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Dokumentenidentifikation DE19722877C2 09.09.1999
Titel Flüssigkeitsgekühlte Stranggießkokille
Anmelder SMS Schloemann-Siemag AG, 40237 Düsseldorf, DE
Erfinder Pleschiutschnigg, Fritz-Peter, Prof.Dr.-Ing., 47269 Duisburg, DE
Vertreter Hemmerich, Müller & Partner, 57072 Siegen
DE-Anmeldedatum 31.05.1997
DE-Aktenzeichen 19722877
Offenlegungstag 03.12.1998
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.09.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.09.1999
IPC-Hauptklasse B22D 11/22
IPC-Nebenklasse B22D 11/04   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Stranggießkokille mit von einander unabhängigen Kokillenwänden aus Kupferplatten.

Beim Stranggießen von Stahl in flüssigkeitsgekühlten Plattenkokillen, insbesondere zur Erzeugung von Dünnbrammen aus Stahl mit Strangdicken zwischen 150 und 40 mm bei vergleichsweise hohen Gießgeschwindigkeiten unter Einsatz von mindestens einem Tauchrohr wird innerhalb der Kokille im Bereich der Kokillenmündung aufgrund der vergleichsweise geringen Wärmeleitfähigkeit des Stahls zunächst nur eine dünne, aus erstarrter Schmelze bestehende und infolge ihrer noch sehr hohen Temperatur relativ nachgiebige Strangschale gebildet. Weil diese innerhalb der Kokille und nach Austritt aus der Kokille dem ferrostatischen Druck der in ihrem Innern noch flüssigen Schmelze standhalten muß, ist es erforderlich, daß die entstehende Strangschale über den Umfang eine möglichst gleichmäßige Dicke besitzt. Ihre Ausbildung hängt von einer Reihe zusammenwirkender Faktoren ab, wie bspw. Gießgeschwindigkeit, Stahltemperatur, Werkstoff, Stranggeometrie, Tauchausgußform, Konizität der Kokille sowie von der Art und Zusammensetzung eines schlackenbildenden Schmiermittels, das, auf den Gießspiegel aufgebracht, die unvermeidliche Reibung zwischen Strangschale und Kokille reduzieren soll. Besonders wichtig ist hierbei eine gleichmäßige Verteilung des Schmiermittels im Bereich der Kokillenwände, wobei dieses in Form eines sogenannten Gießpulvers auf den Gießspiegel aufgebracht, dabei geschmolzen und durch Oszillationsbewegungen des flüssigen Stahls zwischen diesen und die Kokillenwände gelangt. Eine möglichst gleichmäßige Ausbreitung des Schmiermittels zwischen der sich bildenden Strangschale und den Kokillenwänden ist im Zusammenhang mit den Wärmeübergangsverhältnissen zwischen der Strangschale und der Kokillenwand von besonderer Bedeutung. Durch sorgfältige Temperaturmessungen im Bereich der Kokillenwände lassen sich Rückschlüsse über die Verteilung der Wärmeströme, insbesondere über die Kokillenbreite ziehen. Dies ist wichtig, weil für ein sicheres Gießen von Brammen und speziell von Dünnbrammen der eingangs genannten Art die Kenntnis spezifischer Wärmeübergänge der Kokillenbreitseiten und insbesondere in der Brammenmitte im Bereich des Tauchrohres von besonderer Bedeutung ist. Damit können Störungen rechtzeitig vermieden oder ihnen entgegengewirkt werden, welche bspw. durch vom Tauchausguß verursachte Strömungsanomalitäten, ungleiche Dicke des Schmierfilms von Gießschlacke, hohe Membranwirkung der Strangschale insbesondere in der Brammenmitte, Turbulenzen des Gießspiegels über die Brammenbreite hervorgerufen werden. Ebenso lassen sich Folgen eines ungleichförmigen Wärmedurchgangs bedingt bspw. durch Turbulenzen des Stahls in der Kokille durch eine Temperaturmessung rechtzeitig erkennen. Dies ist von besonderer Bedeutung, weil durch die genannten Anomalitäten im Gießprozeß, insbesondere eine mögliche Abweichung der Strangschalenbildung von der Kokillenmitte Längsrisse in der Strangoberfläche bis hin zu Durchbrüchen, sogenannten Klebern, zur Folge haben können. Zugleich mit solchen Störungen an der Strangschale treten entsprechende thermische partielle Belastungen der Kupferplatten auf, die zur Verringerung der Standzeit der Kokille führen.

Beim Stand der Technik ist aus der DE 24 15 224 C3 eine Plattenkokille für Brammen bekannt, deren Kokillenwände Kühlkammern aufweisen, die jeweils abgegrenzte Kühlbereiche umfassen. An die Zu- und Abflußleitungen für Kühlwasser der Breitseitenwände sind Meßglieder zur Bestimmung der abgeführten Wärmemenge bzw. der Kühlleistungen angeordnet. Mit Hilfe dieser Meßglieder wird ein Durchschnittswert der Kühlleistung der Kühlkammern errechnet, welcher einem Durchschnittsbildner zugeleitet wird, mit dem die Konizität der Schmalseiten gesteuert wird.

Aus der DE 41 17 073 C2 ist es bekannt, mit Hilfe von kalorimetrischen Messungen an einer rechteckigen oder bombierten Dünnbrammenkokille den integralen und spezifischen Wärmetransport an jeder einzelnen Kupferplatte zu bestimmen. Ein Online-Vergleich der spezifischen Wärmeströme von der dem Stahl zugewandten Kupferplattenseite zur wassergekühlten Seite speziell der Schmalseiten, mit denen der zwei Breitseiten, ermöglicht eine Regelung der Schmalseitenkonizität unabhängig von den im einzelnen gewählten Gießparametern.

Von Nachteil ist hierbei, daß bei den genannten Kokillen differenzierte Angaben über die partiellen Wärmeströme entlang der Kokillenbreite nicht gemacht werden. Dies ist auch deshalb nachteilig, weil für ein sicheres Gießen von Brammen und speziell von Dünnbrammen bei vergleichsweise hohen Gießgeschwindigkeiten eine Ermittlung differenzierter spezifischer Wärmeübergänge im Bereich der Breitseiten und besonders in der Brammenmitte im Bereich des Tauchrohres nicht vorgenommen wird. Nur bei Kenntnis dieser spezifischen Wärmeübergänge kann eine Einregulierung der Wärmeströme über die gesamte Kokillenbreitseite und damit über die gesamte Brammenseite erreicht werden, um Störungen insbesondere durch ungleichförmige Ausbildung der Strangschale zu vermeiden.

Um günstige Voraussetzungen für das Gießen von Dünnbrammen zu schaffen, wurde aus der DE 195 29 931 C1 eine Plattenkokille mit wassergekühlten, zwischen Breitseitenwänden einklemmbaren Schmalseitenwänden bekannt, mit Einrichtungen zum Verstellen des formgebenden Hohlraums an verschiedene Strangabmessungen sowie des Gießkonus, mit einer Oszillationseinrichtung. Bei dieser Kokille weisen die Breitseitenwände mindestens drei nebeneinanderliegende und voneinander unabhängige Kühlsegmente auf, wobei diese symmetrisch zur Mittenachse aufgeteilt sind und im Bereich der Kokillenausmündung gesonderte Anschlüsse zur unabhängigen Zufuhr eines flüssigen Kühlmediums besitzen. In der dem Strang zugewandten Wandung der Kammern sind Temperaturfühler vorgesehen, mit denen die Temperaturdifferenz zwischen einzelnen Kammern bzw. Zonen erfaßt werden können. Die Kühlwassertemperatur einer Kokillenwand wird an einer Stelle im Bereich der Ablauföffnungen einer Kupferplatte und dem zugeordneten Wasserkasten gemessen. Die Temperaturmeßwerte der Kokillenwand und des Kühlwassers werden einem Regler zur Veränderung der Konizität der Kokillenschmalseiten bzw. zur Veränderung der Kokillenoszillation aufgeschaltet.

Diese Aufteilung in separate Kammern oder Zonen hat aber auch den Nachteil, daß sich beiderseits von Trennstegen benachbarter Kammern oder Zonen erheblich unterschiedliche Temperaturströmungen ausbilden können, die nur mit vergleichsweise längerer Zeitverzögerung einander angeglichen werden können. Eine feinfühlige Erfassung partieller Wärmeströme bzw. Wärmestromdifferenzen bspw. über die Gesamtbreite einer Kokillenseitenwand ist bei der bekannten Ausbildung der Kühlsegmente nicht zufriedenstellend möglich.

Aus der DE 34 23 475 A1 ist eine Strangießkokille mit Breitseitenwänden und verstellbaren Schmalseitenwänden aus Kupferplatten bekannt, bei der Thermoelemente ausschließlich in den Schmalseitenwänden über deren Höhe angeordnet sein sollen und die Temperatur- Meßwerte zur Steuerung der Gießparameter wie Oszillation, Hubhöhe, Frequenz und Gießpulvereigenschaften verwendet wurden.

Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Strangießkokille anzugeben, welche geeignet ist, im Innern der Kokille in der Schmelze sich ausbildende Wärmeströme mittels feinfühliger, differenzierter Messungen der mit diesen korrespondierenden Wärmeströme des die Kokillenwände durchströmenden Kühlwasser möglichst zeitverzögerungslos zu erfassen, um daraus rechtzeitig Regelimpulse zur Ausregelung unerwünschter Wärmeaustauschverhältnisse, insbesondere hinsichtlich der Ausbildung der Strangschale im Bereich der Kokillenwände abzuleiten.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Stranggießkokille mit von einander unabhängigen Kokillenwänden aus Kupferplatten, wobei im unteren Bereich der Breitseitenwand der Kokille der Zulauf von Kühlwasser und im oberen Bereich der Breitseitenwand der Ablauf von Kühlwasser angeordnet ist, wobei in dichter Folge und jeweils in einer vertikalen Ebene Kühlkanäle mit Zulaufbohrungen und Ablaufbohrungen angeordnet sind, wobei die Zulaufbohrungen zusammenwirkend den Wasserzulauf des Kühlwasserstromes in die Kühlkanäle der Kokillenwand bilden, während die Summe der Ablaufbohrungen zusammengenommen den Wasserablauf bilden, und im Kühlwasserzulauf wenigstens ein Temperaturfühler und ein Geber für die Zulaufmenge pro Zeiteinheit angeordnet ist und wobei ferner im Wasserablaufbereich zwischen einer Kupferplatte und den Kühlwasserablauföffnungen des Wasserkastens insbesondere pro Breitseitenplatte mindestens an zwei Stellen Temperaturfühler angeordnet sind, deren Signalleitungen zusammen mit den Signalleitungen der Temperaturfühler des Wasserzulaufs an einen Rechner, bevorzugt mit einem Online-Bildschirm, angeschlossen sind.

Die erfindungsgemäße Kokille ermöglicht eine differenzierte Aussage über die Verteilung partieller Wärmeströme entlang der Kokillenbreite und somit eine einfache und sichere Temperaturführung der wandnahen Wärmeströme der Schmelze innerhalb der Kokille einschließlich der Breitseitenmitte im Bereich des Tauchrohres bzw. des Tauchausgusses. Zugleich wird ermöglicht, entlang der Breite einer Kokille und insbesondere im Bereich des Tauchausgusses im Vergleich zu den übrigen Flächenteilen der Breitseiten sowie zu den Schmalseiten eine äußerst feinfühlige und gleichförmige Kühlleistung einzustellen und damit Störungen zu vermeiden, die bspw. strömungsschattenbedingt durch den Tauchausguß, durch ungleichförmige Schmierfilmdicke, hohe Membranwirkung der Strangschale in der Brammenmitte und durch Turbulenzen des Gießspiegels über die Brammenbreite hervorgerufen werden können.

Wesentlich ist hierbei die Maßnahme, daß die partiellen oder integralen Wärmeströme des Kühlwassers oder der Schmelze über die Kokillenbreite in Form von Temperaturprofilen sichtbar gemacht werden. Diese Maßnahme gestattet dem Gießer einen unmittelbaren Überblick über die verschiedenen Wärmeströme und insbesondere deren zeitliche Änderung und ermöglicht einen sofortigen Eingriff bei offensichtlich erkennbaren Störungen. Außerdem können Grenzwerte erarbeitet werden, die für eine Durchbruchvermeidung genutzt werden können. Besonders vorteilhaft ist es, daß die Temperaturprofile von Kühlwasser oder Schmelze auf einem Online-Bildschirm sichtbar gemacht werden.

Weitere Ausgestaltungen der Kokille sind entsprechend den Unteransprüchen vorgesehen.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Wasserablauföffnungen zwischen Kupferplatte und Wasserkasten in der Kokillenbreite gleichmäßig verteilt angeordnet und jeweils für den Durchtritt einer konstanten, gleichen Wassermenge ausgebildet.

Die Stranggießkokille nach der Erfindung ist sowohl für die Erzeugung von Dünnbrammen aus Stahl mit Strangdicken zwischen vorzugsweise 40 und 150 mm bei vergleichsweise hohen Gießgeschwindigkeiten als auch für Knüppelkokillen zum Stranggießen von rechteck- oder rundformatigen Stranggießprofilen vorgesehen.

Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles. Es zeigen:

Fig. 1 im Querschnitt einen Teil einer Kokillen-Längswand mit zugeordnetem Wasserkasten und Anordnung einer Thermokupplung mit Wärmefühlern;

Fig. 2 eine Ansicht einer Kokillen-Breitseitenwand mit Anordnung von Kühlwasser-Temperatur-Meßeinrichtungen im Bereich des Wasserzulaufs sowie im Bereich des Wasserablaufs, teilweise im Schnitt;

Fig. 3 mehrere Temperaturprofile entlang einer Breitseite einer Kokille im Vergleich mit in Zeitintervallen gewonnen Temperaturprofilen.

Fig. 1 zeigt eine aus Kupfer bestehende Kokillen-Breitseitenwand 1 mit einem dem Metallschmelzbad 2 zugewandten Flächenteil 3. In der massiven Wand aus Kupfer sind in dichter Folge Kühlmittelbohrungen 4 angeordnet, die von unten nach oben mit Kühlwasser zwangsdurchströmt sind. Diese münden an der oberen Seite in einen Sammelkanal 10, welcher mittels Ablaufbohrungen 5 in einen Wasserkasten 7 überleitet. Dieser ist mit den plattenförmigen Elementen 6 und 11 des Wasserkastens 7 ausgebildet.

Im Bereich der Ablaufbohrung 5 befindet sich eine Thermokupplung 8 in Form eines kupfernen Längssteges mit Kanälen zur Aufnahme der zu den einzelnen Thermofühlern 20 (Fig. 2) führenden Signalleitungen 9. Die Thermokupplung kann bspw. eine selbstständige Baugruppe sein, welche die einzelnen Thermofühler 20 mit ihren Signalleitungen 9 aufnimmt. Sie kann mit Silicone vom Typ TP 100 im Eckbereich des Wandteils 6 in der Art befestigt sein, daß sie mit mindestens zwei Flächen im Strömungsbereich der Kühlflüssigkeit liegt. Auch kann pro Meßstelle eine Bohrung durch den Wasserkasten im oberen Bereich eingebracht werden, die dann von außen mit einem Meßfühler versehen werden kann.

Fig. 2 zeigt das Flächenteil 3 einer Plattenkokille mit einer erfindungsgemäßen Vielzahl von Kühlwasserablaufbohrungen 5 im oberen Bereich der Breitseitenwand 1 in horizontaler Projektion zu beiden Seiten des Tauchrohres 21. Im unteren Bereich der Breitseitenwand 1 befinden sich für den Zulauf von Kühlwasser in dichter Folge und jeweils in einer vertikalen Ebene mit den Ablaufbohrungen 5 Zulaufbohrungen 15, ebenfalls zu beiden Seiten der Kokillenwand-Mittelebene v-v. Die Bohrungen 15 bilden zusammenwirkend den Wasserzulauf 24 des Kühlwasserstromes in die Kühlkanäle 4 der Kokillenwand 1, während die Summe der Ablaufbohrungen 5 zusammen genommen den Wasserablauf 25 bilden. Je rechts und links von der Mittelebene v-v befinden sich die den seitlichen Abschluß der Breitseitenwand 1 bildenden Schmalseitenwände 22 und 23. Zwischen jeweils zwei Wasserablaufbohrungen 5 ist der Thermofühler 20 installiert. Dabei bilden jeweils zwei nebeneinander angeordnete Wasserablaufbohrungen 5 mit zwei in gleicher vertikaler Ebene angeordneten Wasserzulaufbohrungen 15 jeweils ein Strömungsfeld A, B, C, D bzw. A', B', C', D'.

Fig. 3 zeigt ein dreidimensionales Diagramm mit der Darstellung von Temperaturprofilen, gemessen jeweils über die Breite A' bis D einer Brammenkokillenplatte mit bspw. vier zeitlich auseinanderliegenden und miteinander zu vergleichenden Temperaturprofilen in zeitlichen Abständen von je zehn Zeiteinheiten entsprechend der Zeitachse Z. Die Breite der Kokillenplatte ist an der Abszisse x-x und der Wert des gemessenen Wärmetransportes auf der Ordinate Y aufgetragen. Die Darstellung entspricht bspw. einem Diagramm auf dem Bildschirm des Rechners und ermöglicht eine sofortige Auswertung bzw. Ausregelung im Falle eines Abweichens von einem vorgegebenen Temperaturprofil.

Bezugszeichenliste

1Breitseitenwand

2Stahl-Schmelzenbad

3Wandseite/Flächenteil

4Kühlwasser-Bohrung

5Kühlwasser-Ablaufbohrung

6Platten-Element

7Wasserkasten

8Thermokupplung

9Signalleitung

10Sammelkanal

11Platten-Element

15Zulaufbohrungen

20Thermofühler

21Tauchrohr

22Schmalseitenwände

23Schmalseitenwände

24Wasserzulauf

25Wasserablauf


Anspruch[de]
  1. 1. Flüssigkeitsgekühlte Stranggießkokille mit von einander unabhängigen Kokillenwänden aus Kupferplatten, wobei im unteren Bereich der Breitseitenwand der Kokille der Zulauf (24) von Kühlwasser und im oberen Bereich der Breitseitenwand der Ablauf (25) von Kühlwasser angeordnet ist, wobei in dichter Folge und jeweils in einer vertikalen Ebene Kühlkanäle (4) mit Zulaufbohrungen (15) und Ablaufbohrungen (5) angeordnet sind, wobei die Zulaufbohrungen zusammenwirkend den Wasserzulauf (24) des Kühlwasserstromes in die Kühlkanäle (4) der Kokillenwand bilden, während die Summe der Ablaufbohrungen (5) zusammen den Wasserablauf (25) bilden und im Kühlwasserzulauf (24) wenigstens ein Temperaturfühler und ein Geber für die Zulaufmenge pro Zeiteinheit angeordnet ist und wobei ferner im Wasserablaufbereich zwischen einer Kupferplatte (1) und den Kühlwasser-Ablauföffnungen (5) des Wasserkastens (7) pro Breitseitenplatte mindestens an zwei Stellen Temperaturfühler (20) angeordnet sind, deren Signalleitungen zusammen mit den Signalleitungen der Temperaturfühler des Wasserzulaufs an einen Rechner mit einem Online-Bildschirm angeschlossen sind.
  2. 2. Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

    daß im Bereich wenigstens jeder zweiten Ablauföffnung (5) ein Temperaturfühler enthaltendes Thermo-Kupplungsglied angeordnet und bevorzugt mit Silicone vom Typ TP 100 befestigt ist oder

    daß je Thermofühler eine Bohrung in den Wasserkasten im Bereich der Ablaufbohrung (5) eingebracht wird, die von außen mit einem Thermofühler versehen werden kann.
  3. 3. Kokille nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Temperaturfühler (9) symmetrisch zur Mittenachse jeder Kokillenbreitseite (1) sowie in Gießrichtung angeordnet sind.
  4. 4. Kokille nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlwasserablauföffnungen (5) gleichmäßig über die Breite der Breitseitenwände (1) verteilt sind und jeweils zwischen zwei Ablauföffnungen (5) ein Temperaturfühler installiert ist.
  5. 5. Kokille nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserablauföffnungen (5) zwischen Kupferplatte (1) und Wasserkasten (7) in der Kokillenbreite gleichmäßig verteilt angeordnet und jeweils für den Durchtritt einer konstanten, gleichen Wassermenge ausgebildet sind.






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