AT412454B - Verfahren und vorrichtung zur temperaturführung einer schmelze in einer gekühlten stranggiesskokille - Google Patents

Description

   <Desc/Clms Page number 1> 
 



   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturführung einer Schmelze, vorzugsweise einer Stahlschmelze, in einer gekühlten Stranggiesskokille, wobei der Schmelze Wärme durch die gekühl- ten Kokillenwände kontinuierlich entzogen und der Wärmeinhalt der Schmelze zusätzlich an meh- reren über den Kokillenquerschnitt verteilten Stellen beeinflusst wird, wobei der Wärmeinhalt der Schmelze durch Wärmetausch mit einem ein Wärmetauscherelement durchströmendes Kühlmittel verringert wird. Die Erfindung betrifft weiters eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. 



   Beim kontinuierlichen Stranggiessen von Metallen und Metalllegierungen, wie Stahl ist es not- wendig die Schmelze im Verteiler auf eine Überhitzungstemperatur einzustellen, die für die meisten Stahlsorten etwa 15  bis 30  über der Liquidustemperatur liegt. Bei einer sehr niedrigen Überhit- zungstemperatur kommt es beim Überleiten der Schmelze vom Verteiler in die Stranggiesskokille leicht zum Einfrieren (örtlich begrenzten Erstarrungen) der Verteilerausgüsse (Tauchgiessrohre). 



  Andererseits besteht bei einer hohen Überhitzungstemperatur die Gefahr, dass die in der Kokille gebildete Strangschale unterhalb der Kokille wieder aufschmilzt und durchbricht. Ausserdem treten durch den verzögerten Erstarrungsprozess Mittenseigerungen und Innenrisse vermehrt auf. 



   Der Erstarrungsprozess wird in der Stranggiesskokille durch einen Primärkühlkreislauf eines Kühlmittels in den den Formhohlraum der Kokille bildenden Kokillenwänden eingeleitet. Durch die von den Kokillenwänden ausgehende zum Strangzentrum entgegengesetzt zur Wärmetransport- richtung fortschreitende Erstarrungsfront muss der gesamte Wärmeinhalt des Gussstranges nach aussen abgeführt werden. Der teildurcherstarrte Gussstrang wird nach dem Austritt aus der Strang- giesskokille in der Sekundärkühlzone der Stranggiessanlage bis zu seiner Durcherstarrung einer weiteren intensiven Aussenkühlung unterzogen. 



   Die für den Erstarrungvorgang benötigte Zeit nimmt mit zunehmender Strangdicke zu. Bei di- cken Brammen und grossformatigen Vorblockquerschnitten erstreckt sich die Sumpfspitze bis in den horizontalen Auslaufbereich einer Stranggiessanlage. Demnach ist eine intensiv gekühlte Transportstrecke bis zu 10 m Länge durchaus üblich. Die lange Durcherstarrungszeit und die notwendige Überhitzung der Schmelze bedingt nach einer ersten Strangschalenbildung eine Zone mit gerichteter dentritischer Erstarrung, die immer dann auftritt, wenn sich vor der Erstarrungsfront ein Temperaturgradient aufbaut. Bei hoher Überhitzungstemperatur wachsen die Stängelkristalle über weite Bereiche des Brammen- und Vorblockquerschnittes in Richtung zum Strangzentrum und verursachen gerichtetes Korn und vermehrte Zentrumsseigerungen.

   Besonders markant wirkt sich eine hohe Überhitzung der Schmelze bei Metallen aus, die keine Gefügeumwandlungen durchmachen, wie dies beispielsweise bei verschiedenen Stahlsorten, etwa ferritischen Stahl oder Siliziumstahl der Fall ist. 



   Zur grundlegenden Beeinflussung des Dendritenwachstums und zur Vermeidung von Zent- rumsseigerungen in der Schmelze ist es bekannt, sowohl in der Kokille, als auch an einzelnen Bereichen in der Strangführung, beispielsweise der Sumpfspitze, mit elektromagnetischen Rührein- richtungen eine erzwungene Schmelzenströmung einzustellen und solcherart das Temperaturgefälle in der Restschmelze zu reduzieren und ausgeprägte Zentrumsseigerungen zu vermeiden. Durch die Rührbewegung der Schmelze werden Dendritenspitzen abgerissen, die in der Restschmelze als zusätzliche Erstarrungskeime wirken. Grundsätzlich soll durch die Rührbewegung ein feineres globulitisches Gefüge mit guten mechanischen Eigenschaften erzielt werden.

   Besonders bei Stählen mit einem hohen Anteil an zu Seigerungen neigenden Elementen, wie Kohlenstoff und Mangan werden Kokillen- und Strangrührer zum Überhitzungsabbau eingesetzt. Dies ändert jedoch nichts daran, dass die Überhitzungswärme durch die Strangschale nach aussen abgeführt werden muss. 



   Zur gesteuerten oder geregelten Reduktion der Überhitzungstemperatur der Schmelze in einer Stranggiesskokille ist es aus der US-A 3,831,660 und der US-A 3,726,331 beispielsweise bereits bekannt, einen Metalldraht in die Kokille kontrolliert einzuspulen. Damit kann das Strangschalen- wachstum in der Kokille verstärkt werden, da der Draht Keime für eine globulare Erstarrung liefert. 



  Um die Schmelzentemperatur entsprechend abzusenken, ist jedoch sehr viel Kühldraht einzuspu- len. Es muss hierbei gesichert werden, dass der eingespulte Draht zur Gänze aufschmilzt und eine weitgehende Verteilung erfolgt, um nicht Gefügestörungen zusätzlich zu erzeugen. Dies erfordert jedoch aufwendige Einspuleinrichtungen. Auch bei dieser Lösung muss im Wesentlichen der gesamte Wärmeinhalt des gegossenen Stranges über seine Aussenwände abgeführt werden. 



   Weiters ist die Möglichkeit bekannt, Metall in granulierter Form in die Stranggiesskokille von 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 oben einzubringen und dadurch die Schmelzentemperatur in der Kokille abzusenken. Die zuvor bezüglich des Einspulens von Draht angegebenen Nachteile, stellen sich hier gleichermassen ein. 



  Zusätzlich muss verhindert werden, dass die Granulate auf der das Schmelzenbad bedeckenden Schlacke aufschwimmen. 



   Zur Abfuhr von Überhitzungswärme aus der Metallschmelze ist es aus der WO 00/54909 A1 bekannt, bei der Überleitung der Schmelze vom Verteilergefäss in die Kokille, somit noch im Be- reich des Giessrohres, eine Kühleinrichtung vorzusehen. Diese von Kühlwasser durchströmte Kühleinrichtung tritt im Schmelzenkanal direkt mit der Schmelze in Kontakt, scheint jedoch für einen kontinuierlichen Einsatz nicht geeignet, da einerseits die Gefahr einer Beschädigung der Kühleinrichtung zu gross scheint und andererseits die Zielsetzung, nämlich eine Schmelzenüberhit- zung vorzusehen, damit im Giessrohr keine Verstopfungen auftreten, nicht erfüllt wird, wenn die Temperatur bereits vor dem Giessrohr wieder abgesenkt wird. 



   Aus der DE 751 073 und insbesondere der FR-A 2 526 340 ist es bereits bekannt, von Kühlmit- tel durchflossene Kïhlelemente eingangsseitig in die Stranggiesskokille einzubringen und der Schmelze dadurch zusätzlich zur Primärkühlung durch die Kokillenwand Wärme zu entziehen. An den Kühlelementen lagert sich erstarrte Schmelze an, die in Abhängigkeit von der Kühlwirkung wachsen oder schrumpfen. In unbestimmten Zeitabständen lösen sich Erstarrungsstücke von den Kühlelementen und werden nach unten in den Strang eingetragen, schmelzen teilweise nicht zur Gänze auf und bilden Gefügeanomalien im gegossenen Strang, die zu Einschränkungen der Produktqualität führen. 



   Aufgabe der Erfindung ist es daher diese Nachteile des beschriebenen Standes der Technik zu vermeiden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperaturführung der Schmelze in der Stranggiesskokille vorzuschlagen, wodurch bereits in der Stranggiesskokille Bedingungen für eine in weiten Bereichen ungerichtete Erstarrungsstruktur geschaffen werden. Ziel der Erfindung ist es daher, innerhalb der Stranggiesskokille, in der Metallschmelze das Entstehen von Kristallisations- keime für eine bevorzugt globulitische Erstarrung der Schmelze in einer bevorzugten Verteilung zu ermöglichen. 



   Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die durch die Giessstrangoberfläche abzuführende Wär- memenge insgesamt zu reduzieren, ohne die Überhitzungstemperatur vor dem Einbringen der Schmelze in die Kokille zu reduzieren. 



   Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass an Stellen, an denen der Wärmein- halt der Schmelze beeinflusst wird, in die Schmelze ragende Erstarrungszungen ausgebildet werden, die mit den an den Kokillenwänden gebildeten Strangschalen zusammenwachsen, bei der Ausförderung des teilerstarrten Stranges wieder aufschmelzen und die Temperatur der Schmelze absenken. Durch eine Veränderung der die einzelnen Wärmetauscherelemente durchströmenden Kühlmittelmenge kann das Wachstum der Erstarrungszungen dahingehend beeinflusst werden, dass sich diese Erstarrungszungen je nach Kühlintensität allmählich auf- oder abbauen. 



   Das Kühlelement besteht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Cu oder eine Cu-Legierung. 



   Eine gezielte absenkende Temperaturbeeinflussung bei gleichzeitiger Reduzierung des Wärmeinhalts der Schmelze an mehreren Stellen dieses Kokillenquerschnittes in einer vorgegebe- ner Verteilung schafft Zellen für die Erstarrungskeimbildung an vorbestimmten Orten in gewünsch- ter Menge. 



   Zweckmässig wird der Wärmeinhalt der in die Stranggiesskokille eingebrachten Schmelze ent- lang der den Kokillenquerschnitt begrenzenden Kokillenwände abschnittsweise beeinflusst. Der wesentliche Vorteil dieser Massnahme besteht in einer gezielten Temperaturabsenkung, Reduzie- rung des Wärmeinhaltes der Schmelze und damit zusätzlichen Kristallisationskeimbildung knapp vor der Erstarrungsfront, die durch die Primärkühlung in der Stranggiesskokille gebildet wird. Durch die Konzentration auf bestimmte Abschnitte entlang und im Abstand von den Formhohlraum be- grenzenden Kokillenwänden wird der Wachstumsprozess der Strangschale an systemkritischen Stellen besonders gefördert. 



   Bei einer Stranggiesskokille mit Kreisquerschnitt wird der Wärmeinhalt der Schmelze in analo- ger Weise entlang der einzigen den Kokillenquerschnitt begrenzenden Kokillenwand an mehreren vorzugsweise radialsymmetrisch verteilten Stellen beeinflusst. 



   Bei üblichen, rechteckigen Brammenquerschnitten oder bei Vorblockquerschnitten mit annä- 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 hernd quadratischem Querschnitt wird der Wärmeinhalt der Schmelze an mehreren Stellen entlang mindestens zweier den Kokillenquerschnitt begrenzenden Kokillenwänden beeinflusst. 



   Speziell bei einem rechteckigen Brammenquerschnitt ist es vorteilhaft, wenn der Wärmeinhalt der Schmelze entlang von zwei einander gegenüber liegenden Kokillenwänden beeinflusst wird. 



  Durch die Reduktion des Wärmeinhalts der Schmelze wird an den Breitseitenwänden der Kokille ein gleichmässiges und verstärktes Schalenwachstum im gegossenen Strang gefördert und der Durcherstarrungsprozess beschleunigt. An den Schmalseitenwänden der Kokille, die selten eine Breite von 300 mm übersteigen, ist eine zusätzliche Beeinflussung des Wärmeinhaltes der Schmelze, insbesondere bei Gussstrangdicken bis 200 mm nicht notwendig. Bei grossen Vorblock- querschnitten mit annähernd quadratischem Querschnitt ist eine Beeinflussung des Wärmeinhaltes entlang aller Kokillenwände zweckmässig. 



   Vorteilhaft wird der Wärmeinhalt der Schmelze in einem Bereich zwischen der Badoberfläche (Giessspiegel) und einer Badtiefe von bis zu 400 mm, vorzugsweise von bis zu 250 mm, beein- flusst. Über diesen vorgegebenen Tiefenbereich wird der Schmelze Wärme im vorbestimmten oder während des Giessprozesses ermittelten Ausmass entzogen. Beim Giessen von Stahlsträngen mit Brammen- und Vorblockquerschnitt werden üblicherweise Kokillen mit einer Länge von 900 bis 1200 mm eingesetzt, sodass etwa über ein Viertel der Kokillenlänge eine zusätzliche aktive Beein- flussung des Wärmeinhaltes der Schmelze ermöglicht wird. Die positiven Effekte der Kristallisati- onskeimbildung wirken sich allerdings nachhaltig während des gesamten Erstarrungsprozesses aus. 



   Vorzugsweise erfolgt die erfindungsgemässe Beeinflussung des Wärmeinhaltes dadurch, dass der Wärmeinhalt der Schmelze verringert wird. Insbesondere soll die Überhitzungswärme der Schmelze verringert werden, wobei die Schmelze in diesem Einwirkbereich möglichst gleichmässig bis nahe an die Liquidustemperatur abgekühlt werden soll. Auch eine Unterkühlung der Schmelze liegt im Zielbereich der Erfindung, da unter diesen Bedingungen die Kristallisationskeimbildung besonders rasch erfolgt. 



   Eine zweckmässige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der Wärmeinhalt der Schmelze in Abhängigkeit von der durchströmenden Kühlmittelmenge geregelt oder gesteuert wird. 



  Beispielsweise kommt es während des Vergiessens einer Schmelzencharge über die Giesszeit zu einer allmählichen Temperaturabsenkung, die einige wenige Grad beträgt. Gleichermassen kann es beim Sequenzgiessen zu Temperatursprüngen kommen, die durch den Wechsel der Giesspfannen bedingt sind. Auf derartige Veränderungen kann durch eine gesteuerte oder geregelte Kühlmittel- menge Einfluss genommen und die Erstarrungsbedingungen in der Kokille konstant gehalten werden. 



   Alternativ oder ergänzend hierzu besteht die Möglichkeit, dass der Wärmeinhalt der Schmelze in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe des Wärmetauscherelementes geregelt oder gesteuert wird. 



   Für derartige giessverfahrensbedingte und schmelzentemperaturabhängige Einflüsse wird vor- geschlagen, dass zur geregelten oder gesteuerten Beeinflussung des Wärmeinhaltes der Schmel- ze zumindest die Zulauftemperatur der Schmelze und die Kühlmittel-Zulauftemperatur vorgegeben oder zumindest einmalig gemessen einem Regler oder einer Recheneinheit zugeführt werden, vom Regler oder einer Recheneinheit auf der Grundlage eines mathematischen Kühlmodells die für eine optimale Gefügestrukturausbildung notwendige Kühlmittelmenge und/oder Eintauchtiefe des Wärmetauscherelementes ermittelt und diese giessverlaufsabhängig geregelt oder gesteuert wird. 



   Zur Lösung der erfindungsgemässen Aufgabe wird weiters eine Vorrichtung zur Temperaturfüh- rung einer Schmelze, vorzugsweise einer Stahlschmelze, in einer Stranggiesskokille mit gekühlten Kokillenwänden vorgeschlagen, wobei die Kokillenwände einen Formhohlraum für die Aufnahme der Schmelze und die Bildung eines Giessstranges formen, wobei an mehreren über einen Kokil- lenquerschnitt verteilten Stellen in die Schmelze eintauchende Wärmetauscherelemente angeord- net sind, die Wärmetauscherelemente als Kühlelemente ausgebildet sind und mindestens einen Kühlkanal für die Durchleitung eines Kühlmediums aufweisen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wärmetauscherelemente in ihrer Längserstreckung eine keilförmige Aussenkontur aufweisen. 



   Durch diese Ausgestaltung wird den an den Wärmetauscherelementen gebildeten und mit der Strangschale zusammengewachsenen Erstarrungszungen ein leichtes Loslösen vom Wärmetau- scherelement und eine mit der Ausförderbewegung des Metallstranges synchrone Bewegung ohne 

 <Desc/Clms Page number 4> 

 Rissbildungen ermöglicht. 



   Zweckmässig sind die Wärmetauscherelemente entlang der den Kokillenquerschnitt begren- zenden Kokillenwände abschnittsweise angeordnet. Zumeist muss in Bereichen, in denen die Schmelze durch ein Tauchgiessrohr unterhalb des Badspiegels in die Kokille eingebracht wird, aus Platzgründen ein grösserer Abstand zwischen benachbarten Wärmetauscherelementen vorgesehen werden. Auch in den Kantenbereichen der Kokille wird auf die Anordnung von Wärmetauscherele- menten verzichtet, da hier bereits ein verstärktes Schalenwachstum durch die Winkellage der anwachsenden Erstarrungsfronten gegeben ist. 



   Die Wärmetauscherelemente sind an mehreren Stellen entlang mindestens zweier den Kokil- lenquerschnitt begrenzenden Kokillenwände angeordnet, wobei diese Wärmetauscherelemente zur Einhaltung einer symmetrischen Strangbildung und im Hinblick auf die Strangverformung im Strangführungsgerüst bevorzugt an zwei einander gegenüberliegenden Kokillenwänden angeord- net sind. Zweckmässig sind dies die Breitseitenwände der Kokille, die die Breitseiten des gegosse- nen Stranges ausbilden, im   Ro!!engerüst   der Strangführung abgestützt und einer besonderen mechanischen Belastung ausgesetzt sind. 



   Zur Ausbildung einer weitgehend gleichmässigen Erstarrungsfront, insbesondere an den Breit- seiten der Kokille, sind die entlang einer Kokillenwand angeordneten Wärmetauscherelemente zumindest abschnittsweise in einer Reihe mit konstantem Abstand voneinander angeordnet. Bei parallel zueinander angeordneten Reihen von Wärmetauscherelementen sind diese Reihen um den halben Abstand der Wärmetauscherelemente versetzt angeordnet. 



   Zweckmässig sind die Wärmetauscherelemente eingangsseitig in den Formhohlraum der Stranggiesskokille ragend angeordnet und tauchen bis zu 400 mm, vorzugsweise bis zu 250 mm, in die Schmelze ein. Damit wird über einen Teilbereich der Kokillenhöhe eine thermische Beeinflus- sung der in der Schmelze gezielt vorgenommen. 



   Die Wärmetauscherelemente sind gegebenenfalls an einem gemeinsamen Hubrahmen befes- tigt, der eine leichte Demontierbarkeit oder auch eine Relativbewegung zur Kokille ermöglicht, mit der die Eintauchtiefe des Wärmetauscherelementes gezielt einstellbar ist. 



   Um die Temperaturverhältnisse in einem ausreichenden Bereich vor der Erstarrungsfront be- einflussen zu können, sind die Wärmetauscherelemente im Querschnitt annähernd linsenförmig ausgebildet und mit ihrer linsenförmigen Längserstreckung normal zur Kokillenwand orientiert. Die im Wesentlichen flach ausgebildeten Wärmetauscherelemente ragen somit weit in das Kokillenin- nere vor und beeinflussen in einem breiten Band vor der Erstarrungsfront die Temperaturverhält- nisse in der Schmelze. Um die Ausbildung einer gleichmässigen Erstarrungsfront durch die Primär- kühlung der Kokille nicht zu stören, ist zwischen Kokillenwand und Wärmetauscherelement ein Abstand von mindestens 10 mm eingestellt. 



   Die Wärmetauscherelemente sind auf der Stranggiesskokille abgestützt, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Versorgungskonsole, und oszillieren mit dieser synchron. 



   Die Wärmetauscherelemente können jedoch auch über Versorgungskonsolen auf der Strang- giesskokille abgestützt sein und die Versorgungskonsolen mit einer Hubeinrichtung relativ zur Stranggiesskokille heb- und senkbar abgestützt sein. Damit können unterschiedliche Eintauchtiefen der Wärmetauscherelemente in der Schmelze eingestellt werden, wodurch die aktive Wärmetau- scheroberfläche der Wärmetauscherelemente einzeln oder gruppenweise steuer- bzw. regelbar ist. 



   Die Wärmetauscherelemente können nach einer weiteren Ausführungsform auch an mit der Stranggiesskokille nicht mitoszillierenden Versorgungskonsolen abgestützt sein. Die Versorgungs- konsolen sind in diesem Fall an einem starren Traggerüst befestigt. Trotzdem besteht die Möglich- keit, dass die Eintauchtiefe einzelnen Wärmetauscherelemente oder Gruppen von Wärmetau- scherelementen in die Metallschmelze im Formhohlraum der Stranggiesskokille steuer- oder regel- bar ist, wenn die einzelnen Versorgungskonsolen mittels Hubelementen relativbeweglich zum starren Traggerüst angeordnet sind. 



   Die Wärmetauscherelemente sind mit Zuleitungen und Ableitungen für das Kühlmittel verbun- den, wobei der Zuleitung oder der Ableitung eine Mengenreguliereinrichtung für eine gesteuerte oder geregelte Durchleitung des Kühlmittels zugeordnet ist. Es können auch mehrere Wärmetau- scherelemente mit einer Mengenreguliereinrichtung gekoppelt sein, wenn für Gruppen von Wärme- tauscherelementen eine individuelle Kühlmittelversorgung nicht notwendig ist. 



   Zur Sicherstellung einer vom Giessprozess abhängigen Kühlmittelversorgung der Wärmetau- 

 <Desc/Clms Page number 5> 

 scherelemente ist den Wärmetauscherelementen ein Regler oder eine Recheneinheit zugeordnet ist, dem/der zumindest die vorgegebene, vorzugsweise von einer Temperaturmesseinrichtung im Verteilergefäss gemessene, Zulauftemperatur der der Stranggiesskokille zugeführten Schmelze und zumindest eine Kühlmittelkenngrösse, vorzugsweise die von einer Temperaturmesseinrichtung ermittelte Kühlmittel-Zulauftemperatur, aufgeschalten ist und der/die auf der Grundlage eines mathematischen Kühlmodelles den für eine optimale Gefügestrukturausbildung notwendige Kühl- mittelmenge ermittelt und über ein Steuersignal die Mengenreguliereinrichtung und/oder eine Hubeinrichtung für die Wärmetauscherelemente steuert/regelt. 



   Eine Einbindung dieses Kühlmodelles in ein bestehendes Kühlmodell für die Stranggiesskokille oder eine Ergänzung unter Einbeziehung des Primärkühlkreislaufes in der Stranggiesskokille ist mit zumindest einer zusätzlichen Kühlmittel-Temperaturmessung im Primärkühlkreislauf durchführbar. 



  Auch eine Kopplung mit einem Strangkühlmodell, wie es für die Sekundärkühlung in der Strangfüh- rung einer Stranggiessanlage üblicherweise vorgesehen ist, ist möglich. 



   Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen- den Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele, wobei auf die beiliegenden Figu- ren Bezug genommen wird, die folgendes zeigen: 
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Brammenkokille mit einer möglichen Anordnung der erfin- dungsgemässen Wärmetauscherelemente, 
Fig. 2 eine analoge Anordnung der Wärmetauserelemente für einen grossformatigen Vor- blockquerschnitt, 
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Brammenkokille im Bereich eines Wärmetauscherele- mentes, 
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Brammenkokille mit einer symmetrischen Abfolge der 
Wärmetauscherelemente, 
Fig. 5 ein Wärmetauscherelement im Aufriss, 
Fig. 6 das Wärmetauscherelement gemäss Fig. 5 im Schrägriss, 
Fig. 7 Steuer- bzw.

   Regelschema für das Wärmetauscherelement, 
Fig. 8 Diagramm, welches den Temperaturverlauf im Brammenzentrum mit und ohne Einsatz der erfindungsgemässen Wärmetauscherelemente zeigt. 



   In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung eine Stranggiesskokille 1 für die Herstellung eines Gussstranges mit Brammenquerschnitt dargestellt. Die Stranggiesskokille besteht aus Breitseiten- wände bildenden Kokillenwänden 2,3, die sich an Stützwänden 4,5 abstützen. Zwischen den Breitseitenwänden sind verstellbare Schmalseitenwände bildende Kokillenwände 6, 7 angeordnet, die sich an Stützwänden 8,9 abstützen. Zwischen den Kokillenwänden 2, 3, 6,7 und den zugehö- rigen Stützwänden 4,5, 8,9 sind nicht dargestellte Kühlmittelkanäle angeordnet, durch die Kühl- mittel, vorzugsweise Kühlwasser, in vorbestimmter Menge gepumpt wird. Dieses Primärkühlsystem ermöglicht die Wärmeabfuhr aus der Schmelze durch die Kokillenwände und den Aufbau einer umlaufenden und in Strangförderrichtung stetig anwachsenden Strangschale 10 (siehe Fig. 3) an den Kokillenwänden.

   Die Kokillenwände bilden den Formhohlraum 11 der Stranggiesskokille. 



  Schmelze wird von einem nicht dargestellten Zwischengefäss, welches oberhalb der Stranggiessko- kille positioniert ist durch ein zentrisch in den Formhohlraum ragendes Giessrohr 12 in die Strang- giesskokille 1 eingebracht. Bei laufendem Giessprozess ist die Stranggiesskokille bis zu einer be- stimmten Füllhöhe mit Schmelze gefüllt, wobei die Badoberfläche 13 (siehe Fig. 3) den Giessspie- gel bildet und auf diesem Höhenniveau einen Kokillenquerschnitt 14 ausbildet. 



   Einzelne Wärmetauscherelemente 15 sind über Halterungen 16 auf der Stranggiesskokille 1 be- festigt. Vier Wärmetauscherelemente 15a sind in symmetrischer Verteilung um das Giessrohr 12 angeordnet, weitere Wärmetauscherelemente 15 sind parallel zu den die Breitseitenwände bilden- den Kokillenwänden 2,3 in zwei Reihen und im Abstand voneinander positioniert. Die beiden Reihen von Wärmetauscherelementen 15 sind versetzt positioniert. Den die Schmalseitenwände bildenden Kokillenwänden 6,7 sind keine Wärmetauscherelemente zugeordnet, da ausgehend von den Kantenbereichen der Kokille bereits ein verstärktes Strangschalenwachstum stattfindet. 



   Fig. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Stranggiesskokille 1 für die Herstellung eines Stahlstranges mit annähernd quadratischem Querschnitt. Der strukturelle Aufbau dieser Stranggiesskokille mit Kokillenwänden 2, 3, 6, 7 und zugeordneten Stützwänden 4, 5, 8, 9 entspricht dem der Brammenkokille nach Fig. 

Claims (24)

1. Parallel zu jeder der vier Kokillenwände sind je zwei Wärme- <Desc/Clms Page number 6> tauscherelemente 15 über Halterungen 16 auf der Stranggiesskokille 1 befestigt. Mehrere Halterun- gen 16 enden auf einer gemeinsamen Versorgungskonsole 17 mit Zuleitungen 18 und Ableitungen 19 für ein Kühlmittel. In der Versorgungskonsole 17 und den Halterungen 15 sind nicht dargestellte Versorgungsleitungen oder -kanäle vorgesehen, durch die das Kühlmittel zu den einzelnen Wär- metauscherelementen 15 geleitet bzw. wieder abgeleitet wird. In Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch eine Stranggiesskokille 1 schematisch dargestellt, der direkt neben einem Wärmetauscherelement 15 geführt ist, wobei die Stranggiesskokille durch die Kokil- lenwände 2,3 veranschaulicht ist. Der Formhohlraum 11der Stranggiesskokille ist bis zur Badober- fläche 13 mit Schmelze gefüllt. Durch die Primärkühlung der Kokillenwände bildet sich an diesen eine allmählich anwachsende Strangschale 10 aus. Der gegossene Metallstrang 20 mit noch flüssigem Kern21 wird in Pfeilrichtung kontinuierlich aus der Stranggiesskokille 1 ausgefördert und anschliessend in einer nicht dargestellten Strangführung durch Strangführungsrollen gestützt wei- terbewegt. In die Schmelze tauchen von oben an Halterungen 16. Zuleitungen 18 und Ableitungen 19 für das Kühlmittel angeschlossene Wärmetauscherelemente 15 bis zu einer Badtiefe von vorzugswei- se 150 bis 200 mm ein. An den innengekühlten Wänden 23 der Wärmetauscherelemente 15 er- starrt Schmelze (hier nicht dargestellt) und bildet ebenfalls Strangschalen aus, die als Erstarrungs- zungen 24 von den Wärmetauscherelementen 15 nach unten ragen und mit der an der Kokillen- wand 3 gebildeten Strangschale 10 zu einer Einheit zusammengewachsen sind. Bei der Abwärts- bewegung dieser Erstarrungszungen 24 werden diese von der umgebenden heisseren Schmelze wieder aufgeschmolzen, bilden Erstarrungskeime in grösser Zahl und fördern eine globulitische Erstarrung in Bereichen, in denen ansonsten üblicherweise dendritisches Kornwachstum auftritt. Die Wärmetauscherelemente 15 sind mit ausreichenden Abstand 25 zu den Kokillenwänden 3 angeordnet, um das Strangschalenwachstum infolge der Primärkühlung nicht zu behindern. Bei einem zu frühen Zusammenwachsen von Strangschale und Erstarrungszungen besteht die Gefahr, dass die Strangschale zwischen den beiden Bauteilen hängen bleibt und dann abreisst. In Fig. 4 ist in einem Querschnitt durch eine Brammenkokille mit mehreren Wärmetauscher- elemente eine gleichverteilte Anordnung der Wärmetauscherelemente in zwei Reihen entlang zweier gegenüberliegender Kokillenwände 2, 3 veranschaulicht. Die Wärmetauscherelemente 15 der beiden Reihen sind um deren halben Abstand a voneinander versetzt angeordnet und begüns- tigt den Wärmeaustausch und die Strömungsverhältnisse in der Schmelze. Diese seitliche Abstand a benachbarter Wärmetauscherelemente liegt vorzugsweise zwischen 150 und 200 mm. Im Querschnitt sind die Wärmetauscherelemente 15 trapezförmig ausgebildet. Auch eine lin- senförmige, ovale oder elliptische Querschnittsform ist im Sinne der Erfindung als gleichwertig anzusehen. Der Querschnitt weist eine ausgeprägte Längserstreckung auf, die im Wesentlichen normal zur Kokillenwand 2,3 orientiert ist. Durch diese Formgebung werden in einem weiten Bereich des Kokillenquerschnittes die Temperaturverhältnisse in der Schmelze gleichmässig beein- flusst. In den Figuren 5 und 6 ist ein erfindungsgemässes Wärmetauscherelement 15 in zwei Ansich- ten dargestellt. Das Wärmetauscherelement ist im Wesentlichen zahn- oder keilförmig ausgebildet und wird nach unten zu schmäler, damit sich eine an der Aussenwand 23 bildende Erstarrungszun- ge in Transportrichtung des zu giessenden Stranges leicht löst. Der Querschnitt ist linsenförmig. Ausgehend von einer Stirnseitenfläche 30 ist das Wärmetauscherelement von Kühlmittelkanäle 31, 32 durchsetzt, die einen durchgehenden Strömungskanal bilden und einen Kühlmittelkreislauf ermöglichen. Mit den Stirnseitenfläche 30 schliesst das Wärmetauscherelement an die zuvor bereits beschriebene Halterung an, die über korrespondierende Kühlmittelkanäle verfügt. Alternativ be- steht auch die Möglichkeit, dass die Halterung den schaftförmigen Kopfteil 33 des Wärmetausere- lementes umspannt und Zuleitungen 18 und Ableitungen 19 für das Kühlmittel direkt an den Kühl- mittelkanälen 31,32 anschliessen. In Fig. 7 ist ein mögliches Regelschema zur Absenkung des Wärmeinhaltes der Schmelze in einer Stranggiesskokille 1 in Grundstrukturen dargestellt. Einer Recheneinheit 40 werden Basisda- ten 41 über die zu vergiessende Schmelze, insbesondere den Überhitzungsgrad, so er nicht ge- messen wird, und Basisdaten 42 über das zu vergiessende Produkt (z. B. Querschnittsformat) aufgegeben. Weiters werden an die Recheneinheit laufend oder in Zeitabständen von einer Tem- peraturmesseinrichtung 43 die im Verteilergefäss 44 gemessene aktuelle Zulauftemperatur der <Desc/Clms Page number 7> Schmelze, weiters die von einer Temperaturmesseinrichtung 45 laufend oder in Zeitabständen gemessenen aktuelle Zulauftemperatur im Primärkühlkreislauf 46 der Stranggiesskokille 1 und die von einer Temperaturmesseinrichtung 47 gemessene Zulauftemperatur im Kühlkreislauf der Wär- metauscherelemente 15 übermittelt. Von der Recheneinheit wird auf der Grundlage eines mathe- matischen Kühlmodelles, die für die optimale Gefügeausbildung notwendige Kühlmittelmenge bzw. Strömungsgeschwindigkeit im Kühlmittelkreislauf errechnet und mit entsprechenden Steuersigna- len eine Mengenreguliereinrichtung 48 im Kühlkreislauf der Wärmetauscherelemente geregelt. Dem mathematischen Kühlmodell liegen Kühl- und Erstarrungmodelle, vorzugsweise unter Einbe- ziehung metallurgischer Modelle entsprechend der Produktpalette zugrunde. Ein Modell zur Be- rücksichtigung des Primärkühlkreislaufes ist vorzugsweise eingebunden, da sich die Wirkung aus den beiden Kühlkreisläufen überlagern und deren Wechselwirkung berücksichtigt werden muss. Dementsprechend ist zur Beeinflussung des Primärkühlkreislaufes auch eine Signalleitung vom Rechner zum Regler der Kühlmittelpumpe 49 des Primärkühlkreislaufes vorgesehen. Alternativ oder in Ergänzung ist es möglich, die abzuführende Wärmemenge auch in Abhän- gigkeit von der Eintauchtiefe des Wärmetauscherelementes zu regeln. Die auf einer Versorgungs- konsole 17 befestigten Wärmetauscherelemente werden entsprechend einem Steuersignal an eine beispielsweise elektrohydraulisch oder elektromechanisch betätigbare Hubeinrichtung 50 in die optimale Betriebsposition gebracht. Schnittstellendaten des die Stranggiesskokille verlassenden Gussstranges werden zweckmässig an das Kühlmodell des Sekundärkühlkreislaufes der Strangführung übergeben. Für die Herstellung eines Stahlstranges mit einem Brammenquerschnitt von 1600 mm Breite (B) und 200 mm Dicke (D) soll bei einer Giessgeschwindigkeit von vg = 1,2 m/min eine Reduktion der Überhitzungstemperatur im der Stranggiesskokille von 20 C erreicht werden. Bei einer Wärme- kapazität des Stahles cp = 700 J/kg K und einer Dichte des Stahles p = 7040 kg/m3 ergibt sich daraus eine abzuführende spezifische Wärmeleistung P = 630,8 KW. Dieser Wert entspricht ca. 15 % der gesamten Wärmeleistung der Kokille. Daraus ist bereits ersichtlich, dass ein Überhit- zungsabbau in dieser gewünschten Grössenordnung, nur sehr schwer bis gar nicht in den der Kokille vorgeschaltenen Aggregaten (insbesondere einem Giessrohr) zu realisieren wäre. Ein wirkungsvoller Überhitzungsabbau kann erst in der Kokille selbst erfolgen und hier auch nur, wenn der Stahl zuerst teilweise erstarrt und dann wieder teilweise aufgeschmolzen wird, wie dies mit den beschriebenen Erstarrungszungen realisiert ist. Um die zuvor ermittelte abzuführende Wärmeleistung auch tatsächlich abführen zu können, sind bei Annahme einer Kontaktfläche mit der Schmelze für ein Wärmetauscherelement (Breite 70 mm, Länge 200 mm = > Kontaktfläche daher 0,028 m2) und einer Wärmestromdichte im oberen Kokillenbereich von 2,0 MW/m2 insgesamt 12 Wärmetauscherelemente anzuordnen. Fig. 1 zeigt diese Anordnung von 12 Wärmetauscherelementen in der Kokille, wobei die Dicke d des Wärme- tauscherelementes an der dicksten Stelle 25 mm und der Durchmesser der Kühlbohrung 12 mm beträgt. Bei üblichen Annahmen für das Kühlwasser ergibt sich ein Kühlwasserbedarf von ca 54 I/min für jedes Wärmetauscherelement. Anhand von Rechenmodellen wurde der Temperaturverlauf im Brammenzentrum mit und ohne Wärmetauserelemente entsprechend den oben zitierten Annahmen ermittelt. Dieser Vergleich ist in Fig. 8 als Temperaturverlauf über der Giesszeit bzw. Verweilzeit des Gussstranges in der Strang- giessanlage dargestellt. Es ist klar erkennbar, dass in einem ersten Zeitabschnitt eine sehr schnelle und starke Reduzierung der Überhitzungstemperatur der Schmelze gegenüber einem konventionellen Giessverfahren ohne Wärmetauscherelemente auftritt. Auch die Durcherstarrung des Stranges (Erreichen der Solidustemperatur) erfolgt in der Strangführung der Giessanlage um etwa 1 m früher, d. h. stromaufwärts, als bei einem konventionellen Giessverfahren ohne Einsatz von Wärmetauscherelementen. Insgesamt bietet das erfindungsgemässe Verfahren folgende Vorteile: ¯ auf Kokillenrührer und Final- oder Sumpfspitzenrührer kann verzichet werden, ¯ das Verfahren hat auf die Gefügestruktur einen ähnlichen Effekt wie eine Soft Reducti- on, ¯ es entsteht ein wesentlich verbessertes ungerichtetes, globulares Kristallgefüge mit stark verringerten Seigerungen, ¯ es können Stahlgüten mit hohem C-Gehalt, wie Kugellagerstahl und Stahl für Reifen- <Desc/Clms Page number 8> draht vergiessbar gemacht werden, ¯ Anlageninvestitionen und der Betrieb der Stranggiessanalgen werden billiger, ¯ es besteht die Möglichkeit die Giessanlage mit höherer Giessgeschwindigkeit bei gleich- bleibender Anlagenlänge zu betreiben oder bei gleicher Giessgeschwindigkeit eine kür- zere Giessanlage einzusetzen, ¯ die Sekundärkühlung in der Strangführungszone kann reduziert werden, ¯ die Wärmetauscherelemente haben zusätzlich eine bremsende Wirkung auf laufende Wellen am Badspiegel, wodurch eine Beruhigung des Badspiegels eintritt, ¯ durch Variation der Eintauchtiefe der Wärmetauscherelemente kann deren Wirkung ge- steuert werden, d. h. die Eintauchtiefe kann in Abhängigkeit von der Stahltemperatur bzw. der Überhitzung eingestellt werden. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Temperaturführung einer Schmelze, vorzugsweise einer Stahlschmelze, in einer gekühlten Stranggiesskokille (1), wobei der Schmelze Wärme durch die gekühlten Kokillenwände (2,3, 6,7) kontinuierlich entzogen und der Wärmeinhalt der Schmelze zu- sätzlich an mehreren über den Kokillenquerschnitt (14) verteilten Stellen beeinflusst wird, wobei der Wärmeinhalt der Schmelze durch Wärmetausch mit einem ein Wärmetauscher- element (15) durchströmendes Kühlmittel verringert wird, dadurch gekennzeichnet, dass an Stellen, an denen der Wärmeinhalt der Schmelze beeinflusst wird, in die Schmelze ra- gende Erstarrungszungen (24) ausgebildet werden, die mit den an den Kokillenwänden (2,3, 6,7) gebildeten Strangschalen (10) zusammenwachsen, bei der Ausförderung des teilerstarrten Stranges wieder aufschmelzen und die Temperatur der Schmelze absenken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeinhalt der Schmelze entlang der den Kokillenquerschnitt (14) begrenzenden Kokillenwände (2,3, 6, 7) abschnittsweise beeinflusst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeinhalt der Schmelze an mehreren Stellen entlang mindestens zweier den Kokillenquerschnitt (14) begrenzenden Kokillenwände (2,3, 6,7) beeinflusst wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeinhalt der Schmelze entlang von zwei einander gegenüber liegenden Kokillenwän- den (2,3) beeinflusst wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeinhalt der Schmelze in einem Bereich zwischen der Badoberfläche (13) und einer Badtiefe von bis zu 400 mm, vorzugsweise von bis zu 250 mm, beeinflusst wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeinhalt der Schmelze verringert wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überhitzungswärme der Schmelze verringert wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeinhalt der Schmelze in Abhängigkeit von der durchströmenden Kühlmittelmenge geregelt oder gesteuert wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeinhalt der Schmelze in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe des Wärmetau- scherelementes (15) geregelt oder gesteuert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur geregelten oder gesteuerten Beeinflussung des Wärmeinhaltes der Schmelze zumindest die Zulauftempe- ratur der Schmelze und die Kühlmittel-Zulauftemperatur vorgegeben oder zumindest ein- malig gemessen einem Regler oder einer Recheneinheit (40) zugeführt werden, vom Reg- ler oder einer Recheneinheit auf der Grundlage eines mathematischen Kühlmodells die für eine optimale Gefügestrukturausbildung notwendige Kühlmittelmenge und/oder Eintauch- tiefe des Wärmetauscherelementes (15) ermittelt und diese giessverlaufsabhängig geregelt oder gesteuert wird. <Desc/Clms Page number 9>

11. Vorrichtung zur Temperaturführung einer Schmelze, vorzugsweise einer Stahlschmelze, in einer Stranggiesskokille (1) mit gekühlten Kokillenwänden (2,3, 6,7), die einen Formhohl- raum (11) für die Aufnahme der Schmelze und die Bildung eines Giessstranges (20) for- men, wobei an mehreren über einen Kokillenquerschnitt (14) verteilten Stellen in die Schmelze eintauchende Wärmetauscherelemente (15) angeordnet sind, die Wärmetau- scherelemente (15) als Kühlelemente ausgebildet sind und mindestens einen Kühlmittel- kanal (31,32) für die Durchleitung eines Kühlmittels aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente (15) in ihrer Längserstreckung eine keilförmige Aussen- kontur aufweisen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherele- mente (15) entlang der den Kokillenquerschnitt (14) begrenzenden Kokillenwände (2,3, 6, 7) abschnittsweise angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetau- scherelemente (15) an mehreren Stellen entlang mindestens zweier den Kokillen- querschnitt (14) begrenzenden Kokillenwände (2, 3, 6, 7) angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente (15) entlang von zwei einander gegenüberliegenden Kokillen- wänden (2,3) angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die ent- lang einer Kokillenwand (2, 3, 6, 7) angeordneten Wärmetauscherelemente (15) zumindest abschnittsweise in einer Reihe mit konstantem Abstand (a) voneinander angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei parallel zueinander angeordnete Reihen von Wärmetauscherelementen (15), diese Reihen um den halben Abstand (a) der Wärmetauscherelemente versetzt angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente (15) eingangsseitig in den Formhohlraum (11) der Stranggiessko- kille ragend angeordnet sind und bis zu 400 mm, vorzugsweise bis zu 250 mm, in die Schmelze eintauchen.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente (15) im Querschnitt linsenförmig ausgebildet sind und mit ihrer linsenförmigen Längserstreckung normal zur Kokillenwand (2,3, 6,7) orientiert sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwi- schen Kokillenwand (2, 3, 6, 7) und Wärmetauscherelement (15) ein Abstand von mindes- tens 10 mm eingestellt ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente (15) auf der Stranggiesskokille (1) abgestützt sind und mit dieser synchron oszillieren.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente (15) über Versorgungskonsolen (17) auf der Stranggiesskokille abgestützt sind und die Versorgungskonsolen (17) mit einer Hubeinrichtung (50) relativ zur Stranggiesskokille (1) heb- und senkbar abgestützt sind.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente (15) an mit der Stranggiesskokille nicht mitosziiiierenden Versor- gungskonsolen (17) abgestützt sind.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente (15) mit Zuleitungen (18) und Ableitungen (19) für das Kühlmittel verbunden sind, und der Zuleitung oder der Ableitung eine Mengenreguliereinrichtung (48) für eine gesteuerte oder geregelte Durchleitung des Kühlmittels zugeordnet ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass den Wärmetauscherele- menten (15) ein Regler oder eine Recheneinheit (40) zugeordnet ist, dem/der zumindest die vorgegebene, vorzugsweise von einer Temperaturmesseinrichtung (43) im Verteilerge- fäss (44) gemessene, Zulauftemperatur der der Stranggiesskokille zugeführten Schmelze und zumindest eine Kühlmittelkenngrösse, vorzugsweise die von einer Temperaturmessein- richtung (47) ermittelte Kühlmittel-Zulauftemperatur, aufgeschalten ist und der/die auf der Grundlage eines mathematischen Kühlmodelles den für eine optimale Gefügestrukturaus- <Desc/Clms Page number 10> bildung notwendige Kühlmittelmenge ermittelt und über ein Steuersignal die Mengenreguliereinrichtung (48) und/oder eine Hubeinrichtung (50) für die Wärmetauscherelemente (15) steuert/regelt.

HIEZU 5 BLATT ZEICHNUNGEN