EP1785206A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen einer Stranggiesskokille mittels Dampf - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen einer Stranggiesskokille mittels Dampf Download PDF

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EP1785206A1
EP1785206A1 EP05024567A EP05024567A EP1785206A1 EP 1785206 A1 EP1785206 A1 EP 1785206A1 EP 05024567 A EP05024567 A EP 05024567A EP 05024567 A EP05024567 A EP 05024567A EP 1785206 A1 EP1785206 A1 EP 1785206A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
continuous casting
casting mold
cooling
metallic material
cooling liquid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05024567A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Detlef Dr. Haje
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP05024567A priority Critical patent/EP1785206A1/de
Publication of EP1785206A1 publication Critical patent/EP1785206A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/055—Cooling the moulds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/16—Controlling or regulating processes or operations
    • B22D11/22—Controlling or regulating processes or operations for cooling cast stock or mould

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a semifinished product from a metallic material by continuous casting of the metallic material in a continuous casting mold with simultaneous cooling of the continuous casting mold.
  • the invention further relates to a continuous casting apparatus for producing a semifinished product from a metallic material with a continuous casting mold for continuous casting of the material as well as a cooling device for cooling the continuous casting mold during the continuous casting.
  • a continuous casting mold can in particular be designed as a so-called continuous casting mold.
  • a metallic material for example, liquid steel can be introduced into such a continuous casting mold. Within the mold, the steel solidifies on its surface and the resulting so-called slab is continuously withdrawn from the mold.
  • the continuous casting mold is cooled by means of water.
  • the water is heated by absorbing the metallic material extracted in the continuous casting mold heat energy by a certain temperature difference.
  • the heated cooling water is then usually cooled by means of heat exchanger devices again and fed back in a cycle of the continuous casting mold.
  • An object of the invention is to improve a method for producing a semi-finished product of a metallic material of the type mentioned above and a continuous casting for producing a semi-finished product of a metallic material of the type mentioned in that a more efficient cooling of the continuous casting mold is achieved ,
  • This object is achieved by a generic method, wherein the cooling of the continuous casting by means of an evaporation of a cooling liquid takes place.
  • the object is further achieved with a generic continuous casting apparatus in which the cooling device is designed to effect the cooling of the continuous casting mold by means of evaporation of a cooling liquid.
  • the vapor produced by the evaporation of the cooling liquid is fed to a steam turbine for generating mechanical and / or electrical energy.
  • a vapor-liquid circuit for cooling the continuous casting mold is established.
  • the steam is returned to the liquid form by means of condensers and then returned to the continuous casting mold for cooling.
  • the steam turbine can then transform the potential energy of the steam into mechanical energy, which in turn can be used to drive a generator.
  • the advantageous embodiment of the invention offers the operators of steelworks a significant cost reduction potential by previously not technically effective waste heat can be raised to a temperature level, which is accessible for use by means of a steam turbine.
  • boundary conditions of the main process are maintained or improved in part.
  • the cooling liquid for cooling the continuous casting mold is sprayed onto an outer side of a wall of a channel of the continuous casting mold carrying the metallic material.
  • spraying the cooling liquid is relatively finely distributed over the outside of the wall and thus evaporates within a very short time.
  • a particularly fast and efficient cooling of the metallic material is achieved in this embodiment, without bringing coolant directly to the material in combination.
  • the cooling liquid is sprayed in a targeted manner onto at least one main cooling region of the continuous casting mold.
  • This allows targeted areas of the metallic material to be cooled more intensively or less intensively during continuous casting. Properties such as residual stresses, strength and optionally segregations of the semifinished product produced can be influenced in a targeted manner in this way.
  • This effect is correspondingly produced in a continuous casting apparatus according to the invention, in which spraying means are designed and aligned for the targeted spraying of the cooling liquid onto at least one main cooling area.
  • the cooling liquid is introduced into a cooling cavity, which surrounds a channel of the continuous casting mold carrying the metallic material, in particular in a region of the cooling cavity, the on the side of an input portion of the continuous casting mold for receiving the metallic material is introduced. Since the produced semi-finished product emerges at an outlet section of the continuous casting mold, the cooling liquid flows in the cooling cavity in the direction of flow of the metallic material in order to cool the continuous casting mold.
  • the cooling medium at the location of the highest temperature of the material has the largest heat absorption capacity. The heat absorption capacity of the cooling medium then decreases together with the temperature of the material in the conveying direction of the material. This makes it possible to achieve a particularly efficient transfer of heat from the metallic material to the cooling medium.
  • the cooling liquid is injected into the cooling cavity through bores of an outer wall of the cooling cavity.
  • spray nozzles are attached to the outside of the holes.
  • the spray nozzles may have at their front through the bores on the outside of the cooling cavity through reaching pipe extensions. These are advantageously fastened with a screw connection on the outside of the cooling cavity, so that the cooling liquid can be introduced into the interior of the cooling cavity without direct contact with the bores.
  • thermal stresses between the nozzle and the outside of the cooling cavity which may occur in the embodiment described above with nozzles welded to the bores, can be avoided.
  • the cooling liquid is introduced below an inlet portion of the continuous casting mold for receiving the metallic material in the cooling cavity and then flows opposite to the flow direction of the metallic material in the continuous casting mold.
  • the corresponding continuous casting apparatus according to the invention has, under the inlet section, cooling liquid introduction means for introducing cooling liquid into the cooling cavity, the cooling cavity being designed to oppose the cooling liquid to lead to the flow direction of the metallic material.
  • the resulting vapor in the cooling is overheated.
  • the heat dissipation profiles in the transverse and longitudinal direction can be selectively influenced, so that an optimization of the cooling parameters in terms of quality or throughput increase of the semifinished product produced is made possible.
  • the continuous casting mold is further cooled by overheating the vapor produced by the evaporation.
  • the pressure and mass flow parameters can be chosen so that on the wall next to an evaporation also takes place directly a certain overheating. This can be assisted by the design of the wall of the continuous casting mold and by the arrangement of water nozzles. By a suitable arrangement or design, a disadvantageous mixing of cooling water with superheated steam can be avoided or reduced. Steam superheating further improves the efficiency of heat extraction from the metallic material.
  • the continuous casting apparatus has a steam turbine to which the steam resulting from the evaporation of the cooling liquid is supplied for generating mechanical and / or electrical energy.
  • a steam turbine to which the steam resulting from the evaporation of the cooling liquid is supplied for generating mechanical and / or electrical energy.
  • the cooling device spraying means in particular a spray nozzle for spraying the cooling liquid on an outer side of a wall of the metallic material leading channel of the continuous casting mold.
  • the spraying means have a spray nozzle with a screen plate arranged at the nozzle tip transversely to the spraying direction and / or parallel to a wall of the continuous casting mold.
  • the spray nozzle expediently has a jacket.
  • the cooling liquid can be sprayed onto specific areas of the continuous casting mold in a targeted manner. This makes it possible to intensify the cooling in certain areas of the semifinished product. For example, when producing an H-profile, the inner edge areas can be cooled particularly intensively.
  • An alternative solution for avoiding mixing of cooling liquid with superheated steam provides that an outer side of a wall of a channel of the continuous casting mold carrying the metallic material has at least one injection well which is sprayed by a spray nozzle into an oblique angle with respect to a longitudinal axis of the continuous casting mold.
  • the Ansprerstichtung is not arranged perpendicular to the outside of the wall, but in any case has a tangential component with respect to the wall, in particular a component in the outflow direction of the generated steam.
  • the sprayed spray liquid is not thrown back to the nozzle, but moves along the trough in the conveying direction of the semifinished product along.
  • the spray nozzle further comprises at the liquid outlet on a Ablekegel to produce a directed spray.
  • the cooling liquid can be controlled even more targeted with respect to their outflow, creating a mixing of coolant and superheated steam even better can be avoided.
  • a pressure above the critical pressure of the cooling liquid is set in the cooling hollow space. Above this pressure, the densities of the cooling liquid approach in liquid and gaseous state, which is why with a corresponding heat absorption of the cooling medium, no sudden volume increase takes place.
  • the continuous casting mold is vibrationally suspended due to the process, it is advantageous if a line connecting the continuous casting mold and the steam turbine is provided which is designed to be flexible for accommodating vibrations of the continuous casting mold.
  • the steam turbine can also be mounted vibratory and thus oscillate in the same way as the continuous casting mold.
  • the steam turbine is therefore provided with a control stage.
  • a bypass station can still be provided, with which the steam can be routed past the steam turbine, if the steam quality should not be sufficient or the steam turbine is not available.
  • the continuous casting mold is shaped such that its shaping surface, taking into account thermal and elastic deformations in the continuous casting operation, has a desired contour adapted to a desired shape of the semi-finished product.
  • the shape of the continuous casting mold is designed such that the thermal and elastic deformations of the operating state are balanced / anticipated.
  • the inner wall of the continuous casting mold is processed at suitable points. Due to the thermal and elastic deformations during operation, the inner wall decreases the continuous casting mold to the present before processing shape.
  • the continuous casting mold has an overheating region in which the steam produced by means of evaporation continues to cool the continuous casting mold by overheating.
  • this enables optimal heat removal from the continuous casting mold.
  • the cooling medium in the overheating region has a lower heat absorption capacity compared to the evaporation region, it is advantageous if the overheating region is provided with at least one rib.
  • the contact surface of the continuous casting mold inner wall with the cooling steam is increased accordingly.
  • FIG. 1 schematically shows an embodiment according to the invention of a water / steam cycle with a continuous casting mold 10 which is supplied with a cooling liquid 36 via a liquid feed line 12 and from which a cooling steam 38 is withdrawn via a steam discharge line 14.
  • a steam turbine 18 is connected via a valve 16, which drives an electric generator 20 for generating electric current.
  • the steam leaving the turbine 18 is converted into liquid form by means of a condenser 22 and then returned to the continuous casting mold 10 by a feed water pump 24 via the liquid feed line 12.
  • Fig. 2 shows the continuous casting mold 10 in detail.
  • the continuous casting mold 10 is designed in the form of a mold and has a channel 46 for processing a metallic material 26.
  • the metallic material 26 in the form of steel is introduced in liquid form into an inlet section 27 of the continuous casting mold 10 and leaves it via an outlet section 29 as a solidified semi-finished product 28.
  • the solidification front 30 of the semi-finished product 28 extends within the wall 44 of the mold channel 46.
  • a cooling cavity 32 is arranged like a jacket around the wall 44 of the Kokillenkanals 46 around.
  • the cooling cavity 32 is surrounded by an outer wall 33 which is provided with bores 40, to which according to the embodiment of FIG. 2 supply lines 42 are welded for supplying cooling liquid 36 in the form of feed water.
  • the bores 40 act as spraying means 34 in the form of spray nozzles for spraying the wall 44 of the mold channel 46 in the area of a spraying surface 52 from the outside with the cooling liquid 36.
  • Fig. 2 the course of the inside of the wall 44 of the Kokillenkanals 46 is shown in the operating state of the continuous casting mold 10 with a continuous line. In the cool state, the wall 44 has a wall curve 48 shown by a broken line, through which the mold channel 46 is widened.
  • the shape of the Kokillenkanals 46 is thus such that the thermal and elastic deformations of the operating condition are balanced or anticipated.
  • the cooling liquid 36 can also be overheated in an overheating area after evaporation on the spray surface 52 of the wall 44. In this area, ribs 50 are provided to compensate for the smaller heat transfer there.
  • FIG. 3 a shows an arrangement of individual spray surfaces 37 which are produced by individual spraying means 34, which are designed as spray nozzles, on the spray surface 52 of the wall 44.
  • the arrangement of the single nozzle spray surfaces 37 shown in Fig. 3a forms a preferred nozzle pattern of the spray nozzles 34.
  • FIG. 3b shows an alternative design of the spraying means 34.
  • the nozzles 54 are inserted into the bores 40 according to FIG.
  • the nozzles 54 each have an annular flange for engagement with the outer wall 33.
  • the nozzles 54 are fastened with a suitable screw connection.
  • Fig. 3c shows an alternative spray means arrangement for avoiding mixing of cooling liquid with superheated steam.
  • the spraying means 34 at the nozzle tip on a sheath 60 and a shield plate 58.
  • the cooling steam formed at the Aufsprüh Structure 52 of the wall 44 is prevented in this design from reentering the spray nozzle.
  • FIG. 3d A further alternative embodiment of the spraying means 34 as well as a shaping of the side of the wall 44 facing it is shown in FIG. 3d.
  • the supply line 42 for supplying the cooling liquid 36 is provided at its tip with a Ablekegel 62 and aligned such that the cooling liquid 36 is sprayed in the flow direction of the metallic material.
  • Einspremmulden 64 are formed, by means of which the resulting cooling steam is discharged in the conveying direction of the metallic material 26.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines Halbzeuges (28) aus einem metallischen Werkstoff (26) durch Stranggießen des metallischen Werkstoffes (26) in einer Stranggussform (10) unter gleichzeitiger Kühlung der Stranggussform (10), ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Stranggussform (10) mittels eines Verdampfens einer Kühlflüssigkeit (36) erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbzeuges aus einem metallischen Werkstoff durch Stranggießen des metallischen Werkstoffes in einer Stranggussform unter gleichzeitiger Kühlung der Stranggussform. Die Erfindung betrifft ferner eine Stranggießvorrichtung zum Herstellen eines Halbzeuges aus einem metallischen Werkstoff mit einer Stranggussform zum Stranggießen des Werkstoffes sowie einer Kühleinrichtung zum Kühlen der Stranggussform während dem Stranggießen. Eine derartige Stranggussform kann insbesondere als so genannte Stranggusskokille ausgeführt sein. Als metallischer Werkstoff kann beispielsweise flüssiger Stahl in eine derartige Stranggusskokille eingeführt werden. Innerhalb der Kokille erstarrt der Stahl an seiner Oberfläche und die entstehende so genannte Bramme wird kontinuierlich aus der Kokille abgezogen.
  • Bei im Stand der Technik bekannten Stranggussverfahren der vorstehend genannten Art wird die Stranggussform mittels Wasser gekühlt. Das Wasser wird dabei unter Aufnahme der dem metallischen Werkstoff in der Stranggussform entzogenen Wärmeenergie um eine bestimmte Temperaturdifferenz erwärmt. Das erwärmte Kühlwasser wird daraufhin in der Regel mittels Wärmetauschervorrichtungen wieder abgekühlt und in einem Kreislauf der Stranggussform wieder zugeführt.
  • Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbzeuges aus einem metallischen Werkstoff des eingangs genannten Art sowie eine Stranggießvorrichtung zum Herstellen eines Halbzeuges aus einem metallischen Werkstoff der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine effizientere Kühlung der Stranggussform erreicht wird.
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem gattungsgemäßen Verfahren gelöst, bei dem die Kühlung der Stranggussform mittels eines Verdampfens einer Kühlflüssigkeit erfolgt. Die Aufgabe ist ferner mit einer gattungsgemäßen Stranggießvorrichtung gelöst, bei der die Kühleinrichtung darauf ausgelegt ist, die Kühlung der Stranggussform mittels Verdampfung einer Kühlflüssigkeit zu bewirken.
  • Durch die erfindungsgemäße Kühlung mittels Verdampfung der Kühlflüssigkeit wird ein viel effektiverer Wärmeübergang als durch die im Stand der Technik benutze Konvektion erzielt. Die beim Phasenübergang der Kühlflüssigkeit von der flüssigen in die gasförmige Phase aufgenommene latente Wärme ermöglicht eine schnelle Abkühlung des in der Stranggussform befindlichen metallischen Werkstoffes. Im Vergleich zu einer Verwendung eines in der flüssigen Phase verbleibenden Kühlmittels steht bei der Kühlung mittels Verdampfen gemäß der Erfindung eine erhebliche Wärmeaufnahmekapazität bei gleichzeitig stabiler Temperatur des Kühlmediums zur Verfügung. Damit können mit der erfindungsgemäßen Kühlung bessere Wärmeübergänge erzielt werden als durch reine Wasserkühlung. Dies ermöglicht eine weitere Verbesserung der Qualität des erzeugten Halbzeuges gegenüber dem Stand der Technik. So kann erfindungsgemäß eine schnellere Abkühlung bewirkt werden, wodurch sich kleinere Korngrößen und damit höhere Festigkeiten hinsichtlich des erzeugten Halbzeuges ergeben. Weiterhin kann durch die erfindungsgemäße Lösung auch eine Durchsatzerhöhung des erzeugten Halbzeuges erzielt werden.
  • In vorteilhafter Ausführungsform wird der durch die Verdampfung der Kühlflüssigkeit entstehende Dampf einer Dampfturbine zum Erzeugen mechanischer und/oder elektrischer Energie zugeführt. Insbesondere wird ein Dampf-Flüssigkeits-Kreislauf zum Kühlen der Stranggussform eingerichtet. Der Dampf wird nach Durchlaufen der Dampfturbine durch Kondensatoren wieder in die flüssige Form gebracht und daraufhin wieder der Stranggussform zur Kühlung zugeführt. Durch die Zuführung des bei der Kühlung der Stranggussform erzeugten Dampfes an eine Dampfturbine wird die bei der Kühlung der Stranggussform anfallende Abwärme technisch nutzbar gemacht. Die Dampfturbine kann die potentielle Energie des Dampfes dann in mechanische Energie verwandeln, welche wiederum zum Antrieb eines Generators verwendet werden kann. Im Vergleich zur Wasserkühlung gemäß dem Stand der Technik bietet die vorteilhafte erfindungsgemäße Ausführungsform etwa den Betreibern von Stahlwerken ein erhebliches Kostensenkungspotential, indem bisher technisch nicht effektiv nutzbare Abwärme auf ein Temperaturniveau angehoben wird, welches einer Nutzung mit Hilfe einer Dampfturbine zugänglich ist. Dabei werden Randbedingungen des Hauptprozesses eingehalten oder zum Teil verbessert.
  • Zweckmäßigerweise wird die Kühlflüssigkeit zur Kühlung der Stranggussform auf eine Außenseite einer Wandung eines den metallischen Werkstoff führenden Kanals der Stranggussform aufgesprüht. Durch das Aufsprühen wird die Kühlflüssigkeit verhältnismäßig fein über die Außenseite der Wandung verteilt und verdampft damit innerhalb kürzester Zeit. Damit wird bei dieser Ausführungsform eine besonders schnelle und effiziente Kühlung des metallischen Werkstoffes erzielt, ohne Kühlflüssigkeit direkt mit dem Werkstoff in Verbindung zu bringen.
  • Um bestimmte Eigenschaften des Halbzeuges gezielt zu beeinflussen ist es vorteilhaft, wenn die Kühlflüssigkeit gezielt auf mindestens einen Hauptkühlbereich der Stranggussform aufgesprüht wird. Damit können Bereiche des metallischen Werkstoffes beim Stranggießen gezielt intensiver oder weniger intensiv gekühlt werden. Eigenschaften, wie Eigenspannungen, Festigkeit und gegebenenfalls Seigerungen des erzeugten Halbzeuges können auf diese Weise gezielt beeinflusst werden. Diese Wirkung wird entsprechend bei einer erfindungsgemäßen Stranggießvorrichtung erzeugt, bei der Sprühmittel zum gezielten Aufsprühen der Kühlflüssigkeit auf mindestens einen Hauptkühlbereich ausgebildet und ausgerichtet sind.
  • Vorteilhafterweise wird zur Kühlung der Stranggussform die Kühlflüssigkeit in einen Kühlhohlraum, welcher einen den metallischen Werkstoff führenden Kanal der Stranggussform umgibt, insbesondere in einem Bereich des Kühlhohlraums, der auf Seiten eines Eingangsabschnitts der Stranggussform zum Aufnehmen des metallischen Werkstoffes liegt, eingeführt. Da das erzeugte Halbzeug an einem Ausgangsabschnitt der Stranggussform austritt, strömt die Kühlflüssigkeit zur Kühlung der Stranggussform im Kühlhohlraum in Flussrichtung des metallischen Werkstoffs entlang. Damit weist das Kühlmedium am Ort der höchsten Temperatur des Werkstoffes die größte Wärmeaufnahmekapazität auf. Die Wärmeaufnahmekapazität des Kühlmediums nimmt dann zusammen mit der Temperatur des Werkstoffes in Förderrichtung des Werkstoffes ab. Damit lässt sich eine besonders effiziente Wärmeübertragung von dem metallischen Werkstoff auf das Kühlmedium erzielen.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Kühlflüssigkeit in den Kühlhohlraum durch Bohrungen einer Außenwand des Kühlhohlraums eingespritzt wird. Dabei werden Sprühdüsen außenseitig an den Bohrungen befestigt. Alternativ können die Sprühdüsen an ihrer Vorderseite durch die Bohrungen der Außenseite des Kühlhohlraums hindurchreichende Rohransätze aufweisen. Diese werden vorteilhafterweise mit einer Schraubverbindung an der Außenseite des Kühlhohlraums befestigt, sodass die Kühlflüssigkeit ohne direkten Kontakt mit den Bohrungen in das Innere des Kühlhohlraums eingeführt werden kann. Damit können Thermospannungen zwischen der Düse und der Außenseite des Kühlhohlraums, die möglicherweise bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform mit an die Bohrungen angeschweißten Düsen auftreten, vermieden werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform wird die Kühlflüssigkeit unterhalb eines Eingangsabschnittes der Stranggussform zum Aufnehmen des metallischen Werkstoffes in den Kühlhohlraum eingeführt und strömt daraufhin entgegengesetzt zur Flussrichtung des metallischen Werkstoffes in der Stranggussform. Die entsprechende erfindungsgemäße Stranggießvorrichtung weist gemäß dieser Ausführungsform unterhalb des Eingangsabschnitts Kühlflüssigkeitseinführmittel zum Einführen von Kühlflüssigkeit in den Kühlhohlraum auf, wobei der Kühlhohlraum darauf ausgelegt ist, die Kühlflüssigkeit entgegengesetzt zur Flussrichtung des metallischen Werkstoffes zu führen. Vorzugsweise wird der bei der Kühlung entstehende Dampf überhitzt. Durch flexible Gestaltung von Verdampfungs-und Überhitzungszonen und durch die Wahl des Dampfdruckes können die Wärmeabfuhrprofile in Quer- und Längsrichtung gezielt beeinflusst werden, sodass eine Optimierung der Kühlungsparameter hinsichtlich Qualitäts- oder Durchsatzerhöhung des erzeugten Halbzeuges ermöglicht wird.
  • Vorzugsweise wird die Stranggussform weiterhin durch Überhitzung des mittels der Verdampfung entstehenden Dampfes gekühlt. Insbesondere für den Fall, in dem das Kühlmedium in Richtung der Förderung des metallischen Werkstoffs strömt, können die Druck- und Massenstromparameter so gewählt werden, dass an der Wandung neben einer Verdampfung auch unmittelbar eine gewisse Überhitzung stattfindet. Dies kann durch die Gestaltung der Wandung der Stranggussform und durch die Anordnung von Wasserdüsen unterstützt werden. Durch eine geeignete Anordnung bzw. Gestaltung kann auch eine nachteilige Vermischung von Kühlwasser mit überhitztem Dampf vermieden bzw. vermindert werden. Durch die Dampfüberhitzung wird die Effizienz des Wärmeentzugs aus dem metallischen Werkstoff weiter verbessert.
  • Die erfindungsgemäße Stranggießvorrichtung weist in einer vorteilhaften Ausführungsform eine Dampfturbine auf, welcher der durch die Verdampfung der Kühlflüssigkeit entstehende Dampf zum Erzeugen mechanischer und/oder elektrischer Energie zugeführt wird. Wie bereits vorstehend hinsichtlich des Herstellungsverfahrens ausgeführt, lässt sich damit die beim Stranggießen anfallende Abwärme zur Erzeugung elektrischer Energie nutzen, wodurch sich erhebliche Kosteneinsparungen für Stahlwerksbetreiber ergeben.
  • Vorteilhafterweise weist die Kühleinrichtung Sprühmittel, insbesondere eine Sprühdüse zum Aufsprühen der Kühlflüssigkeit auf eine Außenseite einer Wandung eines den metallischen Werkstoff führenden Kanals der Stranggussform auf. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Sprühmittel eine Sprühdüse mit einer an der Düsenspitze quer zur Sprührichtung und/oder parallel zu einer Wandung der Stranggussform angeordneten Schirmplatte aufweisen. Anschließend an die Schirmplatte weist die Sprühdüse zweckmäßigerweise eine Ummantelung auf. Mittels der Schirmplatte an der Düse kann eine Durchmischung von Kühlflüssigkeit mit dem durch Verdampfen an der Stranggussform entstandenen überhitzten Dampf vermieden werden. Dazu ist insbesondere die Stranggussform gegenüber der Sprühdüse in einem zu optimierenden Abstand anzuordnen.
  • Weiterhin kann durch das Aufsprühen der Kühlflüssigkeit auf die Außenseite der Kanalwandung mittels einer Sprühdüse die Kühlflüssigkeit gezielt auf bestimmte Bereiche der Stranggussform aufgesprüht werden. Damit lässt sich die Kühlung in bestimmten Bereichen des Halbzeuges intensivieren. So können etwa bei der Herstellung eines H-Profils die innenliegenden Kantenbereiche besonders intensiv gekühlt werden.
  • Eine alternative Lösung zur Vermeidung einer Durchmischung von Kühlflüssigkeit mit überhitztem Dampf sieht vor, dass eine Außenseite einer Wandung eines den metallischen Werkstoff führenden Kanals der Stranggussform mindestens eine Einsprühmulde aufweist, die von einer Sprühdüse in hinsichtlich einer Längsachse der Stranggussform schrägem Winkel angesprüht wird. Unter schrägem Winkel ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Ansprührichtung nicht senkrecht zur Außenseite der Wandung angeordnet ist, sondern jedenfalls eine tangentiale Komponente bezüglich der Wandung, insbesondere eine Komponente in Abströmrichtung des erzeugten Dampfes aufweist. Damit wird die eingesprühte Sprühflüssigkeit nicht zur Düse zurückgeworfen, sondern bewegt sich entlang der Mulde in Förderrichtung des Halbzeuges entlang. Vorteilhafterweise weist die Sprühdüse weiterhin am Flüssigkeitsaustritt einen Abschirmkegel zur Erzeugung eines gerichteten Sprühstrahls auf. Damit kann die Kühlflüssigkeit noch gezielter bezüglich ihrer Abströmrichtung kontrolliert werden, wodurch eine Durchmischung von Kühlflüssigkeit und überhitzten Dampf noch besser vermieden werden kann. In einer weiteren alternativen Ausführungsform zur Vermeidung einer Durchmischung der Kühlflüssigkeit mit überhitztem Dampf wird im Kühlhohlraum ein oberhalb des kritischen Druckes der Kühlflüssigkeit liegender Druck eingestellt. Oberhalb dieses Drucks nähern sich die Dichten der Kühlflüssigkeit in flüssigen und gasförmigen Zustand an, weshalb bei einer entsprechenden Wärmeaufnahme des Kühlmediums keine sprunghafte Volumenzunahme mehr stattfindet.
  • Da die Stranggussform verfahrensbedingt schwingungsfähig aufgehängt ist, ist es vorteilhaft, wenn eine die Stranggussform und die Dampfturbine verbindende Leitung vorgesehen ist, die zur Aufnahme von Schwingungen der Stranggussform flexibel ausgeführt ist. Alternativ kann die Dampfturbine ebenfalls schwingungsfähig befestigt werden und damit in gleicher Weise wie die Stranggussform schwingen.
  • Um ein stabiles Temperaturniveau in der Stranggussform zu gewährleisten, muss das Druckniveau möglichst konstant gehalten werden. Vorteilhafterweise ist die Dampfturbine deshalb mit einer Regelstufe versehen. Um die Verfügbarkeit des Stahlwerks zu maximieren, kann weiterhin eine Umleitstation vorgesehen werden, mit der der Dampf an der Dampfturbine vorbeigeführt werden kann, falls die Dampfqualität nicht ausreichend sein sollte oder die Dampfturbine nicht zur Verfügung steht.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Stranggussform derart geformt, dass ihre formgebende Oberfläche unter Berücksichtigung thermischer und elastischer Verformungen im Stranggussbetrieb eine an eine angestrebte Form des Halbzeuges angepasste Sollkontur aufweist. Mit anderen Worten ist die Formgebung der Stranggussform derart gestaltet, dass die thermischen und elastischen Verformungen des Betriebszustandes ausgeglichen/vorweggenommen werden. Insbesondere wird dazu die Innenwandung der Stranggussform an geeigneten Stellen abgearbeitet. Durch die thermischen und elastischen Verformungen im Betrieb nimmt die Innenwandung der Stranggussform die vor der Abarbeitung vorliegende Gestalt an.
  • In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform weist die Stranggussform einen Überhitzungsbereich auf, in dem der mittels der Verdampfung entstehende Dampf durch Überhitzung die Stranggussform weiterhin kühlt. Wie bereits bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt, wird damit eine optimale Wärmeabfuhr aus der Stranggussform ermöglicht. Da aber das Kühlmedium im Überhitzungsbereich im Vergleich zum Verdampfungsbereich eine geringere Wärmeaufnahmekapazität hat, ist es vorteilhaft, wenn der Überhitzungsbereich mit mindestens einer Rippe versehen ist. Damit wird die Kontaktfläche der Stranggussforminnenwandung mit dem Kühldampf entsprechend vergrößert.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Stranggießvorrichtung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines erfindungsgemä-ßen Wasserdampfkreislaufs mit einer Stranggussform,
    Fig. 2
    eine teilweise Schnittansicht der Stranggussform gemäß Fig. 1,
    Fig. 3a
    eine Veranschaulichung eines Aufsprühmusters auf eine Wandung der erfindungsgemäßen Stranggussform,
    Fig. 3b
    den Ausschnitt A gemäß Fig. 2 in einer erfindungsgemäßen alternativen Ausführungsform,
    Fig. 3c
    eine weitere alternative Ausführungsform der Stranggießvorrichtung hinsichtlich der verwendeten Einsprühmittel im Bereich A gemäß Fig. 2, sowie
    Fig. 3d
    eine darüber hinausgehend weitere alternative Ausführungsform gemäß der Erfindung im Bereich A gemäß Fig. 2.
  • Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Wasser/Dampf-Kreislaufs mit einer Stranggussform 10, die über eine Flüssigkeitszuleitung 12 mit einer Kühlflüssigkeit 36 versorgt wird und aus der über eine Dampfableitung 14 ein Kühldampf 38 abgezogen wird. An die Dampfabteilung 14 ist über ein Ventil 16 eine Dampfturbine 18 angeschlossen, die einen elektrischen Generator 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms antreibt. Der die Turbine 18 verlassende Dampf wird mittels eines Kondensators 22 in flüssige Form verwandelt und daraufhin von einer Speisewasserpumpe 24 über die Flüssigkeitszuleitung 12 wieder der Stranggussform 10 zugeführt.
  • Fig. 2 zeigt die Stranggussform 10 im Detail. Die Stranggussform 10 ist in Gestalt einer Kokille ausgeführt und weist einen Kanal 46 zum Verarbeiten eines metallischen Werkstoffes 26 auf. Der metallische Werkstoff 26 in Form von Stahl wird in flüssiger Form in einen Eingangsabschnitt 27 der Stranggussform 10 eingeführt und verlässt diese über einen Ausgangsabschnitt 29 als erstarrtes Halbzeug 28. Die Erstarrungsfront 30 des Halbzeuges 28 erstreckt sich dabei innerhalb der Wandung 44 des Kokillenkanals 46.
  • Während dem Betrieb der Stranggussform 10 wird die den Kokillenkanal 46 umgebende Wandung 44 kontinuierlich gekühlt. Dazu ist ein Kühlhohlraum 32 mantelartig um die Wandung 44 des Kokillenkanals 46 herum angeordnet. Der Kühlhohlraum 32 ist dabei von einer Außenwand 33 umgeben, welche mit Bohrungen 40 versehen ist, an denen gemäß der Ausführungsform nach Fig. 2 Zufuhrleitungen 42 zum Zuführen von Kühlflüssigkeit 36 in Form von Speisewasser angeschweißt sind. Die Bohrungen 40 wirken als Sprühmittel 34 in Gestalt von Sprühdüsen zum Besprühen der Wandung 44 des Kokillenkanals 46 im Bereich einer Aufsprühfläche 52 von außen her mit der Kühlflüssigkeit 36.
  • Um bestimmte Eigenschaften des metallischen Werkstoffes gezielt zu beeinflussen, können dabei bestimmte Bereiche des Werkstoffs gezielt intensiver und weniger intensiv gekühlt werden. Die Druck- und Massenstromparameter können so gewählt werden, dass an der Wandung 44 neben der Verdampfung auch unmittelbar eine gewisse Überhitzung stattfindet. Der überhitzte Dampf 38 strömt dann in den Kühlhohlraum 32 in Richtung einer Längsachse 66 der Stranggussform nach unten ab und verlässt diesen an geeigneter Stelle. In Fig. 2 ist der Verlauf der Innenseite der Wandung 44 des Kokillenkanals 46 im Betriebszustand der Stranggussform 10 mit durchgehender Linie gezeigt. Im kühlen Zustand weist die Wandung 44 einen mit unterbrochener Linie gezeigten Wandungsverlauf 48 auf, durch den der Kokillenkanal 46 erweitert wird. Die Formgebung des Kokillenkanals 46 ist damit derart, dass die thermischen und elastischen Verformungen des Betriebszustandes ausgeglichen bzw. vorweggenommen werden. Die Kühlflüssigkeit 36 kann nach dem Verdampfen auf der Aufsprühfläche 52 der Wandung 44 auch erst in einem Überhitzungsbereich überhitzt werden. In diesem Bereich sind Rippen 50 zur Kompensierung des dort kleineren Wärmeübergangs vorgesehen.
  • Fig. 3a zeigt eine Anordnung von Einzelsprühflächen 37, die von einzelnen als Sprühdüsen ausgeführten Sprühmitteln 34 auf der Aufsprühfläche 52 der Wandung 44 erzeugte werden. Die Anordnung der in Fig. 3a gezeigten Einzeldüsensprühflächen 37 bildet ein bevorzugtes Düsenmuster der Sprühdüsen 34.
  • Fig. 3b zeigt eine alternative Gestaltung der Sprühmittel 34. Anstatt Zufuhrleitungen 42, wie in der Ausführungsform gemäß Fig. 2 an der Außenwand 33 des Kühlhohlraums 32 anzuschweißen, werden die Düsen 54 gemäß Fig. 3b in die Bohrungen 40 eingesetzt. Dazu weisen die Düsen 54 jeweils einen Ringflansch zur Anlage an der Außenwand 33 auf. An dieser werden die Düsen 54 mit einer geeigneten Schraubverbindung befestigt.
  • Fig. 3c zeigt eine alternative Sprühmittelanordnung zur Vermeidung einer Durchmischung von Kühlflüssigkeit mit überhitztem Dampf. Dazu weisen die Sprühmittel 34 an der Düsenspitze eine Ummantelung 60 sowie eine Schirmplatte 58 auf. Der an der Aufsprühfläche 52 der Wandung 44 gebildete Kühldampf wird bei dieser Gestaltung daran gehindert, wieder in die Sprühdüse einzudringen.
  • Eine weitere alternative Ausführungsform der Sprühmittel 34 sowie eine daran angepasste Formgebung der diesen zugewandten Seite der Wandung 44 ist in Fig. 3d dargestellt. Dabei ist die Zufuhrleitung 42 zum Zuführen der Kühlflüssigkeit 36 an ihrer Spitze mit einem Abschirmkegel 62 versehen und derart ausgerichtet, dass die Kühlflüssigkeit 36 in Strömungsrichtung des metallischen Werkstoffes eingesprüht wird. An der Wandung 44 sind Einsprühmulden 64 ausgebildet, mittels denen der entstehende Kühldampf in Förderrichtung des metallischen Werkstoffes 26 abgeleitet wird.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Halbzeuges (28) aus einem metallischen Werkstoff (26) durch Stranggießen des metallischen Werkstoffes (26) in einer Stranggussform (10) unter gleichzeitiger Kühlung der Stranggussform (10),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kühlung der Stranggussform (10) mittels einem Verdampfen einer Kühlflüssigkeit (36) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der durch die Verdampfung der Kühlflüssigkeit (36) entstehende Dampf (38) einer Dampfturbine (18) zum Erzeugen mechanischer und/oder elektrischer Energie zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Kühlung der Stranggussform (10) die Kühlflüssigkeit (36) auf eine Außenseite einer Wandung (44) eines den metallischen Werkstoff (26) führenden Kanals (46) der Stranggussform (10) aufgesprüht wird.
  4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kühlflüssigkeit (36) gezielt auf mindestens einen Hauptkühlbereich (52) der Stranggussform (10) aufgesprüht wird.
  5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Kühlung der Stranggussform (10) die Kühlflüssigkeit (36) in einen Kühlhohlraum (32),
    welcher einen den metallischen Werkstoff (26) führenden Kanal (46) der Stranggussform (10) umgibt,
    insbesondere in einen Bereich des Kühlhohlraums (32), der auf Seiten eines Eingangsabschnitts (27) der Stranggussform (10) zum Aufnehmen des metallischen Werkstoffes (26) liegt,
    eingeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kühlflüssigkeit (36) unterhalb eines Eingangsabschnitts (27) der Stranggussform (10) zum Aufnehmen des metallischen Werkstoffes (26) in den Kühlhohlraum (32) eingeführt wird und daraufhin entgegengesetzt zur Flussrichtung des metallischen Werkstoffes (26) in der Stranggussform (10) strömt.
  7. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Stranggussform (10) weiterhin durch Überhitzung des mittels der Verdampfung entstehenden Dampfes (38) gekühlt wird.
  8. Stranggießvorrichtung zum Herstellen eines Halbzeuges (28) aus einem metallischen Werkstoff (26) mit einer Stranggussform (10) zum Stranggießen des Werkstoffes (26) sowie einer Kühleinrichtung (32, 34) zum Kühlen der Stranggussform (10) während dem Stranggießen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kühleinrichtung (32, 34) darauf ausgelegt ist, die Kühlung der Stranggussform (10) mittels Verdampfung einer Kühlflüssigkeit (36) zu bewirken.
  9. Stranggießvorrichtung nach Anspruch 8,
    gekennzeichnet durch
    eine Dampfturbine (18), welcher der durch die Verdampfung der Kühlflüssigkeit (36) entstehende Dampf (38) zum Erzeugen mechanischer und/oder elektrischer Energie zugeführt wird.
  10. Stranggießvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kühleinrichtung (32, 34) Sprühmittel (34), insbesondere eine Sprühdüse,
    zum Aufsprühen der Kühlflüssigkeit (36) auf eine Außenseite einer Wandung (44) eines den metallischen Werkstoff (26) führenden Kanals (46) der Stranggussform (10) aufweist.
  11. Stranggießvorrichtung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Sprühmittel (34) eine Sprühdüse mit einer an der Düsenspitze quer zur Sprührichtung und/oder parallel zu einer Wandung (44) der Stranggussform angeordneten Schirmplatte (58) aufweisen.
  12. Stranggießvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Außenseite einer Wandung (44) eines den metallischen Werkstoff (26) führenden Kanals (46) der Stranggussform (10) mindestens eine Einsprühmulde (64) aufweist,
    die von einer Sprühdüse (42, 62) in hinsichtlich einer Längsachse (66) der Stranggussform (10) schrägem Winkel angesprüht wird.
  13. Stranggießvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
    gekennzeichnet durch
    eine die Stranggussform (10) und die Dampfturbine (18) verbindende Leitung (12, 14), die zur Aufnahme von Schwingungen der Stranggussform (10) flexibel ausgeführt ist.
  14. Stranggießvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Dampfturbine (18) eine Regelstufe aufweist.
  15. Stranggießvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Stranggussform (10) derart geformt ist, dass ihr Wandungsverlauf (48) unter Berücksichtigung thermischer und elastischer Verformungen im Stranggussbetrieb eine an eine angestrebte Form des Halbzeuges (28) angepasste Sollkontur aufweist.
  16. Stranggießvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Stranggussform (10) einen Überhitzungsbereich aufweist, in dem der mittels der Verdampfung entstehende Dampf (38) durch Überhitzung die Stranggussform (10) weiterhin kühlt.
  17. Stranggießvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Überhitzungsbereich mit mindestens einer Rippe (50) versehen ist.
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