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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen von breiten Giesssträngen aus Metall, insbesondere Stahl, in der Sekundär-Kühlzone mittels auf die Strangoberfläche gerichtete Kühlwasserstrahlen, die über die Strangbreite und Stranglänge verteilt mit zu den Randbereichen des Giessstranges hin verringerter Kühlwirkung auftreffen.
Es ist bekannt, beim Stranggiessen von Walzbarren rechteckigen Querschnitts eine verschieden starke Kühlung des Blockes anzustreben und z. B. die Wärmeabfuhr nach dessen Schmalseiten hin, insbesondere an den Ecken und Kanten, zu vermindern. Damit soll jedoch nur die Wärmeabfuhr um den Gesamtumfang des Blocks herum möglichst egalisiert werden, da die Schmalseiten sowie die Ecken bzw. Kanten die Wärme aus geometrischen Gründen leichter abgeben als die Breitseiten. So wird in der deutschen Auslegeschrift Nr. 1041654 zur Kühlung eines rechteckigen oder polygonalen Gussstranges vorgeschlagen, dass die Kühlmittelmenge ausschliesslich oder vorwiegend nur an den ebenen Flächen des Strangquerschnittes zur Einwirkung gelangen soll.
Um einen über die Breite einer Bramme hinweg differenzierten Kühleffekt zu erreichen, wird mit der österr. Patentschrift Nr. 228419 vorgeschlagen, das Kühlmedium über Versorgerleitungen nach Massgabe der gewünschten Kühlwirkung mehreren Gruppen von Düsen zuzuführen, die sich aus mindestens je einer Düse aus mindestens zwei Ebenen einer Vorrichtung zusammengesetzt, die in mehreren Ebenen je mehrere Düsen besitzt, wobei die Folge der Düsen einer Gruppe zyklisch durch Düsen mindestens einer andern Gruppe unterbrochen ist.
Hiebei ist somit die Kühlwirkung in einander benachbarten Querschnittsbereichen unterschiedlich. Dieser Umstand kann die Regelmässigkeit des Gefüges bei grossen Strangquerschnitten negativ beeinflussen, weil dann die Stranggeschwindigkeit sehr gering ist und folglich jede der unterschiedlichen Kühlebenen von der jeweiligen Strang-Querschnittsebene auf relativ lange Dauer unterwandert wird. Ausserdem ergibt die Vielzahl der sich zwangsläufig miteinander kreuzenden Versorgungsrohre eine gitterartige sperrige Kühlvorrichtung. Eine solche Vorrichtung ist schwer zugänglich. Das hat zur Folge, dass verstopfte Düsen über einen längeren Zeitraum verstopft bleiben.
Die entlang der Begrenzungslinie eines horizontalen Strangquerschnitts ungleichmässige Kühlung wird durch die österr. Patentschrift Nr. 181382 auch für stranggegossene Rundbarren vorgeschlagen. Hiezu sind den Rundbarren umgebende Spritzringe vorgesehen, mit in unterschiedlichen Abständen voneinander befindlichen Düsenöffnungen und/oder mit unterschiedlich grossen Düsenöffnungen. Durch verschiedene Neigung der Düsen kann auch erreicht werden, dass die Kühlung um den Umfang herum in verschiedener Höhe einsetzt. Bei Rundbarren verfolgt diese Kühlmethode das Ziel, den flüssigen Kern des Stranges aus der Strangmitte zu verlagern, um dann die Kühlung des flüssigen Teils umso leichter-also auf kürzerem Wege-durchführen zu können.
Durch die österr. Patentschrift Nr. 265550 ist es bekannt, Sprühstrahlen zwecks Oberflächenkühlens von Stranggiessbrammen kegelförmig auszubilden, wobei die Auftrefffläche eine Ellipse bildet. Zur Abfuhr der aus dem Stranginneren an die Oberfläche strömenden Wärmemenge bedeckt man die Strangbreite mit einer Vielzahl solcher elliptischer Auftreffflächen. Die Grundform der Ellipse sowie die innerhalb der Sprühkegel herrschenden Druckverhältnisse bedingen einzelne Ebenen, d. h. über die Strangbreite nebeneinanderliegende Auftreff-Ellipsen.
Um eine zusammenhängende Sprühfläche zu schaffen, können die Ellipsen entweder sich überschneidend angewendet werden oder mit Abstand. Die durch den Abstand gegebenen Zwischenräume lassen sich durch Anordnung einer zweiten Ellipsenreihe überdecken, wobei eine nachfolgende Reihe die Zwischenräume der ersten Reihe ausfüllt. Allerdings entsteht hiedurch eine Abkühlung, die, für eine Strangquerschnittsebene betrachtet. immer noch recht ungleichmässig erfolgt. Zwar können mehrere parallele Ellipsen-Reihen in Stranglaufrichtung dicht aneinandergesetzt werden, jedoch bleibt der Mangel der zeitlich unterschiedlichen Kühlung einer ausgewählten Oberflächenstelle bestehen. Beim Brammensträngen liegt eine minimale Stranggeschwindigkeit vor, so dass ein zu kühlender Querschnittsstreifen in Längsrichtung beträchtlich später einer erneuten Kühlung unterzogen wird.
Ein solches Kühlverfahrens lässt demnach das Einhalten von bestimmten Abkühlungskurven mit einer gewünschten Gefügebildung wenig vorteilhaft erscheinen. Bei der Herstellung von Stranggiessbrammenmaterial ohne Innen- und Aussenrisse für die unterschiedlichsten Materialqualitäten muss das Besprühen der Strangoberfläche in der Sekundärkühlzone genau geregelt werden. Theoretisch ist anerkannt, die Temperatur an der Oberfläche der Bramme vom Auslauf aus der Durchlaufkokille bis zur Beendigung der Erstarrung allmählich und linear zu vermindern. Die Temperatur der Oberfläche am Ende der Erstarrung soll nicht unter 750 bis 8000C liegen. Ausnahmen hievon bilden austenitische Stähle, die auf niedrigere Temperaturen abgekühlt werden können, ohne Schaden zu erleiden.
Eine nicht zu umgehende Schwierigkeit liegt für ein optimales Kühlverfahren im Sprung des Wärmeübergangs-Koeffizienten zwischen demjenigen innerhalb der Durchlaufkokille und dem Beginn der Sekundärkühlzone. Während innerhalb der Durchlaufkokille zirka 500 bis 700 kcal/m2 h C abgeführt werden, beträgt im allgemeinen der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Brammenoberfläche und Wasser am Anfang der Sekundärkühlzone nur 300 kcal/m2 h C, hingegen am Ende der Zone zirka 800 kcal/m2 h C. Die schwierigen Wärmeübergangsverhältnisse bilden daher einen bis zur Zeit ungelösten Komplex des Kühlverfahrens.
Allen vorstehend beschriebenen Kühlsystemen ist eigen, dass sie konventionelle Düsen verwenden. Die von diesen Düsen erzeugten Strahlen haben einen kreisrunden oder ellipsenförmigen Auftreffbereich. Bekanntlich ist die Dichte solcher Strahlen nicht gleichmässig, sondern nimmt zum Zentrum derart ab, dass der Auftreffbereich
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eher ringförmig ist. Überschneiden sich theoretisch solche Auftreffbereiche, so ergibt sich eher eine schlechtere als bessere Kühlung, weil praktisch keine Überschneidung der Strahlen vorhanden ist, sondern infolge deren Kollision ihre kinetische Energie so vermindert wird, dass das Wasser fast nur noch mit seiner Fallkraft auftrifft. Ausserdem ist die Kühlung mit Sprühstrahlen nicht besonders intensiv.
Sobald nämlich die Intensität der Kühlung ein gewisses Mass unterschreitet, überwiegt die Bildung von Dampf, der gegen eine weitere Wärmeabfuhr auf dem Giessstrang isoliert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfache Vorrichtung zum Kühlen breiter Giessstränge zu schaffen, mit der ein über die Strangbreite gleichmässiges Abkühlen erreichbar ist u. zw. in der Weise, dass auch bei sehr geringer Stranggeschwindigkeit ein über die Stranglänge gleichmässiges Gefüge erzielt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird für eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäss vorgeschlagen, an jeder Strangbreitseite je eine mittig zur Strangbreite liegende Kühlwasserleitung mit in untereinanderliegenden zum Strang senkrechten Ebenen angeordneten, jeweils einen zusammenhängenden einzigen und den Strang in voller Breite treffenden Kühlwasserstrahl erzeugenden Flachstrahldüsen vorzusehen.
Damit ist eine Kühlvorrichtung gewonnen, die trotz ihrer sehr einfachen Bauart eine sehr intensive, über die Giessstrangbreite hinweg nach den Kanten hin sich im gewünschten Masse vermindernde Kühlung ermöglicht.
Die Flachstrahldüse erzeugt einen sich fächerförmig verbreiternden dichten Strahl, der auf den Mittenbereich des Stranges mit erheblich grösserer kinetischer Energie auftrifft als auf die Randbereiche. Somit nimmt die Kühlwirkung des Strahls zu den Randzonen hin im gewünschten Masse kontinuierlich ab. Da die Kühlung in einer Querschnittsebene mittels eines einzigen zusammenhängenden Strahls erfolgt, können sich keine einzelnen Strahlen überschneiden, so dass eine durch Überschneidungen bewirkte Verringerung der kinetischen Energie vermieden wird.
Da die Flachstrahldüsen erheblich grössere Öffnungen besitzen als die üblichen Sprühstrahldüsen mit kegeligem Kern, sind Verstopfungen kaum möglich. Trotzdem sind die Flachstrahldüsen leicht zugänglich, weil pro Strangbreitseite nur eine mittig liegende Kühlwasserleitung vorgesehen ist, von der keine behindernden Querleitungen abzweigen. Somit können die Flachstrahldüsen im Bedarfsfall verhältnismässig leicht und schnell ausgerichtet werden.
Die geregelte Abfuhr der Wärme jeweils in einer Querschnittsebene eines breiten Giessstranges bildet nunmehr die Voraussetzung dafür, den Strang, auf seine Länge betrachtet, in einer ganz bestimmten Weise, die sich nach der Giessgeschwindigkeit und Werkstoffqualität richtet-also nach einer vorbestimmten Kühlkurve-, abkühlen zu können.
Zum Kühlen aussergewöhnlich breiter Giessstränge wird für die Vorrichtung noch vorgeschlagen, je zwei Flachstrahldüsen in den untereinanderliegenden zum Giessstrang senkrechten Ebenen an der Kühlwasserleitung winkelversetzt zueinander anzuordnen, so dass ihre einander zugekehrten Strahlseiten zueinander parallel und normal auf den Giessstrang gerichtet sind. Ein solches Paar nebeneinanderliegender Flachstrahldüsen bewirkt ebenfalls, dass der Flachstrahl in der Strangmitte mit hoher kinetischer Energie auftrifft, während diese Energie beim Transport des Kühlwassers zu den Strangkanten hin zum Teil verbraucht wird. Diese Wirkung kann selbstverständlich durch eine geeignete Ausbildung des Querschnittes der Düsenöffnung noch verstärkt werden.
In Weiterentwicklung der Erfindung wird noch vorgeschlagen, die Kühlwasserleitung in zur Strangoberfläche senkrechter Ebene periodisch hin- und hergehend anzutreiben. Damit wird erreicht, dass eine sich bildende Dampfphase sofort weggespült wird und somit dem Kühlwasserstrahl wieder Platz macht ; eine intensivere Kühlung ist die natürliche Folge. Die Dampfblasen nehmen bekanntlich nur eine begrenzte Wärmemenge auf und haben deshalb bei zu langem Verbleib eine Isolationswirkung. Durch das sofortige Wegspülen dieser Blasen erfolgt eine innigere Berührung des Flachstrahles mit der Strangoberfläche.
Schliesslich wird noch vorgeschlagen, dass die Kühlwasserleitung jeweils einer Kühlzone mittels eines Motors verstellbar ist, wobei zwischen die Kühlwasserleitungen und die Hauptspeiseleitung übliche flexible Panzerschlauchleitungen eingeschaltet sind. Es können dann auf sehr einfache Weise während des Betriebes geforderte Änderungen der Druckverhältnisse bzw. der erforderlichen Kühlwassermenge vorgenommen werden. Hiebei ist insbesondere an eine Einbeziehung der Kühlwasserregulierung in das gesamte Regelungssystem der Stranggiessanlage gedacht.
In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, u. zw. zeigt Fig. 1 einen Brammengiessstrang im Querschnitt mit einer mittig zu seiner Breite liegenden Kühlwasserleitung mit Flachstrahldüse. Fig. 2 ist eine zu Fig. 1 gehörende Draufsicht. Fig. 3 zeigt einen ähnlichen Querschnitt wie Fig. l, wobei jedoch an der Kühlwasserleitung zwei Flachstrahldüsen winkelversetzt zueinander angeordnet sind, und Fig. 4 eine Seitenansicht einer Stranggiessanlage mit der Kühlvorrichtung. Fig. 5 ist eine Draufsicht auf den Brammenstrang nach Fig. 4 und deutet die Einteilung in einzelne Kühlzonen an. Fig. 6 ist die vergrösserte Darstellung eines Ausschnittes aus Fig. 4.
Der Giessstrang --1-- besitzt einen rechteckigen Querschnitt und in der Praxis beispielsweise Abmessungen von 1350 X 160 bis 2100 X 300 mm. Natürlich gibt es auch kleinere Brammenquerschnitte, wie beispielsweise 450 X 65 mm. Zumeist sollen mindestens zwei verschiedene Brammenquerschnitte auf einer Anlage
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gegossen werden. Bei Anlagenumstellung werden Arbeiten hinsichtlich der Verstellung der Stützwalzen und der Düsen notwendig.
Zur gleichmässigen Abkühlung des Brammenquerschnitts übt der zusammenhängende einzige Strahl
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wesentlich geringere Menge Kühlwasser pro Zeiteinheit aufgebracht wird.
Für die Kühlung eines breiten Querstreifens--8--, wie dieser mit einer strichpunktierten Linie in Fig. 2
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--5-- aus,Fig. 2 die theoretisch rechteckige Auftrefffläche--10--, die in der Praxis durch entsprechend strahlenförmige Öffnungen der Flachdüse--5--nahezu erreicht werden kann. Übrigens konnte in Fig. 1 bis 3 der zusammenhängende Strahl--2--nur unzureichend durch getrennte Striche--4, 7--versinnbildlicht werden.
In Fig. 2 ist als Ausführungsbeispiel die Kombination zweier Flachdüsen--5 und 11--gezeichnet, wobei sich die beiden Flachdüsen durch unterschiedliche Austrittsquerschnitte unterscheiden. Lediglich durch die angrenzende Anordnung ergibt sich eine für den Kühlvorgang unbeachtliche Verschiebung gemäss der strichpunktierten Linie--12--.
In Fig. 3 ist eine mittig zur Breitseite eines Brammengiessstranges--l--liegende Kühlwasserleitung --9-- im Querschnitt gezeigt, an die zwei Flachstrahldüsen --13-- in den untereinanderliegenden, zum Giessstrang senkrechten Ebenen winkelversetzt zueinander angeordnet sind, so dass der Mittenbereich des Giessstranges durch die einander zugekehrten Strahlseiten besonders intensiv beaufschlagt wird.
Gemäss Fig. 4 wird der Giessstrang--l--in der Durchlaufkokille--14--primär gekühlt, tritt danach aus und gelangt mit Hilfe der Kraft der Transportwalzen--15 und 16--kontinuierlich in beispielsweise zwei Kühlzonen--17 und 18--, die als sekundäre Kühlzonen bezeichnet werden. In den sekundären Kühlzonen --17 und 18--stützen Walzen--19--in grösserer Zahl den Strang--l--von beiden Seiten. Für jede Kühlzone--17 bzw. 18--sind mittig zur Strangbreite die Kühlwasserleitungen --9-- angeordnet. Jede der Kühlwasserleitungen weist zumindest zwischen je zwei Stützwalzen--19--einen Anschluss--20-für eine Flachstrahldüse auf.
Im Höchstfall werden solche Düsenanschlüsse auch über den Stützwalzen vorgesehen, um deren zu starke Aufheizung zu unterbinden. Die Kühlwasserleitungen --9-- sind jeweils mittels Verbindungsleitungen --21-- an eine Hauptspeiseleitung--22--angeschlossen. Um ein Heben und Senken der Kühlwasserleitung --9-- zu ermöglichen, d. h. also insbesondere verschiedenen Strangbreiten Rechnung tragen zu können, - was einen besonderen Vorteil der Erfindung darstellt-liegen zwischen den Verbindungsleitungen --21-- und einer Versorgungsleitung--9--Panzer-Schlauchleitungen--23--von entsprechend grossem Durchflussquerschnitt.
In der Kühlzone --17-- unterhalb der Durchlaufgiessform--14--befinden sich insbesondere auf der
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zu verändern oder aber auch in einer einfachen andern Vorrichtung --24-- ein Schwingen der Flachstrahldüsen--5 bzw. 11 bzw. 13--zu bewirken.
Derartige Kühlzonen--17 und 18--können in einer Anzahl und Reihenfolge an Strangober- und Strangunterseite angeordnet werden, die den giessmetallurgischen Erfordernissen entspricht. Die Betriebsweise der Vorrichtung sieht vor, beim Giessen eines Brammenstranges von beispielsweise 2000 X 200 mm die Entfernung der Düsen --5-- (11 ; 13) von der Strangoberfläche --29-- von dem Giessen einzustellen und während des Giessens die Wassermenge durch die Wasserdruckregulierung zu kontrollieren. Im Laufe des Giessens wird die Entfernung der Düsen von der Strangoberfläche nach den Erfordernissen der Wärmeabfuhr geändert.
Die Vorteile der neuen Kühlvorrichtung sind offensichtlich, denn einerseits kann die Intensität der Kühlung über die Brammenbreite besser eingestellt werden als bisher, wobei insbesondere das Merkmal wechselnder Brammenbreiten in einer neuen Art Berücksichtigung findet, und anderseits erniedrigt sich die Anzahl der Düsen und Rohre für die Wasserzuführung einschliesslich der Steuerventile gegenüber bekannten Vorrichtungen ganz erheblich. Die Sekundär-Kühlzonen--17 und 18--sind deshalb viel leichter zugänglich ; wodurch die Instandhaltung der Sekundär-Kühlungsvorrichtung und auch die Beseitigung der Folgen eines etwaigen Strangdurchbruches erleichtert und beschleunigt wird. Die Strangoberflächenqualität kann mit einfachen Mitteln im Laufe des Giessens durch steuerungstechnische Massnahmen gut beeinflusst werden.
Durch die Vergrösserung der Düsenöffnungen allgemein werden die Ansprüche an die Wasserreinheit wesentlich erniedrigt, so dass'der Bau einer kostspieligen Wasserreinigungsanlage und die Verwendung von Rohren aus nichtrostenden Stählen entfallen.