BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Giessen von Metallbändern direkt aus der Schmelze auf die Oberfläche eines bewegten Kühlkörpers, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei der Herstellung von Metallblechen und Metallbändern, insbesondere von Stahlblechen, wird nach dem heutigen Stand der Technik für den Hauptanteil des produzierten Materials ein mehrstufiger Produktionsablauf gewählt. Die grossindustrielle Herstellung von Stahlblechen verläuft beispielsweise in zwei Hauptstufen, von denen die erste Stufe in dem Vergiessen der Metallschmelze auf einer Stranggussanlage zu Brammen oder Knüppeln besteht. Diese Zwischenfabrikate werden nach dem vollständigen Abkühlen einem Walzvorgang zugeführt, wobei die Brammen oder Knüppel erneut auf Glühtemperatur erhitzt werden müssen und der Walzvorgang in der Regel in mehreren Schritten erfolgt.
Der gesamte Aufwand für das Vergiessen des flüssigen Metalls zu den Zwischenfabrikaten, das Abkühlen der Zwischenfabrikate durch natürliche Konvektion, in der Regel ohne Rückgewinnung der abgestrahlten Energie, sowie das anschliessende Aufheizen zum Walzen und der Walzvorgang selbst sind mit einem erheblichen Energieaufwand verbunden.
Da ein grosser Anteil des Metallverbrauchs in Form von Blechen erfolgt, waren schon in der Vergangenheit verschiedene Bestrebungen darauf gerichtet, die Herstellung von Metallblechen dahingehend zu vereinfachen, das Giess- und Walzverfahren in einem einzigen Verfahrensschritt durchgeführt werden, wobei ausserdem der Energiebedarf bzw. die Energienutzung optimiert werden sollen.
So sind beispielsweise Verfahren und Vorrichtungen zum direkten Vergiessen von Metallschmelzen auf bewegte Kühlkörper bekannt, wobei in der Regel eine Kühltrommel oder ein bewegtes Kühlband verwendet wird. Der Oberfläche der Kühltrommel bzw. des Kühlbandes wird die Metallschmelze über ein düsenähnliches Austragelement zugeführt. Damit sich grössere Mengen von Metallschmelzen innerhalb nützlicher Zeit vergiessen lassen, gehen die allgemeinen Bestrebungen dahin, die Kühlkörperoberfläche mit grösstmöglicher Geschwindigkeit am Austragelement vorbeizuführen. Die Abkühlgeschwindigkeit des auf der Kühlkörperoberfläche haftenden vergossenen Materials muss bei diesem Verfahren auf die Giessgeschwindigkeit abgestimmt sein.
Dieses Problem führt zu verschiedenen erheblichen Schwierigkeiten, die bisher nur ansatzweise, nicht jedoch grundsätzlich befriedigend zu lösen waren.
Die Lösungsansätze führen einerseits über sehr dünne vergossene Metallbleche, denen die Wärme während ihres Kontaktes mit der Kühlkörperoberfläche relativ schnell entzogen werden kann, und andererseits über vergrösserte Kühlkörper, also Trommeln mit einem erheblichen Durchmesser oder aber sehr lange Kühlkörperbänder, welche über Führungs- und Stützelemente durch Kühlbereiche umgeleitet werden mussten.
Die Bestrebungen bisheriger Lösungsansätze haben sich im wesentlichen darauf konzentriert, den Kühlkörper von der der Giessoberfläche entgegengesetzten Seite her, in der Regel also von innen her, zu kühlen. Dazu wird im allgemeinen eine Kühlflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, verwendet.
Die Kühlkörperoberfläche besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, vorzugsweise aus Kupfer oder Kupferlegierungen, so dass die Wärme von der Giessoberfläche des Kühlkörpers möglichst effektiv auf die stark gekühlte Gegenseite des Kühlkörpers geleitet wird. Trotzdem ist diese Art der Wärmeleitung relativ träge und durch die Wärmeleitungseigenschaften des Kühlkörpermaterials grundsätzlich begrenzt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche die Herstellung von Metallbändern direkt aus der Schmelze unter Verwendung eines bewegten Kühlkörpers erlauben, wobei das Hauptaugenmerk auf hohe Produktionsgeschwindigkeit gerichtet wird, so dass sich auch grössere Metallchargen, z. B.
von einigen Tonnen, innerhalb nützlicher Frist vergiessen lassen, ohne dass sich die Giessvorrichtung im Dauerbetrieb übermässig stark aufheizt. Ferner soll gewährleistet sein, dass auch grössere Metallschmelzen-Chargen ohne Unterbruch vergossen werden können, ohne dass die Gefahr einer zu starken Abkühlung der Metallschmelze besteht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den Patentansprüchen 1 und 5 definierten Merkmale gelöst.
Durch die direkte Kühlung derjenigen Kühlkörperoberfläche, welche als Giessoberfläche dient, wird eine besonders wirkungsvolle und rasche Abführung der Wärme erreicht, ohne dass der Hauptanteil der abgeführten Wärme die Wand des Kühlkörpers durchdringen müsste. Damit wird die durch den Wärmefluss entstehende Zeitverzögerung bei der Wärmeableitung überbrückt, so dass bei geeigneter Bemessung der Kühlmittelströmung eine wesentlich verbesserte und schnellere Wärmeabfuhr von der Kühlmitteloberfläche erreicht wird. Eine zusätzliche Verbesserung lässt sich durch Reduzierung der Kühlkörperwandstärke auf bandartige Masse erreichen, so dass die Kühlwirkung durch eine besonders schnell reagierende Innenkühlung, also von der der Giessoberfläche entgegengesetzten Seite her, unterstützt wird.
Im folgenden werden Einzelheiten der Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die Prinzipdarstellung einer auf der Seite der Giessoberfläche gekühlten Giesstrommelvorrichtung,
Fig. 2 die Prinzipdarstellung einer bandförmigen Giesstrommel,
Fig. 3 einen Ausschnitt aus der bandförmigen Giesstrommel gemäss Figur 2 mit Stützelementen und einer gesteuerten Düsenführung,
Fig. 4 den Schnitt IV - IV gemäss Figur 3, und
Fig. 5 eine Prinzipdarstellung zur gesteuerten Führung der Giessdüse gegenüber der Oberfläche des Kühlkörpers.
Anhand der Figur 1 wird im folgenden zunächst das Prinzip des aussengekühlten Kühlkörpers näher erläutert.
Als Kühlkörper list in Figur 1 eine Trommel vorgesehen, welche in einem nicht näher dargestellten Ständer bzw. Gehäuse gelagert ist. Lagerung und Ausbildung der Trommel sind derart, dass die Trommeloberfläche gegenüber stationären Bauteilen eine Geschwindigkeit von beispielsweise 20 m/s erreicht. Zum Aufbringen einer Metallschmelze auf die äussere Trommeloberfläche, welche in diesem Beispiel als Giessoberfläche dient, ist ein Austragelement 2, im Beispiel eine Düse, vorgesehen. Dabei ist die Düsenöffnung auf an sich bekannte Weise in einem definierten Abstand zur Kühl körperoberfläche einzustellen. Dieser Abstand ist während des Giessvorganges präzis einzuhalten.
Das sich aus der Schmelze 3 auf der Trommeloberfläche bildende Band 4 wird auf geeignete Weise von der Trommeloberfläche abgelöst und anschliessend von der Giessvorrichtung weggeführt, beispielsweise zu einem Bund aufgewickelt.
Der grösste Teil der aktiven Kühlkörperoberfläche, auf welcher die Schmelze 3 zum Band 4 vergossen wird, ist gemäss Figur 1 von einem fluiden Kühlmittel benetzt. Als Kühlmittel dient vorzugsweise eine Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser, welches in einem geschlossenen und gegenüber der Trommeloberfläche weitgehend abgedichteten Gehäuse durch geeignete Strömungskanäle geführt wird. Im gezeigten Beispiel umschliesst ein Strömungsgehäuse 5 die Trommeloberfläche zu etwa 2/3 des Trommelumfanges. Das Kühlmittel wird in einer Zuführöffnung 6 in das Innere des Strömungsgehäuses 5 eingeleitet und verlässt dieses über eine Austrittsöffnung 7. Durch entsprechende Führungselemente 8 wird das Kühlmittel auf die gewünschte Weise mit der Kühlkörperoberfläche in Kontakt gebracht. Der Kühlmittelfluss kann aber auch in der entgegengesetzten Richtung erfolgen.
Gemäss Fig. list zur Führung des Kühlmittels ein im wesentlichen vertikal verlaufendes erstes Führungselement 8 A vorgesehen, mit dessen Hilfe das Kühlmittel in einen schmalen Strömungskanal 9 geleitet wird, welcher durch ein zweites Führungselement 8 B einerseits und die Trommeloberfläche andererseits gebildet ist. Am Auslass dieses Strömungskanals, im gezeigten Beispiel auf der linken Seite des Strömungsgehäuses 5, wird das Kühlmittel durch dritte Führungselemente 8 C der Austrittsöffnung 7 zugeleitet.
Um Kühlmittel, welches von der Kühlkörperoberfläche mitgerissen wird, möglichst am Austreten des Strömungsgehäuses 5 zu hindern, ist in demjenigen Bereich des Strömungsgehäuses 5, in welchem der Kühlkörper 1 das Gehäuse verlässt, im Beispiel nach Figur 1 also im oberen Bereich, ein Abstreifelement 10 vorgesehen, welches dicht auf die Oberfläche des Kühlkörpers 1 reicht und Kühlmittel abstreift. Wegen der Geschwindigkeit des rotierenden Kühlkörpers 1 und seiner Tendenz, Kühlmittel mit sich zu reissen, wird innerhalb des Strömungskanals 9 zwangsweise eine gewisse Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels aufrecht erhalten. Die Strömung wird durch die beschriebenen Strömungskanäle innerhalb des Strömungsgehäuses 5 unterstützt. Sie kann durch Druckbeaufschlagung des an der Zuführöffnung 6 zugeführten Kühlmittels unterstützt werden.
In einer an die Zuführöffnung 6 und die Austrittsöffnung 7 angeschlossenen Steuereinrichtung 11 werden Druck und Temperatur des Kühlmittels gemessen, beziehungsweise auf die gewünschten Werte gesteuert. Das Kühlmittel wird in einem Reservoir 12 zwischengespeichert. Das erwärmte Kühlmittel wird in einem Wärmetauscher 13 behandelt, wo ihm die aufgenommene Wärme entzogen wird. Vorzugsweise sind an den Wärmetauscher 13 Wärmeregenerierungsmittel 14 angeschlossen, in denen die entzogene Wärme für andere Arbeitsprozesse abgeleitet wird.
Die Steuereinrichtung 11 steht vorzugsweise mit dem Antrieb für den Kühlkörper 1 in Verbindung, im Beispiel mit einem Motor 15, so dass die genaue Drehgeschwindigkeit des Kühlkörpers 1 als Regelgrösse in der Steuereinrichtung 11 zusammen mit anderen vorgegebenen Parametern zur Steuerung von Druck und Temperatur des Kühlmittels berücksichtigt werden kann.
In Abwandlung des beschriebenen Ausführungsbeispiels kann nach dem gleichen Prinzip die Oberfläche des Kühlkörpers 1 anstatt in einem strömenden Kühlmittelbad auch mit Hilfe von Düsen und anderen Vorrichtungen zwangsweise mit einem Kühlmittel besprüht beziehungsweise benetzt werden.
Durch die beschriebene Aussenkühlung, also die Kühlung derjenigen Kühlkörperoberfläche, welche als Giessoberfläche dient, wird eine besonders effektive und schnelle Ableitung der erheblichen Wärmemenge auf der Trommeloberfläche unmittelbar nach dem Abziehen des gegossenen Bandes 4 erreicht. Die Wärmeableitung ist nicht mehr behindert durch einen relativ trägen Wärmefluss durch die Wandung des Kühlkörpers hindurch. Durch diese Massnahme lässt sich die Kühlrate, also die von einer gegebenen Kühlkörperoberfläche pro Zeiteinheit abführbare Wärmemenge erheblich verbessern.
Zur Vermeidung von Wärmespannungen innerhalb des Kühlkörpermantels hat sich eine Ausbildung des Kühlkörpers gemäss Figur 2 als besonders zweckmässig erwiesen.
Der Kühlkörper 20 besteht im Beispiel aus einem dünnen, vorzugsweise 1 bis 3 mm starken, gut wärmeleitenden Band, z. B. aus einem Kupferband. Das Band hat im gezeigten Beispiel die Form einer Trommel. Es ist von einer Antriebseinrichtung 1 angetrieben, die im Beispiel aus einem innen liegenden Antriebselement 21 A und einer Andruckrolle 21 B besteht. Die Metallschmelze wird von einem nur andeutungsweise gezeigten Austragelement 22, beispielsweise einer Düse, auf die Oberfläche des Kühlbandes 22 aufgebracht.
Mit Hilfe einer Abstreifvorrichtung 23 wird das erstarrte Metallband 24 von der Oberfläche des Kühlbandes 20 abgezogen.
Nach dem Abziehen des gegossenen Metallbandes 24 taucht das Kühlband 20 in eine Kühlkammer 25, in welcher entweder ein Kühlmittelbad vorhanden ist, das die Oberfläche des Kühlbandes 20 umströmt, oder in welcher andere Einrichtungen vorhanden sind, mit deren Hilfe die Wärme von der Oberfläche des Kühlbandes 20 abgeführt wird. Beispielsweise lässt sich dies mit Düsen erreichen, die ein fluides Kühlmittel auf die Oberfläche des Kühlbandes 20 sprühen.
Im gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel, in welchem ein Kühlmittelbad verwendet wird, ist die Kühlkammer 25 mit einem Kühlmittelzulauf 26 und einem Kühlmittelablauf 27 ausgestattet. Der Kühlmittelkreislauf kann ähnlich ausgebildet sein wie im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben.
Das Kühlband 20, welches mit Hilfe der Antriebseinrichtung 21 in Rotation versetzt wird und dabei vorzugsweise hohe Drehgeschwindigkeiten erreicht, beispielsweise eine Umfangsgeschwindigkeit von 20 m pro Sekunde, wird mit Hilfe von Stütz- und/oder Führungseinrichtungen 28 in der gewünschten Form, im Beispiel auf einem Kreis gehalten.
Die Stützeinrichtungen sind im Beispiel als Stützkörper 29 ausgebildet, welche mit Hilfe von Federn 30 das Kühlband 20 nach aussen spannen. Im Beispiel üben also die Stützbzw. Führungskörper gleichmässige radiale Spannkräfte auf das Kühlband 20 aus. Bei den auftretenden hohen Drehzahlen genügen relativ wenig Stützeinrichtungen, da sich die Wirkung der Zentrifugalkraft auf das Kühlband 20 der Wirkung der Stützkörper 29 überlagert, so dass das Kühlband 20 exakt die Form einer Trommel annimmt.
Die Formkonstanz des Kühlkörpers spielt insbesondere im Bereich des Austrageelementes 22 eine erhebliche Rolle, da der Abstand zwischen der Öffnung des Austrageelementes und der Oberfläche des Kühlbands 20 von entscheidender Bedeutung für den einwandfreien Ablauf des Giessverfahrens ist. Im Beispiel ist daher zwischen der Antriebseinrichtung 21 und dem Austragelement 22 noch ein Positionier- und Reinigungselement 31 angeordnet. Dies kann beispielsweise als Rollenbürste ausgebildet sein. Dadurch soll einerseits die Oberfläche des Kühlbandes 20 unmittelbar vor dem Austragelement 22 gereinigt und andererseits exakt in die gewünschte Position gegenüber dem Austragelement 22 gebracht werden.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 3 zeigt zwei verschiedene Weiterbildungen der Ausführung gemäss den Figuren 1 und 2. Auf einer feststehenden Trommel 40 sind sägezahnförmige Elemente 41 vorgesehen, durch welche dazwischenliegende Strömungsräume 42 definiert sind. Ferner sind radial angeordnete Zuführungen 43 zu den Strömungsräumen 42 in der Trommel 40 angebracht, durch welche ein fluides Kühlmittel in die Strömungsräume 42 eingeführt wird und dort als hydrostatisches Lager für das auf der Trommelperipherie aufliegende Kühlband 50 dient. Die Zuführungen 43 sind an nicht dargestellte Steuermittel zum Einstellen des gewünschten hydrostatischen Drucks in den Strömungsräumen 42 angeschlossen. Durch geeignete Steuerung wird erreicht, dass das Kühlband 50 auf der Oberfläche der Trommel 40 gleitet und gleichzeitig durch das Fluid gekühlt wird.
Zur Erzielung einer möglichst guten Kühlleistung ist auch in diesem Ausführungsbeispiel das Kühlband relativ dünn ausgebildet, so dass möglichst keine zeitlichen Verzögerungen beim Wärmeübergang von der äusseren Giessoberfläche des Kühlbandes 50 zur inneren gekühlten Oberfläche auftreten.
Figur 3 zeigt ausserdem eine vorteilhafte Ausgestaltung des Austragselementes 2, welches wie oben bereits angedeutet, sorgfältig gegenüber der Oberfläche des Kühlbands 50 auszurichten ist. Gemäss Figur 3 ist eine Düse 60 in einem Hebelarm 61 gehalten, der um einen Drehpunkt 62 verschwenkbar ist. Die Verschwenkbewegung wird durch ein Hubelement 63 gesteuert, welches beispielsweise aus einem gesteuerten Druckmittelkolben besteht.
Zur Kompensation des Eigengewichts des Hebelarms 61 und der Düse 60 ist eine Ausgleichsfeder 64 vorgesehen. Anstelle der Feder kann auch ein Zuggewicht, ein fluidbetriebener Druckzylinder oder ein Elektromagnet vorgesehen sein.
Der Hebelarm 61 ist rohrförmig ausgebildet oder enthält Zuführleitungen für die Zuführung eines Steuerfluids, mit dessen Hilfe das untere Ende des Hebelarms 61 gegenüber der Oberfläche des Kühlbandes 50 über ein dort erzeugtes Luftkissen steuerbar ist. Zu diesem Zweck ist am unteren Ende des Hebelarms 61 ein Luftkissenelement 65 angeordnet. Die Ausgleichsfeder 64 kann auch den Hebelarm 61 gegenüber dem Luftkissen vorspannen, so dass der Auflagedruck gegenüber dem Kühlband wählbar bzw. einstellbar ist. Der Hebelarm kann auch mit der Düse auf der ausgebrachten Schmelze hydrostatisch schwimmend gelagert sein. Der geeignete Abstand der Düsenöffnung gegenüber der Giessoberfläche des Kühlkörpers lässt sich beispielsweise durch eine Regelung des Schmelzendruckes in der Düse entsprechend bestimmter Vorgaben regeln.
Mit Hilfe einer zusätzlich angeordneten Messeinrichtung 66 wird die exakte Höhe der Düsenöffnung gegenüber der Oberfläche des Kühlbandes 50 bestimmt und entsprechend der Druck P für das Luftkissenelement 65 eingestellt, so dass der Düsenabstand ge genüber der Oberfläche des Kühlbandes 50 konstant bleibt.
Erreicht wird die Steuerfunktion durch eine in Figur 3 nicht näher ausgeführte Steuereinrichtung, welche an das Hubelement 63 angeschlossen ist. Figur 4 zeigt den Schnitt IV - IV gemäss Figur 3 mit der Darstellung der Kühlmittelzuführungen 43 innerhalb des Trommelkörpers 40.
In Abwandlung des soeben beschriebenen Ausführungsbeispiels kann anstelle einer hydrostatischen Lagerung auch eine elektromagnetische Lagerung des Kühlbandes 50 vorgenommen werden. In diesem Fall werden anstelle der Strömungsräume 42 elektromagnetische Spulen oder dergleichen vorgesehen, welche das darüber laufende Band in definiertem Abstand gegenüber den Lagerelementen im Schwebezustand halten.
Schliesslich kann anstelle einer hydrostatischen Lagerung auch eine pneumatische Lagerung gemäss den Figuren 3 und 4 nach ähnlichen Prinzipien vorgesehen sein.
Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel in Abwandlung des in Figur 3 gezeigten Beispiels zur gesteuerten Führung der Düse gegenüber der Kühlkörperoberfläche. Der um den Drehpunkt 62 drehbare Hebelarm 61 ist an seinem äusseren Ende 70 mit einem Gewicht 71 versehen, welches den Hebel zusammen mit der daran befestigten Düse 72 gegen die Wirkung eines Luftkissens 73 auf die Oberfläche des Kühlbandes 50 drückt. Dabei wird das Luftkissen 73 unmittelbar auf die äussere Oberfläche des gegossenen Metallbandes 74 aufgesetzt. Das Luftkissen wird mit einem Druck P beaufschlagt. Durch eine solche Einrichtung wird eine besonders wirkungsvolle und über den Druck P leicht steuerbare Einrichtung zur exakten Einhaltung des Abstandes zwischen Düsenöffnung und Kühlkörperoberfläche geschaffen.
Anstelle eines Luftkissens kann auch ein entsprechendes Kissen aus einem beliebigen anderen geeigneten Gas oder Fluid verwendet werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass das Kühlband 50 auf beliebige Weise und in beliebiger Form geführt werden kann.
Die Führung des Bandes ist nicht auf die vorzugsweise beschriebene zylindrische Führung beschränkt. Sie kann vielmehr über Umlenkrollen oder andere Führungselemente in anderer zweckmässiger Form erfolgen.
Schliesslich sei darauf hingewiesen, dass der Antriebsmotor für das Kühlband 50 von beliebiger Bauart sein kann.
Als besonders vorteilhaft hat sich wegen seiner einfachen und robusten Bauart ein Linearmotor erwiesen.