DE3840448C2 - Stranggießkokille - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stranggießkokille, insbesondere Plattenkokille zum Stranggießen von Vorblöcken oder Brammen aus Stahl, wobei die Kokillenseitenwände jeweils von einer Stützwand und einer an dieser befestigten, mit der Metallschmelze in Kontakt gelangenden Innenplatte gebildet sind und wobei an der der Stützwand zugewandten Seite der Innenplatte zueinander parallel liegende Kühlmittelkanäle vorgesehen sind, die als zur Stützwand offene Schlitze ausgebildet sind, deren Breite geringer und deren Tiefe größer ist als die Breite der zwischen den Schlitzen liegenden Rippen.

Stranggießkokillen dieser Art (DE-A-24 23 481, AT-B- 329.209) werden zum Gießen von Stahl-Strängen mit Brammen- oder Vorblockquerschnitten eingesetzt. Um die Temperatur der Innenplatten, die in der Regel aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung gebildet sind, auch bei hohen Gießgeschwindigkeiten nieder zu halten, wird auf eine intensive und gleichmäßige Kühlung der Innenplatten großer Wert gelegt.

Die zwischen den Kühlmittelkanälen vorhandenen Rippen dienen bei bekannten Stranggießkokillen dazu, die pro Zeiteinheit benötigte Kühlmittelmenge klein zu halten und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels zu erreichen. Außerdem wird durch die Rippen bewirkt, daß das bei der Herstellung der Innenplatten zu zerspanende Volumen gering gehalten werden kann.

Aus Nippon Kokan Technical Report, No. 48 (1987) ist es bekannt, 5 mm breite und 15 mm tiefe Schlitze als Kühlmittelkanäle im Abstand von 20 mm vorzusehen. Diese Ausführungsform ermöglicht jedoch nur eine wenig effiziente Kühlung, so daß man gezwungen ist, eine relativ hohe Kühlmittelgeschwindigkeit vorzusehen, um eine akzeptable Temperatur der Innenplatten sicherzustellen, wodurch sich jedoch der Wirkungsgrad verschlechtert.

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieses Nachteiles und stellt sich die Aufgabe, eine Stranggießkokille der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der eine besonders effektive Kühlung mit einer nur geringen spezifischen Kühlmittelmenge bei nicht allzu hoher Kühlmittelgeschwindigkeit erreicht wird. Insbesondere soll bei der Fertigung der Innenplatten nur wenig Volumen zerspant werden müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Breite der Kühlrippen kleiner als oder gleich 13 mm ist und daß die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels derart eingestellt ist, daß der Wärmeübergangskoeffizient alpha zwischen der Innenplatte und dem Kühlmittel zwischen 20 und 70 kW/m²K, vorzugsweise zwischen 25 und 50 kW/m²K liegt, so daß die Wärmestromdichte für die Innenplatte größer ist als die Wärmestromdichte für eine glatte Innenplatte ohne Rippen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die zwischen den Kühlmittelkanälen vorhandenen Rippen erst dann als Kühlrippen wirksam sein können, wenn das Verhältnis der Tiefe eines Schlitzes zur Breite einer Kühlrippe größer als 1 ist und zusätzlich zu dieser Bedingung der Wärmeübergangskoeffizient alpha zwischen den oben angeführten Bereichsgrenzen liegt. Hierdurch ergibt sich eine im Vergleich zum Stand der Technik niedrige Kühlmittelgeschwindigkeit, die mit dem Wärmeübergangskoeffizienten alpha in der Beziehung

steht, so daß eine effiziente Abfuhr von Wärme erzielt wird, ohne daß das Kühlmittel zu stark erhitzt wird. Ist das Verhältnis Tiefe eines Schlitzes zur Breite einer Kühlrippe kleiner als 1, so sind die Rippen für die Kühlwirkung störend, d. h. die Rippen behindern die Kühlung; eine glattwandige Ausbildung der Rückseite der Innenplatten unter Weglassung der Rippen wäre dann effektiver.

Untersuchungen haben ergeben, daß die Wärmestromdichte (die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit mit Kühlmittel, das mit einer bestimmten Kühlmittelgeschwindigkeit strömt, abgeführte Wärmemenge) für eine glatte Platte größer ist als für eine gleich dicke Platte, an der die gemäß dem Stand der Technik ausgebildeten Rippen angeformt sind. Das Verhältnis Wärmestromdichte einer mit Rippen versehenen Platte zur Wärmestromdichte einer glatten Platte wird erst dann größer als 1, wenn die Rippen die Funktion von "Kühlrippen" übernehmen, d. h. die Kühlwirkung verstärken, was nur dann der Fall ist, wenn bestimmte Verhältnisse von geometrischen Dimensionen und eine gewisse Größe der Wärmeübergangszahl alpha eingehalten werden. Hierbei entscheidend ist in erster Linie die maximale Breite einer Rippe.

Vorzugsweise liegt die Schlitzbreite zwischen 3 und 7 mm und ist das Verhältnis Schlitzbreite zu Rippenbreite höchstens eins zu zwei. Die Schlitzgeometrie ist für das Funktionieren einer Kühlung von Bedeutung, zumal ein Schlitz nicht zu eng bemessen werden darf, da sich sonst Verunreinigungen festsetzen können und die Fertigung des Schlitzes infolge des Erfordernisses eines besonders dünnen Fräsers nicht mehr möglich ist. Umgekehrt dürfen die Schlitze nicht zu breit bemessen werden, da sonst zu viel Volumen bei der Herstellung der Schlitze zu zerspanen ist.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Kokille in schematischer Darstellung zeigt.

Fig. 2 veranschaulicht einen Querschnitt durch eine Innenplatte im vergrößerten Maßstab.

Fig. 3 zeigt eine Ansicht der Innenplatte in Richtung des Pfeiles III der Fig. 2 und

Fig. 4 gibt einen Schnitt gemäß der Linie IV-IV der Fig. 3 wieder. In

Fig. 5 ist der Kühlwirkungsgrad in Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten in Diagrammform für die in den

Fig. 6 und 7 dargestellten Varianten von Innenplatten veranschaulicht, wobei Fig. 6 eine Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik und Fig. 7 eine erfindungsgemäße Ausführungsform zeigen.

Fig. 8 stellt die Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Rippenbreite und dem Wärmeübergangskoeffizienten dar.

Mit 1 ist der rahmenförmige Wasserkasten einer Plattenkokille zum Gießen von Stahlsträngen mit Brammenquerschnitt bezeichnet, in dem die Breitseitenwände 2 und die Schmalseitenwände 3 angeordnet sind. Die Breitseitenwände 2 und die Schmalseitenwände 3 sind jeweils von einer Stützwand 4, 5 gebildet, an der eine mit der Metallschmelze in Kontakt gelangende Innenplatte 6, 7 befestigt ist. Die Innenplatten 6, 7 sind in der Regel für das Stahlstranggießen aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung gefertigt.

Die Breitseitenwände 2 sind durch am Wasserkasten 1 montierte Stelltriebe 8 in Richtung zu- und voneinander verstellbar und können durch eine Fixiereinrichtung 9 in verschiedenen Lagen zueinander fixiert werden, so daß es möglich ist, die Schmalseitenwände 3 zwischen den Breitseitenwänden festzuklemmen oder zwischen den Breitseitenwänden 2 und Schmalseitenwänden 3 einen Spalt konstanter Größe vorzusehen.

Sowohl die Breit- als auch die Schmalseitenwände 2, 3 sind mittels Kühlwasseranschlüssen 10 an den Wasserkasten 1 angeschlossen. Zum Verstellen und Neigungseinstellen jeder Schmalseitenwand 3 dienen Stelltriebe 11, die beispielsweise Gewindespindeln umfassen und mit dem oberen bzw. unteren Randteil jeder Schmalseitenwand 3 verbunden sind.

Die Innenplatten 6, 7 der Schmal- und Breitseitenwände 2, 3 sind an ihren Rückseiten 12, d. h. an den an der jeweiligen Stützwand 4, 5 aufliegenden Seiten, mit zueinander parallel liegenden Kühlmittelkanälen versehen, die als zur Stützwand 4, 5 offene Schlitze 13 ausgebildet sind. Die den Schlitz begrenzenden Seitenwände sind vorzugsweise zueinander parallel und vorzugsweise senkrecht zur Ebene der Innenplatte gerichtet. Um ein Werfen der Innenplatten 6, 7 zu vermeiden, sind diese mittels zahlreicher Spannschrauben 14 an den Stützwänden 4, 5 starr befestigt. Die zum Einschrauben der Spannschrauben 14 dienenden Bohrungen 15, die zweckmäßig von in die Innenplatten 6, 7 eingesetzten Zwischenhülsen 16 gebildet sind, sind, wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich ist, in zueinander parallel liegenden Reihen 17 angeordnet. Zwischen diesen sich in Kokillenhöhenrichtung erstreckenden Reihen 17 sind die das Kühlmittel leitenden Schlitze 13 vorgesehen.

Die Schlitze 13 sind derart angeordnet, daß das Verhältnis der Tiefe 18 eines Schlitzes 13 zum Abstand zweier benachbarter Schlitze 13, d. h. der Breite 19 der dazwischenliegenden Rippen 21, in den Flächenbereichen zwischen den Lochreihen 17 größer als 1 ist. Die Schlitze 13 weisen eine Breite 20 von 5 mm auf (vorzugsweise beträgt ihre Breite 3 bis 7 mm), die dazwischenliegenden Rippen 21 sind 11 mm bzw. im Letzten einem Ende der Innenplatte 6 benachbarten Bereich zwischen zwei Lochreihen 17 12 mm breit. Ihre Tiefe 18 ist aus Fig. 2 und 4 ersichtlich; sie beträgt 18 mm. Die Gesamtstärke 22 der Innenplatten 6, 7 liegt bei 40 mm. Die Innenplatten 6, 7 können an den mit der Metallschmelze in Kontakt gelangenden Seiten um etwa 11 mm nachgearbeitet werden.

Der Grund der Schlitze 13 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel eben, er könnte jedoch auch halbkreisförmig ausgebildet sein.

Die Schlitze 13 werden von Kühlmittel durchströmt, wobei die zwischen den Schlitzen 13 liegenden Rippen 21 als Kühlrippen wirken. Dies ist anhand der Fig. 5 näher erläutert, die ein Diagramm zeigt, bei dem auf der Ordinate der Wirkungsgrad eta und auf der Abszisse der Wärmeübergangskoeffizient alpha aufgetragen sind. Der Wirkungsgrad eta drückt das Verhältnis der Wärmestromdichte einer mit schlitzförmigen Kühlmittelkanälen versehenen Wand zur Wärmestromdichte einer glatten Wand aus, die bei Weglassung der von den Schlitzen 13 gebildeten Rippen 21 entsteht.

Für alle eta kleiner als 1 wirken die Rippen 21 nicht als Kühlrippen, sondern es tritt eine gegenüber der glatten Vergleichswand schlechtere Kühlwirkung ein, d. h. die Rippen wirken für den Wärmeübergang störend. Ist eta größer als 1, so ist durch die Rippen 21 die Kühlung gegenüber einer glatten Wand verbessert, was bedeutet, daß die Rippen 21 infolge der nunmehr durch sie verstärkten Kühlwirkung als Kühlrippen wirksam sind.

In Fig. 5 ist der Bereich des Wärmeübergangskoeffizienten zwischen 20 und 50 kW/m²K im besonderen dargestellt, u. zw. für zwei verschiedene Schlitz- bzw. Kühlrippen- Ausführungsformen. Die strichpunktierte Linie a gibt für die in Fig. 6 dargestellte Rippe 22 (bei der das Verhältnis Tiefe (15 mm) des Schlitzes 13 zur Breite (15 mm) einer Rippe 22 bei 1 liegt) die Abhängigkeit des Wirkungsgrades eta vom Wärmeübergangskoeffizienten alpha zwischen 20 und 50 kW/m²K an. Eta liegt lediglich ab einem Wert alpha kleiner als 24 übereins. Die in Fig. 6 dargestellte Rippe 22 ist somit nur für sehr kleine Wärmeübergangskoeffizienten alpha und damit nur für geringe Kühlmittelgeschwindigkeiten als Kühlrippe wirksam, welche Kühlmittelgeschwindigkeit jedoch eine nur unzureichende Kühlung der Innenplatte bewirken würde und daher in der Praxis nicht eingestellt werden darf.

Der prinzipielle Zusammenhang zwischen der Breite einer Rippe, dem Wärmeübergangskoeffizienten alpha und damit der Kühlmittelgeschwindigkeit v_H₂O (die sich aus der Beziehung

ergibt) und dem Wirkungsgrad eta ist in Fig. 8 veranschaulicht.

Es ist aus Fig. 8 zu ersehen, daß bei vorgegebener Rippenbreite die Strömungsgeschwindigkeit v_H₂O das Kühlmittels einen wichtigen Faktor dafür, ob die Rippe als "Kühlrippe" wirkt oder nicht, darstellt, u.zw. in dem Sinn, daß, je höher die Kühlmittelgeschwindigkeit ist, zwar die abgeführte Wärmemenge erhöht wird, jedoch der Wirkungsgrad eta verschlechtert wird.

Anhand nachstehender Tabelle ist diese Tatsache an den in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsformen erläutert, wobei in Zeile I die in Fig. 6 dargestellte herkömmliche Plattenkonstruktion und in Zeile II die in Fig. 7 dargestellte Plattenkonstruktion gezeigt ist. In der Tabelle sind jeweils der Wirkungsgrad eta für eine niedrige und eine höhere Kühlmittelgeschwindigkeit v_H₂O, der Wert alpha und der Wert alpha_eff = alpha x eta angegeben. Es ist ersichtlich, daß sich bei der erfindungsgemäßen Konstruktion bei gleichem Wert für alpha_eff von 50 000 eine geringere Kühlmittelgeschwindigkeit ergibt.

Diese Tabelle läßt somit erkennen, daß zur Einstellung gleich niedriger Temperaturen an den in Fig. 6 und Fig. 7 dargestellten Innenplatten bei der erfindungsgemäßen Ausbildung (Fig. 7) mit einer geringeren Kühlmittelgeschwindigkeit v_H₂O und damit mit einer geringeren spezifischen Kühlmittelmenge, einem geringeren Druckverlust delta_p und einer geringeren Pumpleistung das Auslangen gefunden wird.

Der mit durchgehender Linie gezeichnete Kurvenzug b stellt den sich bei einer Kühlrippe 21 gemäß Fig. 7 ergebenden Wirkungsgrad eta für unterschiedliche Wärmeübergangskoeffizienten alpha dar. Es ist ersichtlich, daß dieser Kurvenzug für sämtliche in Betracht kommende Wärmeübergangszahlen oberhalb der Geraden eta = 1 liegt, so daß die in Fig. 7 dargestellte Kühlrippe 21 in jedem Fall, also auch bei ganz unterschiedlichen Kühlmittelgeschwindigkeiten, als Kühlrippe wirkt. Bei der in Fig. 7 dargestellten Kühlrippe liegt das Verhältnis Tiefe 18 des Schlitzes 13 zur Breite 19 der Rippe 21 bei 1,5.

Es hat sich gezeigt, daß für die üblichen Kühlmittelmengen und Kühlmittelgeschwindigkeiten die Kühlwirkung bei einer mit Schlitzen 13 versehenen Innenplatte 6, 7 nur dann gegenüber einer glattwandigen Innenplatte erhöht werden kann, wenn das Verhältnis der Höhe der Rippen bzw. Tiefe 18 der Schlitze zur Breite 19 der Rippen 21 größer als 1 ist. Die Breite 20 der Schlitze 13 liegt üblicherweise bei 5 mm und ist fertigungstechnisch bedingt, nämlich durch die Stärke der der Herstellung der Schlitze 13 dienenden Fräser, die nicht zu dünn ausgeführt werden können und die eine gewisse Stärke nicht überschreiten sollen, um das zu zerspanende Volumen möglichst gering zu halten.

Claims (2)

1. Stranggießkokille, insbesondere Plattenkokille zum Stranggießen von Vorblöcken oder Brammen aus Stahl, wobei die Kokillenseitenwände (2, 3) jeweils von einer Stützwand (4, 5) und einer an dieser befestigten, mit der Metallschmelze in Kontakt gelangenden Innenplatte (6, 7) gebildet sind und wobei an der der Stützwand (4, 5) zugewandten Seite (12) der Innenplatte (6, 7) zueinander parallel liegende Kühlmittelkanäle vorgesehen sind, die als zur Stützwand offene Schlitze (13) ausgebildet sind, deren Breite (20) geringer und deren Tiefe (18) größer ist als die Breite (19) der zwischen den Schlitzen (13) liegenden Rippen (21), dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (19) der Kühlrippen (21) kleiner als oder gleich 13 mm ist und daß die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels derart eingestellt ist, daß der Wärmeübergangskoeffizient alpha zwischen der Innenplatte (6, 7) und dem Kühlmittel zwischen 20 und 70 kW/m²K, vorzugsweise zwischen 25 und 50 kW/m²K liegt, so daß die Wärmestromdichte für die Innenplatte (6, 7) größer ist als die Wärmestromdichte für eine glatte Innenplatte ohne Rippen.

2. Stranggießkokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzbreite (20) zwischen 3 und 7 mm liegt und das Verhältnis Schlitzbreite (20) zu Rippenbreite (19) höchstens eins zu zwei ist.