling, TSCR) reduziert Prozessschritte bei der Warmbandherstellung. Ursprünglich primär zur Investitions- und Produktionskostensenkung entwickelt, gilt sie heute als einer der vielversprechendsten Produktionswege, um Stahl als führenden Werkstoff technologisch zu behaupten, und hat hohen Reifegrad erreicht. Gießgeschwindigkeiten von 6,0 m/min bei 50/55 mm Brammendicke sind heute üblich.

Stahlsortenspektrum

Anfangs nur kommerzielle Qualitäten unlegierter Stähle. Heute: fast alle Sorten – niedrig-, mittel-, hochkohlenstoffhaltige Stähle, HSLA (hochfeste niedriglegierte), Rohrleitungsstähle, Automobilstähle inkl. IF (interstitial-free) Sorten. Paradigmenwechsel in Gieß- und Walztechnologie. Ermöglicht durch Verbesserungen: (i) Kokillen-Design, (ii) hydraulische Kokillenoszillation, (iii) elektromagnetische Bremsen (EMBR), (iv) Hochdruckentschupper und Rollen-Seitenführung (Edger), (v) dynamische Flüssigkernreduktion (LCR), (vi) Schutzschlackequalität, neu designte Tauchdüse (SEN), (vii) Wassersprühkühlung.

Hauptvorteile gegenüber Dickbrammen-Gießen/Walzen

• Geringere Investitionskosten
• Geringerer Personalbedarf
• Weniger Platzbedarf
• Höherer Ausbeute vom Flüssigstahl zum Fertigprodukt
• Geringerer spezifischer Brennstoffverbrauch
• Geringerer spezifischer Stromverbrauch

Historische Entwicklung

Bis Mitte der 1980er scheiterte TSCR an technologischen Hürden. Durchbruch Oktober 1985: SMS Schloemann-Siemag goss erste 50 mm Dünnbramme im Pilotwerk Kreuztal-Buschhütten (patentierte trichterförmige Kokille, optimierte SEN). Bezeichnung: "Compact Strip Production (CSP)". Erste CSP-Anlage: Bestellung Ende 1987, Inbetriebnahme Juli 1989 bei Nucor Steel, Crawfordsville, Indiana. Kurz nach Inbetriebnahme größerer Breakout durch unerfahrene Bediener – verzögerte Akzeptanz.

Parallel: In-line Strip Production (ISP) durch Mannesmann Demag und Arvedi. Entwicklung ab 1988 (Arvedi-Mannesmann-Patent). 1992 Prototyp bei Arvedi, Cremona. 1994/95 erste Entwicklungsphase abgeschlossen. Später: Arvedi ESP (Endless Strip Production) – 0,8 mm Banddicke. Voest Alpine (VAI, jetzt Primetals) und Danieli entwickelten eigene TSCR-Technologien. VAI: CONROLL (bis 125 mm Brammendicke, eher Mitteldicke). Danieli: fTSR (flexible Thin Slab Rolling, 70–90 mm). Massiver Schub durch chinesische/indische Stahlexpansion. Heute: 3-Strang-CSP-Anlage bei ESSAR, Gujarat (jetzt ArcelorMittal Nippon Steel India).

TSCR durchlief extrem dynamische Entwicklung: Anlagenauslastung, Verfügbarkeit, Umwandlungskosten, Stahlsortenspektrum, Near-Net-Shape, Bandgeometrie, Qualitätsparameter, Oberflächenmerkmale. Heute: nicht nur niedrig-/mittelkohlenstoffhaltige Stähle, auch ferritische/austenitische Edelstähle, kornorientierte Elektrobandstähle. Vor- und nachgelagerte Stufen (z. B. Warmbanddicken bis ~1 mm) weiterentwickelt.

Metallurgische und prozesstechnische Merkmale

Vom Pfannenofen bis zum Wickler im TSCR-Prozess:

• Schnelle Erstarrung verfeinert dendritische Struktur → homogenere Struktur
• Nichtmetallische Einschlüsse: klein, kugelig, behalten Form beim Warmwalzen → isotrope Eigenschaften (Zähigkeit, Biegeverhalten)
• Mikrolegierungselemente bleiben in Lösung; hohe Brammentemperatur vor Warmwalzen vermeidet vorzeitige Ausscheidung
• Zur Minimierung periektischer Gießprobleme: C-Gehalt vieler mikrolegierter Stähle auf 0,05–0,06 % begrenzt → Vorteile für Zähigkeit und Schweißbarkeit
• Hohe Brammentemperatur beim Biegen/Entbiegen minimiert Querrissneigung
• Ausgleichtemperatur im Tunnelofen hängt von Mikrolegierung ab, hält Elemente in Lösung
• Direktbeschickung Hauptfaktor für Energieeinsparung beim Warmwalzen
• Anfangsumformungen oft >50 %; starke Verformung bei hohen Temperaturen verfeinert grobe Austenitkörner (>1.000 µm) durch Rekristallisation
• Feine, gleichmäßige Austenitkörner Voraussetzung für feinferritische Struktur (4–5 µm)
• Beschleunigte Kühlung am Auslauftisch und Austenit-Unterkühlung verfeinern Ferrit weiter

Abbildung 1 zeigt typischen Temperaturverlauf im TSCR-Prozess.

Schnellere Erstarrung → gleichmäßigere, feinere Strukturen. Feiner sekundärer Dendritenarmabstand (SDAS) durch schnelle Erstarrung fördert homogenere Struktur mit weniger Mikroseigerung als Konventionellguss. Mikroseigerung: Segregation zwischen Dendritenarmen (Min. Solutkonzentration im Armzentrum, Max. zwischen Armen). SDAS Maß für Inhomogenität im Strangguss. Im Dünnbrammenguss: "Liquid Core Reduction" (LCR). LCR reduziert Strangdicke unter der Kokille, solange Kern noch flüssig. Erstes Segment im Strangführungssystem verstellbar für gewünschte Dickenreduktion.

Compact Strip Production (CSP)

Kernkonzept: Maximale Kosteneffizienz durch Verknüpfung von (i) Gießen, (ii) Temperaturausgleich, (iii) Warmwalzen. Flüssigstahl → Pfannenofen → Stranggießanlage (CCM). Guss in Brammendicke 50–90 mm. Brammenzuschnitt, Transport in Tunnel-/Ausgleicheofen (typisch 1.150 °C). Austenitkorn 500–1.000 µm. Nach 20 min Verweilzeit: Brammenausgang, Kopfzuschnitt. Heißdünnbramme tritt in Endwalzwerk ein (~1.000 °C). Walzung zu Warmband (0,8–16 mm Dicke, 800–1.880 mm Breite) in 5–7 Gerüsten. Auslauftisch (ROT): Laminarkühlung auf Wickeltemperatur, Aufwickeln auf Raumtemperatur. Abb. 2: CSP-Prozessschema.

Hauptkomponenten: Pfannendrehbühne, Kokille, Strangführung, Quetschwalzen, Pendelscheren, Heizofen mit Transferwagen (Verbindung zwei Stränge), Walzwerk 5–7 Gerüste, Bandkühlung, Wickler. Flexible Brammendickeneinstellung während Guss durch LCR → Anpassung an Endbanddicke, Gussdicke, Gussgeschwindigkeit. 1 mm Warmband problemlos walzbar. CSP nutzt Profil-/Flachheitsregelung mit CVC-Technologie. Kapazitäten: 1 Strang bis 1,5 Mio. t/a, 2 Stränge bis 3 Mio. t/a, 3 Stränge bis 4 Mio. t/a. Abb. 3: 3-Strang-CSP-Layout, Abb. 4: CSP-Anlagenkonzepte.

Herzstück: Patentierte trichterförmige 1.100 mm lange Cr-Zr-Cu-Kokille (Abb. 5). Flüssigstahleinspeisung durch SEN in enge Kokillenhöhle durch trichterförmige Aufweitung des Kokilleneingangs. Trichter endet ca. in Kokillenmitte, danach parallele Breitseiten mit Abstand = Brammendicke. Kokillenseiten konisch (Schwindungsausgleich). Bei schneller Erstarrung nur 4,5–5 m Strangführung nötig (auch bei 6 m/min).

Weiterentwicklung: Strangführungslänge von ~6,0 m auf 9,7 m erhöht (Abb. 5) bei Beibehaltung Vertikalkonzept. Entscheidend: Kokillenentwicklung von U-Rahmen zu Doppelrahmen/O-Rahmen – zentral gesichert, deutlich höhere Stabilität. Rahmen mit seitlichen Fenstern für Joch bei EMBR-Einsatz.

Technologische Regelkreise systematisch erweitert für maximale Betriebszuverlässigkeit und Produktqualität: Kokillenspiegelregelung, hydraulischer Oszillator, LCR, Wärmestromdichtemessung, Breakout-Frühwarnung, dynamische Enderstarrungsregelung für hohe Brammeneintrittstemperatur in Tunnelofen. Direkte Gieß-Walz-Kopplung schafft Zusatzpotenzial bei Durchsatz und Endabmessungen. LCR ermöglicht optimale Brammendicke für Grenzabmessungen, maximalen Durchsatz, gewünschten Umformungsgrad während des Gießens.

CSP-Walzwerkentwicklung: Kompaktes Layout mit 6–7 Gerüsten (produktabhängig). Für Mindestdicken bis 0,8 mm: verschiedene Eintrittsdicken, optimierte Arbeitswalzendurchmesser/-werkstoffe (2–3 verschiedene Durchmesser). CVC-Technologie (bewährt in konventionellen Breitbandstraßen) weiterentwickelt zu "CVC Plus" – Profilregelbereich bis 190 % des CVC-Einstellbereichs.

Effizientere Zwischenkühlung ermöglicht ferritisches Walzen ultraniedrigkohlenstoffhaltiger Stähle und thermomechanisches Walzen von HSLA. Fliegende Schere vor Rotorwickler und/oder zwei Abwickler → semi-endloses Walzen dünner Bänder. Schnelle Kühlsysteme nach letztem Gerüst oder im hinteren Kühlbereich → Flexibilität bei Zeit-Temperatur-Verläufen für spezifische Bandeigenschaften, Mehrphasenstähle.

Enddicken <1,5 mm Besonderheit der CSP. Technologiepakete dafür entwickelt. Je nach Eintrittsdicke, Temperaturverlauf, Umformungsverteilung, Walzgeschwindigkeit: Mindestenddicken bis 0,8 °C bei austenitischen Endwalztemperaturen erreichbar.

Verglichen mit konventioneller Warmbandproduktion: Erreichbare Dicken bis 50 % dünner (sortenabhängig). Erhöhte Anforderungen an CSP-Walzwerk: Kraft, Energie, Walzenverschleiß (späte Gerüste), Bandflachheit. Walzspalt-Schmierung minimiert Verschleiß, Trenkkraft, Drehmoment, verbessert Oberflächenqualität. Flachheitsmessung/-regelung: Segmentierte Looper in mehreren Werken erfassen nicht nur Zwischengerüstspannung, sondern Spannungsverteilung über Breite → Arbeitswalzenbiegung für Flachheitsregelung.

Trotz Maßnahmen: Bei sehr dünnem Band schwierig, hohe Flachheit nach Abkühlung zu halten. Band auf Auslaufrollentisch flach (unter Spannung), zeigt später beim Abwickeln Kantwelligkeit. "Edge Masking" entwickelt zum Schutz der Flachheit abgekühlten Bands. Verstellbare Führungsplatten unter Laminarkühlgruppen halten Wasser von Bandkanten fern → Flachheitsverbesserung von 250 I-Einheiten auf 25 I-Einheiten (I-Units: dimensionslose quantitative Flachheitsmessung, berücksichtigt Wellenhöhe und Wellenlänge).

Regelkreise im CSP-Walzwerk ständig auf aktuellem technologischem Stand. Dienen nicht nur Walzstrategie, Passplan, Voreinstellung, sondern vor allem: Erreichen geforderter Produktparameter (Profil, Kontur, Flachheit), Massenflussüberwachung, Regelung auf Enddicke, Minimierung Toleranzen. Mechanische Eigenschaften Endband stark abhängig von Endwalz-/Wickeltemperatur und Kühlstrategie. Geeignete physikalische Prozessmodelle entwickelt und an steigende Produktanforderungen angepasst.

CSP-Warmband, besonders dünne Bereiche bis 0,8 mm, beeinflusst nachgelagerte Stufen (Beizen, Verzinken). Beispiel: Kombinierte Anlage Warmband-Beizen-Verzinken bei Wuppermann, Niederlande (2000), 0,8–3,0 mm. Integration 1–2 Kaltwalzgerüste in solche Linien möglich.

In-line Strip Production (ISP)

ISP produziert Warmband bis 1 mm Enddicke. Auffälligste Eigenschaft: extreme Kompaktheit. Nur 180 m von Flüssigstahl zu Warmband – kürzeste Bandanlage weltweit. Ergebnis dreier ISP-Merkmale: (i) Stranggießen mit LCR während Erstarrung, (ii) Direkte Kopplung Gießen/Anfangswalzen, (iii) Kompakter Induktionsofen + zwei Coil-Box-Öfen statt langer Tunnelöfen vor Warmwalzwerk.

Guss in Mehrbiegekokille mit Servohydraulik-Oszillation, Austrittsdicke 70 mm. Weichreduktion auf 5,2 m Radius, Austritt 5,5 m/min, max. 55 mm. Pfannendüse für homogenes Schalenwachstum, lange Gießfolgen.

Unmittelbar nach Gießer: 3-Gerüst-Vorwalzwerk auf 10–18 mm Transferstab, Querschnitt durch Pendelscheren. LCR → homogenes, segregationsarmes, feinkörniges Brammenmaterial → bessere mechanische Endprodukteigenschaften. LCR + direkter Eintritt in Vorwalzwerk = Energieeinsparung ggü. konventionellen unterbrochenen Walzfolgen.

Nach Induktionsofen (Temperaturerhöhung 150–250 °C) erreicht Transferstab "Cremona-Ofen": zwei in isolierten Kammern (Boxen) untergebrachte Wickler. Während einer Wickler Transferstab vom Induktionsofen annimmt/aufwickelt, wickelt der andere vorherigen Transferstab ab → Zufuhr Warmwalzwerk.

Gasbefeuerter Cremona-Ofen entkoppelt Gießen/Vorwalzen von Endwalzwerk, ist aber dynamischer Puffer: hält Stahl inline, homogenisiert Temperaturprofil für Warmwalzen → hohe Produktivität/Effizienz. Resultierende Warmbandkanten verlängern Arbeitswalzenstandzeiten im Endwalzwerk auf bis zu 150 km.

Hochdruckentschupper vor 5-Gerüst-Endwalzwerk (Arbeitswalzenverschiebung/-biegung, automatische Dickenregelung an allen 4-Hoch-Gerüsten). Einlaufdicke ≤20 mm ermöglicht Arvedi Warmband bis 1 mm in einziger Passung mit hoher Profil-/Dickenpräzision, Wölbung 1–3 %, niedrige Rauheit, gute Kaltumformbarkeit.

Bei dieser Dicke Längenabweichungen quer ≤1 I-Unit. Abschließend: Laminarwasser-Kühltisch → Abwickeln. Hohes Prozesssteuerungs-/Automatisierungsniveau integriert. Rauchgasemissionen 1,0 mg/Nm³, totale Wasserrückführung vermeidet Flüssigabfälle.

Dimensions toleranzen vergleichbar Kaltband: 1,0–1,2 mm Coils zeigen flachen Querwert 25 mm vom Bandrand. Abb. 6: ISP-Prozessschema.

Danieli Dünnbrammen-Gieß- und Walztechnologie

Erste Generation: flexible Dünnbrammen-Gießen (fTSC) verbunden mit Dünnbrammen-Walzen (fTSR) durch Tunnelofen. fTSC: 60 mm Brammendicke. Vertikal gekrümmt, Trichterkokille, Weichreduktion, Luftnebelkühlung. Walzwerk: Endwalzwerk 6–7 Gerüste Cluster-Konfiguration. Abb. 7: Schema.

Weiterentwicklung: Zwei Layout-Konzepte → "Quality Strip Production (QSP)" und "Quality Strip Production Endless (QSP-E)" (Abb. 8).

QSP: 1–2 Stränge verbunden mit Walzwerk durch lange Tunnelöfen (Aufheizen, Temperaturausgleich, Pufferzeit bei planmäßigen Stillständen z. B. Walzenwechsel oder ungeplanten Materialflussunterbrechungen). Durch steigende Massenflüsse (höhere Gießgeschwindigkeiten neuester Ultra-High-Speed-Dünnbrammengießer) und zuverlässige Induktionsheizung statt Tunnelöfen: QSP-E Konfiguration – extrem kompakte Anlagen für Ultradünnformate. Endloses Walzen (direkte, ununterbrochene Gieß-Walz-Verbindung) löst bekanntes Einfädelproblem bei dünnen Formaten im Coil-to-Coil-Betrieb.

QSP: 2 Stränge → drastisch erweitertes Sortimentspektrum, Produktivität >3 Mio. t/a. Initial Coil-to-Coil, dann Semi-Endlos für <1 mm. QSP-E: Optimierung Ultradünnformate im Endlosmodus, aber geringe Flexibilität bei anspruchsvolleren Sorten (starre Gieß-Walz-Kopplung).

Endlosbetrieb erzwingt sehr hohe Gießgeschwindigkeiten – nicht für alle Sorten metallurgisch möglich. Endlos wirtschaftlich nur für <1,5 mm; bei dickeren Bändern wird Induktionsofen-Leistung zu hoch → Rückkehr zu Coil-to-Coil ökonomisch nötig.

Neueste Entwicklung: Danieli Universal Endless (DUE). Vereint Vorteile aller Ansätze, eliminiert Limitierungen.

DUE-Merkmale:

• Hohe Produktivität durch beispiellose Brammendicke-Geschwindigkeits-Kombination
• Hohe Produktionsflexibilität: Coil-to-Coil, Semi-Endlos, Endlos
• Hohe Betriebsflexibilität: Tunnelofen + Pufferzeit
• Volles Stahlsortenspektrum Flachprodukte: Thermo-mechanisches Walzen (API Rohrleitungen), temperaturkontrolliertes Walzen (Mehrphasen), moderate Gießgeschwindigkeiten (periektisch, Elektroband, hochkohlenstoffhaltig, rissempfindlich)
• Volles geometrisches Spektrum: 0,8 mm Ultradünn (Endlos) bis 25 mm dicke Bänder
• Unschlagbare Umwandlungskosten, niedriger als jedes andere verfügbare Verfahren

CONROLL-Technologie

CONROLL: 70–80 mm Brammendicke durch geradwandige Kokille (parallele Seiten), keine Strangdickenreduktion. Hohe Gießgeschwindigkeiten 2–4 m/min, Breiten 800–1.600 mm. Gießer verbunden mit Walzwerk über Walzenherd-Aufheizofen (Temperaturausgleich 1.120 °C). Walzwerk: 4–6 Endgerüste (produktabhängig). Hydraulische Schere, Hochdruckentschupper, Laminarbandkühlung, Abwickler. Endbanddicke 1,8–20 mm.

CONROLL April 1995 bei Armco Mansfield installiert. Speziell für Edelstahl konzipiert. Sorten: C-Stahl, Edelstahl 400er Serie (409, 430), wenig HSLA, hochlegiert, Elektroband.

TSP-Technologie

Tippins Inc. (USA) + Samsung Heavy Industries (Südkorea). Geeignet: Niedrig- bis hochkohlenstoffhaltig, Edelstahl, HSLA, Elektroband, API, Ziehqualität. Stärke: Vielseitigkeit – Coil oder Einzelbleche, breites Breiten-/Dicken-Spektrum. Mittlere Brammendicke: Vorteile – dünn genug für Wegfall separatem Vorwalzwerk, dick genug für gute Qualität. Größere Brammenbreite, kürzere Aufheizzeit, weniger Zunderbildung ggü. 50 mm Dünnbrammen.

Nach Guss: Direkt in Aufheizofen → Temperatureinstellung. Typische Haltezeit für 1.250 °C: 12–13 min. Nach Reduktion auf 20–25 mm: Coilofen zur Temperatureinhaltung. Band hin- und her durch Walzwerk (Reversierbetrieb). Typisch: 3 flache Vorwalzpässe + 6 Wickelendpässe für 1,5 mm Enddicke.