<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggiessen von Metallschmelzen, wobei Metall- schmelze von einem Zwischengefäss unter Bildung eines Stranges mit einem flüssigen Kern und einer diesen umhüllenden Strangschale in eine Stranggiesskokille gegossen wird, und der Strang mit flüssigem Kern aus der Stranggiesskokille ausgezogen und über eine von in Abständen ange- ordneten Rollen gebildete Strangführung geführt wird.
Beim Stranggiessen von Stahl, vor allem beim Stranggiessen von peritektisch erstarrenden Stahlqualitäten, ist es bekannt, dass es zu einem sogenannten "Strangpumpen", in der englischen Literatur auch als "mold level hunting" bekannt, kommen kann. Darunter versteht die Fachwelt eine periodisch auftretende Unregelmässigkeit des Giessvorgangs, u. zw. ein periodisches Heben und Senken des Giessspiegels, das im schlimmsten Fall zum Abbruch des Giessens mit automatischer Giessspiegelregelung oder sogar zum Abbruch des Stranggiessens selbst führen kann. Ein solches Strangpumpen tritt vor allem bei Anwendung einer sogenannten "weichen" Kühlung und bei Ver- wendung emes gut isolierenden Giesspulvers auf.
Es ist ein Merkmal dieser Störung, dass sie bei einer bestimmten Giessgeschwindigkeit mit einer Periodendauer auftritt, die eine aus der Periodendauer und der Giessgeschwindigkeit resultierende Wellenlänge ergibt, die in etwa der durchschnittlichen Rollenteilung mindestens eines Bereiches der Strangführung entspricht, d. h. dass die Wellenlänge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Unregelmässigkeiten einem Abstand zwischen zwei hintereinander angeordneten Rollen der Strangführung entspricht, soferne die Rollen in einem Bereich der Strangführung in etwa gleichen Abständen voneinander angeordnet sind.
So konnte beobachtet werden, dass bei einer Strangführung mit einer Rollenteilung von 275 mm bei einer Giessgeschwindigkeit 1,3 m/min die Periodendauer des Strangpumpens 12,6 s betrug. Dies entspricht einer Wellenlänge von 273 mm, ist also nahezu identisch mit der durch- schnittlichen Rollenteilung von 275 mm in einigen Segmenten der Strangführung
Es ist ein Charakteristikum des Strangpumpens, dass es nur über einer empirisch zu ermitteln- den kritischen Giessgeschwindigkeit auftritt, die wiederum vom verwendeten Giesspulver und der angewendeten Sekundärkühlung, d. h. Direktkühlung des Stranges in der Strangführung, abhängt.
Eine weitere Besonderheit des Strangpumpens ist darin zu sehen. dass es nur im Giessbetrieb mit automatischer Giessspiegelregelung, nicht aber bei manueller Giessspiegelregelung auftritt. In der Fachliteratur finden sich Hinweise, dass bei Stranggiessanlagen mit einer Strangführung mit stark unterschiedlicher Rollenteilung über ihre Länge dieses Problem nicht oder nur minimal auftritt. Dies würde bedeuten, dass hintereinander liegende Segmente bzw. Abschnitte der Strangführung jeweils unterschiedliche Rollenteilung aufweisen müssten, um dieses Problem zu vermeiden. Dies bedingt jedoch den Nachteil, dass die Konstruktion, Anschaffung und Wartung inakzeptabel hohe Kosten verursacht, denn es müssten für eine Strangführung mehrere unterschiedlich konstruierte Segmen- te bzw. Abschnitte angeschafft und auch auf Lager gehalten werden.
Ein Vermeiden des Strangpumpens durch Begrenzung der Giessgeschwindigkeit wird von Betreibern von Stranggiessanlagen abgelehnt, da in der Regel eine Stranggiessanlage im Verbund mit einem Stahlwerk betrieben wird und dieses bestimmte Giessleistungen zur optimalen Nutzung des Stahlwerks erfordert.
In der Fachliteratur wird das Strangpumpen durch das Vorhandensein von lokal vorhandenden leichten Schwächungen der Strangschale erläutert. Es kommt beim Bewegen des Stranges ent- lang der Strangführung immer dann, wenn sich eine geschwächte Strangschalenstelle, d. h. eine Stelle des Stranges mit dünner Strangschale, zwischen zwei Strangführungsrollen befindet, zu einem gegenüber dem normal stattfindenden Ausbauchen der Strangschale verstärktem Ausbau- chen und damit zu einer Strömungssenke unterhalb des Giessspiegels; der Giessspiegel sinkt also ab. Der Giessspiegel hebt sich jedoch wieder, sobald diese örtliche Schwachstelle über eine Strangführungsrolle geführt wird, da dann die Ausbauchung durch die Strangführungsrolle zurück- verformt wird.
Die damit verbundene Badspiegeländerung, d. h. Änderung der Höhe des Badspie- gels, führt ihrerseits wieder zu einem unterschiedlichen Wachstum der Strangschale innerhalb der Stranggiesskokille, wobei Theorien besagen, dass dies bedingt ist durch die unterschiedliche Dicke der vom Giesspulver gebildeten Schlackenschicht, die zwar eine Gleitschicht, aber auch eine ther- mische Isolierschicht zwischen der Strangoberfläche und der Kokillenoberfläche bildet. Eine sto- chastisch entstandene Schwachstelle der Strangschale kann somit eine grössere Anzahl von Schwachstellen in einem später entstehenden Strangabschnitt hervorrufen. Eine Fortsetzung
<Desc/Clms Page number 2>
dieses Prozesses führt schlussendlich zu einer periodisch auftretenden Störung der Giessspiegella- ge, d. h. zum sogenannten "Strangpumpen".
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die oben beschriebenen Schwierigkeiten und Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren anzugeben, bei dem bei Aufrechterhaltung des Automatikbetrie- bes für die Giessspiegelregelung unabhängig von einer kritischen Giessgeschwindigkeit und trotz konstanter Rollenteilung der Strangführung zumindest über deren grösste Länge ein Strangpumpen vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Strangschale mit gezielt erzeug- ten Dickenunterschieden gebildet wird, u. zw. durch Ändern der Wachstumsgeschwindigkeit der Strangschale.
Aus den obigen Ausführungen ergibt sich, dass eine gezielt erzeugte Schwachstelle (nachfol- gend auch "Störung" genannt) im Strang, soferne ihr Abstand ungleich ist der durchschnittlichen Rollenteilung oder ungleich ist einem ganzzahligen Vielfachen der durchschnittlichen Rollenteilung einer Strangführung von einer zuvor entstandenen Schwachstelle der Strangschale, eine unkriti- sche Störung darstellt, die zu keinem Aufschaukeln der Höhenänderung des Giessspiegels führen kann.
Von Bedeutung ist, dass die Störungen immer oder zumindest über einer kritischen Giessge- schwindigkeit aufgebracht werden. In Längsrichtung des Stranges können sie begrenzt oder unbe- grenzt sein. Werden die Störungen über der kritischen Giessgeschwindigkeit nicht ständig aufge- bracht, muss der Abstand aufeinanderfolgender Störungspakete kleiner sein als die Länge jenes Teiles der Strangführung, der die Resonanzen hervorruft.
Zweckmässig wird die Strangschale mit in Längsrichtung des Stranges örtlich beschränkten und im Abstand voneinander liegenden Dickenunterschieden gebildet.
Vorzugsweise wird die Wachstumsgeschwindigkeit der Strangschale innerhalb der Stranggiess- kokille Änderungen unterworfen.
Gemäss einer bevorzugten Variante wird die Grösse der Abstände zwischen in Längsrichtung des Stranges benachbarten Dickenunterschieden der Strangschale durch in unterschiedlichen Zeitabständen aufeinanderfolgendes Ändern der Wachstumsgeschwindigkeit der Strangschale variiert.
Zweckmässig kann das Ändern der Wachstumsgeschwindigkeit der Strangschale periodisch er- folgen.
Eine weitere bevorzugte Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass Zeitabstände zwischen auf- einanderfolgenden Änderungen der Wachstumsgeschwindigkeit der Strangschale gewählt werden, die in einem Abstand liegende Dickenunterschiede bewirken, der um mindestens 1 % grösser oder kleiner ist als der Abstand benachbarter Rollen zumindest eines Bereiches der Strangführung, vorzugsweise um mindestens 5 % grösser oder kleiner ist.
Das bewusste Erzeugen einer Störung, d. h. das Ändern der Wachstumsgeschwindigkeit der Strangschale, wird zweckmässig durch eine zeitweise Änderung des Niveaus des von der Metall- schmelze im Inneren der Stranggiesskokille gebildeten Giessspiegels durchgeführt, wobei zweck- mässig die Niveauänderung des Giessspiegels durch eine Änderung der Zuflussmenge an Metall- schmelze in die Stranggiesskokille bewirkt wird.
Hierbei wird vorteilhaft eine Änderung der Zuflussmenge durch eine konstant oder variabel peri- odisch schwankende, wie sinusförmige oder sägezahnförmige, Einstellung bestimmter Zuflussmen- gen durchgeführt.
Zweckmässig erfolgt eine Änderung der Zuflussmenge mit Hilfe eines Zufallsgenerators, wobei vorteilhaft der Zufallsgenerator Änderungen der örtlichen Dickenunterschiede der Strangschale des Stranges bewirkt, bei denen der Abstand von Dickenunterschied zu Dickenunterschied ein nicht ganzzahliges Vielfaches des Abstandes der Rollen der Strangführung beträgt.
Es hat sich als Vorteil erwiesen, wenn eine Änderung der Zuflussmenge zusätzlich hochfre- quent erfolgt, insbesondere in einem Bereich von 1 bis 10 Hz, da hierdurch Ablagerungen an der Einrichtung zur Durchflussmengeneinstellung, wie z. B. an einem Stopfen oder an einem Schieber, vermieden werden können sowie Spiele bei einer solchen Einrichtung unschädlich sind.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt eine Änderung der erzeugten Di- ckenunterschiede der Strangschale durch eine Nullagenänderung einer Kokillenoszillation.
Um eine ausreichende Wirkung der erfindungsgemässen Massnahmen zu erzielen, erfolgt jede
<Desc/Clms Page number 3>
Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit der Strangschale über eine Mindestzeitdauer, die einen Dickenunterschied in der Strangschale über eine Stranglänge von mindestens einer Länge eines Segmentes einer segmentierten Strangführung bewirkt.
Zur Vermeidung von Störungen des Giessbetnebes bewirkt das Ändern der Wachstumsgeschwindigkeit der Strangschale Schwachstellen in der Strangschale, an denen die Strangschale bei Austritt aus der Stranggiesskokille um mindestens 1 %, jedoch höchstens um 20 % dünner ist als an benachbarten Stellen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei Fig. 1 eine Stranggiessanlage in schematischer Darstellung im Längsschnitt veranschaulicht. Fig. 2 veranschaulicht die Verwirklichung des erfindungsgemässen Verfahrens in Diagrammform.
Gemäss der in Fig. 1 dargestellten Stranggiessanlage wird eine Stahlschmelze 1 aus einer Giesspfanne 2 über einen Bodenauslass 3 in ein oberhalb einer Durchlauf-Stranggiesskokille 4 in Stellung gebrachtes Zwischengefäss 5 eingefüllt. Von diesem Zwischengefäss 5 fliesst die Stahlschmelze 1 in die Stranggiesskokille 4, u. zw ebenfalls über eine Bodenöffnung 6, deren freier Querschnitt mittels einer Einrichtung 7 zur Einstellung der Durchflussmenge, wie eines in Fig. 1 beispielhaft dargestellten Stopfens 7, einstellbar ist, wobei der Stopfen 7 über eine Regelung 8 gemäss der gewünschten Stahldurchtrittsmenge höheneinstellbar ist.
Anstelle des Stopfens 7 kann auch ein die Öffnung 6 mehr oder weniger freigebender Schieber am Zwischengefäss 5 vorgesehen sein
In der Stranggiesskokille 4 bildet sich ein Strang 9 mit einem flüssigen Kern 10 und einer diesen Kern 10 umhüllenden Strangschale 11, deren örtliche Dicke u. a. von der Intensität der Kühlung, u. zw. der Primärkühlung innerhalb der Stranggiesskokille 4 als auch der Sekundärkühlung in einem der Stranggiesskokille 4 nachfolgenden Bereich einer Strangführung 12, abhängt.
Der sich in einem bestimmten Niveau N in der Stranggiesskokille 4 ausbildende Giessspiegel 13 ist von einer Giesspulverschicht 14 bedeckt, wobei das verbrauchte Giesspulver nach und nach ersetzt wird. Dieses Giesspulver bildet zwischen den Kokillenseitenwänden 15 und der Strangschale 11 eine Gleitschicht, so dass die Reibung der Strangschale an den Kokillenseitenwänden 15 reduziert ist. Wie oben erwähnt, beeinflusst diese Gleitschicht ebenfalls den Wärmeübergang vom Strang 9 zur Stranggiesskokille 4.
Der in der Stranggiesskokille 4 gebildete Strang 9 wird über die der Stranggiesskokille 4 nachfolgend angeordnete, vorzugsweise bogenförmig gestaltete Strangführung 12 zumindest so weit geführt, bis er durcherstarrt ist. Die Strangführung 12 weist zunächst knapp unterhalb der Stranggiesskokille sogenannte Kokillen-Fussrollen 16 auf, die zum Zweck einer eng benachbarten Stützung des noch eine sehr dünne Strangschale 10 aufweisenden Stranges 9 einen kleinen Durchmesser aufweisen. Von diesen Fussrollen 16 ist in der Zeichnung nur ein Paar, das den Strang 9 an gegenüberliegenden Seiten abstützt, dargestellt.
Den Fussrollen 16 nachfolgend sind beidseitig des Stranges 9 jeweils im äquidistanten Abstand vorgesehene Rollen 18,19 angeordnet, die ein Ausbauchen der Strangschale 11 infolge des ferrostatischen Druckes so weit wie möglich verhindern Zum Zweck des Ausziehens des Stranges 9 aus der Stranggiesskokille 4 sind über die Länge der Strangführung 12 verteilt auch einige der Rollen antreibbar, nämlich die Rollen 19.
Die Strangführung 12 kann aus hintereinander angeordneten Segmenten 12', von denen jedes mehrere Rollen 18 bzw. 19 trägt, gebildet sein
Zur Vermeidung des oben beschriebenen Prozesses des Strangpumpens werden erfindungsgemäss während des Stranggiessens in Langsrichtung des Stranges 9 im Abstand voneinander liegende dünnere Stellen 20 (nachfolgend auch Störung 20 genannt) in der Strangschale 11erzeugt, u. zw durch ein zeitlich begrenztes, d.h. kurzzeitiges Ändern der Wachstumsgeschwindigkeit der Strangschale 11. Dies geschieht durch Ändern des Niveaus N des von dem flüssigen Stahl 1 im Inneren der Stranggiesskokille 4 gebildeten Giessspiegels 13. indem die Zuflussmenge der Stahlschmelze 1 in die Stranggiesskokille 4 variiert wird, was durch Ändern der Lage des Stopfens 7 des Zwischengefässes 5 bewirkt wird.
Diese Änderung der Lage des Stopfens 7 des Zwischengefässes 5 wird über einen Stopfenantneb 21, beispielsweise einen Elektromotor mit Stellspindel etc., durchgeführt, wobei die zeitliche Abfolge derart gewählt ist, dass die in der Zeichnung nur schematisch dargestellten Dickenunterschiede der Strangschale 11, beispielsweise Schwachstellen 20 in der Strangschale in Abständen 22,22', 22",.... in Längsrichtung des Stranges 9 vorhanden sind, die ungleich sind einem ganzzah-
<Desc/Clms Page number 4>
ligen Vielfachen der Abstände 17 benachbarter Rollen 18,19 der Strangführung 12 Die Abstände 22,22', 22",... können untereinander unterschiedlich sein.
Die theoretische Erklärung hierfür lautet wie folgt:
Es ist in der Fachwelt bekannt, dass die Stärke, d. h. Dicke, der Strangschale 11, mit der der Strang 9 aus der Stranggiesskokille 4 austritt, im wesentlichen von der Verweildauer in der Strang- giesskokille 4 und der aus Hub, Frequenz, Oszillationsform und Giessgeschwindigkeit resultierenden "positiv strip"-Zeit und der Isolierwirkung des als Schmiermittel wirkenden Giesspulvers 14 bestimmt wird. Das Giesspulver 14 beeinträchtigt nämlich mehr oder weniger, je nach Isolierwirkung und Dicke, den Wärmeübergang vom Stahl 1 auf die Seitenwände 15 der Stranggiesskokille 4.
Es ist weiters bekannt, dass die Dicke des Schmiermittels zwischen Strangschale 11und den Seitenwän- den 15 der Stranggiesskokille 4 proportional ist der Giessgeschwindigkeit, dem Hub beim Oszillieren der Stranggiesskokille 4, der Frequenz der Oszillation der Stranggiesskokille 4 und der positiven Zeit des Ausziehens des Stranges 9 aus der Stranggiesskokille 4.
Erfindungsgemässe Variationen des Giessspiegels 13 relativ zur Nullage der Oszillation haben die Aufgabe, den Giesspulververbrauch und damit die Wärmeabfuhr in der Stranggiesskokille 4 zu variieren, so dass ein Strang 9 mit einer in seiner Längserstreckung an vorbestimmten Stellen 20 leicht verminderten Dicke der Strangschale 11 aus der Stranggiesskokille 4 austritt Diese dünneren Stellen 20 der Strangschale 11, die über die Länge des Stranges 9 verteilt sind, stellen sicher, dass beim Ausziehen des Stranges 9 aus der Stranggiesskokille 4 aufgrund dieser dünneren Stellen 20 auftretende Ausbauchungen der Strangschale 11 zwischen den Rollen 18,19 der Strangführung 12 nicht in gleichen Abständen, d. h. in Abständen 17, die den benachbarten Rollen 18,19 entspre- chen, auftreten.
Dies ist anhand des nachstehenden Beispiels erläutert:
Beträgt beispielsweise die Giessgeschwindigkeit 1,3 m/min und ist ein Rollenabstand 17 be- nachbarter Rollen 18,19 der Strangführung 12 von 260 mm verwirklicht, so ergibt das eine Periode für kritische Störungen von etwa 12 s, wie dies in der Beschreibungseinleitung ausgeführt ist.
Wird nun eine Störung des Strangschalenwachstums mit beispielsweise 9 s Periodendauer in- duziert, so ergibt das in der Strangschale 11 Störungen 20 (d. h. dünnere Stellen 20) im Abstand von 195 mm. Nimmt man für diese Störungen 20 einen sinusförmigen Verlauf mit einer Amplitude von 1 mm an, bedeutet dies eine maximale Änderungsgeschwindigkeit für den Spiegel von 0,038 m/min, dies entspricht ca. 3 % der Giessgeschwindigkeit und ist daher als unkritisch anzuse- hen.
Die Periodendauer der Störung kann über einen Zufallsgenerator 23 innerhalb bestimmter Grenzen festgelegt werden, wodurch sich variable Abstände 22,22', 22", .... der in der Strangscha- le 11 bewirkten Schwachstellen 20 ergeben, so dass ein Strangpumpen mit Sicherheit vermieden werden kann. Die gezielt eingebrachte Störung 20 im Wachstum der Strangschale 11kann durch Überlagerung einer sinusförmigen, sägezahnförmigen etc. Stopfen- bzw. Schieberbewegung mit konstanter oder zeitlich variabler Periodendauer erzeugt werden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Stopfenbewegung (oder auch Schieberbewe- gung) mit einer hochfrequenten Störung überlagert wird, z. B. von 3 Hz mit 0,5 mm Amplitude, wodurch es zur Vermeidung von Ablagerungen am Stopfen 7 bzw. Schieber sowie zur Unschäd- lichmachung von Spielen von Stopfenführung bzw. Schieberführung kommt.
Eine Störung 20 im Wachstum der Strangschale 11 kann auch dadurch erreicht werden, dass die Nullage der Kokillenoszillation verändert wird. Dies kann auch zusätzlich zur oben beschriebe- nen Änderung des Niveaus N des Giessspiegels 13 in der Stranggiesskokille 4 durchgeführt werden, wie dies beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist. In diesem Diagramm ist eine Stopfenbewegung mit einer vollen Linie, die Nullage der Stranggiesskokille 4 mit strichlierter Linie und die Oszillationsbe- wegung der Stranggiesskokille 4 mit strichpunktierter Linie veranschaulicht.
Wird die Stopfenposition mit einer sinusförmigen Störung gemäss Fig 2 überlagert, so wird die Nullage der Oszillationsbewegung z. B. mit 180 Phasenverschiebung verändert. Die Form der der Kokillenbewegung überlagerten Störung ist hierbei wiederum variabel (sinusförmig, sägezahnför- mig etc. ). Ebenso ist die Phasenlage zur Störung an der Giessspiegelregelung variabel.
Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich sowohl beim Giessen von Dünnbrammen als auch beim Giessen von Dickbrammen einsetzen.