DD280707A1 - Verfahren zur erhoehung der durchbruchsicherheit an einer stranggiessanlage - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhoehung der Durchbruchsicherheit beim Vergiessen von Stahl auf einer Stranggiessanlage, welche vorzugsweise mit einem Prozessrechner zur Erfassung und Verarbeitung aller wesentlichen, fuer einen kontinuierlichen Giessablauf notwendigen technologischen Daten ausgestattet ist. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erhoehung der Durchbruchsicherheit beim Vergiessen von Stahl auf einer Stranggiessanlage zu finden, bei dem durch rechtzeitiges Erkennen und Beseitigen von allen wesentlichen, die Durchbruchsicherheit negativ beeintraechtigenden Faktoren ein bevorstehender Strangdurchbruch verhindert werden kann. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe durch ein Verfahren geloest, bei dem die aktuellen Werte der Waermeabfuhr in der Strangschale sowie der zum Ausfoerdern des Stranges aus der Kokille erforderlichen Kraft die Eingangsgroessen fuer ein rechnergestuetztes Durchbruchwarnsystem bilden. Aus der aus den aktuellen Werten der Waermeabfuhr in der Kokille ermittelten Schalenstaerke am Kokillenaustritt und dem aktuellen Wert der Auszugskraft werden unter Beruecksichtigung der durch den ferrostatischen Druck der Schmelze verursachten mechanischen Belastung der Strangschale die Spannungen in der Strangschale in einer Ebene unterhalb des Kokillenaustrittes berechnet und mit einem als kritisch geltenden Wert verglichen.

Description

bekanntes Verfahren ermittelt werden, wonach das Verhältnis der Dehnung eines Abschnitte.' der Kokillenwand (mit Wegaufnehmern gemessen) zur Gesamtdehnung ein Maß für die Verteilungskurve der Wärmestromdichte ergibt und Abweichungen der Meßwerte von dem vorgegebenen Sollwert bzw. Sollwertbereich zur Steuerung der Strangabsenkgeschwindigkeit verwendet werden können.

Die sich aus der DifferenztemperatiT und der Durchflußmenge des Primärkühlwassers unter Einbeziehung der Kontaktfläche ergebende Wärmeleistung der Kokille ist ein direktes Maß für das Schalenwachstum. Darauf kann die große Anzahl von aus dem technischen Schrifttum bekannten Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen Wärmeabfuhr und Schalenwachstum zurückgeführt werden. So kann z.B. entsprechend SU-PS 1006049 und 1100249 die aus Wassermenge und Differenztemperatur mit Hilfe empirischer oder Modellberechnungen ermittelte Schalendicke am Kokillenaustritt zur Steuerung der Gießgeschwindigkeit verwendet und somit die Durchbruchrate gesenkt werden. Ein mit den DT-PS 3320277 und 2440273 geschütztes ähnliches Verfahren beruht auf der Berechnung der Schalendicke am Kokillenaustritt aus dem Verhältnis der Wärmeabfuhren verschiedener übereinanderliegender Abschnitte eines oder mehrerer Breitenbereiche und der Gesamtwärmeabfuhr in diesem Breitenbereich der Kokille.

Im Gegensatz zur ersten Methcide haben Durchbruchwarnsysteme auf der Grundlage der Wärmearbeit der Kokille eine breitere Anwendung gefunden. Die wichtigsten Gründe dafür sind einerseits eine bessere theoretische Durchdringung des Problems dank einer Vielzahl von Arbeiten zur Modellierung der Wärmephysikalischen Vorgänge beim Stranggießen, anderere its die Entwicklung und der Einsatz dor erforderlichen Meßtechnik. Doch auch mit diesen bekannten Verfahren kann eine effektive Warnung vor Durchbrüchen nicht erzielt werden, hauptsächlich dadurch, daß die auf den Strang wirkenden Kräfte bei der Bewertung der Gefahr des Aufreißens der Strangschale unberücksichtigt bleiben. Die dargelegte Analyse zeigt, daß mit den bekannten Verfahren nur solche Durchbrüche mit großer Sicherheit verhindert werden können, die die Folge von sehr starken Störungen, entweder der Wärmearbeit oder der Auszugskraft, sind, die sich in kurzer Zeit entwickeln. Da in einem Fall die mechanische Belastung der Strangschale und im anderen die Dicke der Stranghaut unberücksichtigt bleiben, kenn eine effektive Warnung vor Durchbrächen bei konstanten Gießverhältnissen nicht erreicht werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Produktivität und Verfügbarkeit einer Stranggießanlage zu verbessern und den Reparaturaufwand infolge von Strangdurchbrüchen zu senken.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erhöhung der Durchbruchsicherheit beim Vergießen von Stahl auf einer Stranggießanlage zu finden, bei dem durch rechtzeitiges Ernennen und Beseitigen von allen wesentlichen die Durchbruchsicherheit negativ beeinträchtigenden Faktoren ein bevorstehender Strangdurchbruch verhindert worden kann. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß während des Gießbetriebes die Zugspannungen in der Strangff chale in einem Querschnitt unterhalb des Kokillenaustrittes aus der Schalendicke 6„ der Auszugskraft F sowie der aus dem ferrostatischen Druck der Schmelze resultierenden mechanischen Belastungen C_x; o_y der Strangschale die resultierenden Zugspannungen σ in der Strangschale der Ebene unterhalb des Kokillenaustritts nach der Beziehung

y„

i = J;2;3;4

ermittelt und mit einem maximal zulässigen Wert Ia]_n verglichen werden. Die Lösung beruht auf der Grundlage der Ermittlung der Zugspannungen in den Hauptrichtungen χ und y. Die maximal zulässige Zugspannung M_n wird aus der Formel

errechnet, wobei η eine Sicherheitszahl ist, welche aus eigenen Erfahrungswerten ermittelt wird. Bei Überschreitung des maximal zulässigen Wertes von [σ)_η wird vorzugsweise eine akustische und/oder eine optische Warnung ausgelöst, worauf eine Absenkung der Gießgeschwindigkeit erfolgt. Bei einer mehrmalig erfordorlichen Absenkung werden Schritte zur Normalisierung des Gießprozesses bzw. dessen Abbruch eingeleitet. Verfahrensgemäß ist es damit möglich, die Ursachen für eine negative Beeinträchtigung der Durchbruchsicherheit unter Verwendung eines Rechners rechtzeitig zu erfassen und geeignete Verfahrensschritte einzuleiten, um einen Strangdurchbruch zu verhindern.

Ausführunr.jbeispiel

Das erfindtngsgemäße Verfahren soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der dazugehörenden Zeichnung zeigt

Fig. 1: Steueralgcrithmuc zur Durchbruchverhinderung.

Gemäß der Fig. 1 wird das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel einer Stranggießanlage mit Brammenformat dargestellt. Zur Erhöhung der Durchbruchsicherheit an einer Brammenstranggießanlage werden die Gießgeschwindigkeit vg, der Primarwasserdurchsatz m»», die Differenztemperatur ΔΤ, der Ankerstrom U des Oszillatormotors sowie die Oszillierfrequen* ' durch die Meßgeber 1 bis 5 an einer Stranggießanlage erfaßt und einem Prozeßrechner 6 zur Verarbeitung zugeführt. Die im Prozeßrechner 6 implementierte Software dient der Berechnung der Zugspannungen entsprechend einem mathematischen Modell anhand der aktuellen Prozeßdaten sowie der Datenbank, zu deren unveränderlichen Parametern die aktive Kokillenlänge H, der Abstand von der Kokillenunterkante zur ersten stützenden Fußrolle h, die Koeffizienten a,, a?,... in der Formel für die Berechnung Solidustemperatur T, anhand der chemischen Zusammensetzung der zu vergießenden Schmelze, die spezifische Wärme von Stahl c, die Dichte von flüssigem Stahl p, die Erdbeschleunigung g, die Querkontraktion V, die Zugfestigkeit ö_m, die Sicherheitszahl η und die mittlere Temperatur der Strangschale T zühlen. Vor dem Anguß wird die Datenbank per Tastatur (7) durch die den Verguß kennzeichnenden variablen Prozeßgrößen ergänzt: die Strangbreite B und Strangdicke D.

Während des Vergusses wird für alle Seiten (i = 1; 2; 3; 4) aus dem Primärwasserdurchsatz und der Differenztemperatur der Wärmestrom q mit der Formel

L . H

errechnet, wobei L = B für die Breitseiten (i = 1; 2) und L = D für die Schmalseiten (i = 3; 4) ist. Danach kann die Dickoder Strangschale mit einer vereinfachten Funktion

δι = f(v; q,; T_ü)

berechnet werden, welche das Ergebnis der mathematischen Modellierung des Temperaturfeldes des Stranges ist. Auf Grund der geringen zeitlichen Veränderung der Überhitzungstemperatur der Schmelze T₀, insbesondere beim Vergießen aus großen Pfannen, ist eine diskontinuierliche Übergabe seiner Werte an den Prozeßrechner im Takt mit den ohnehin während des Gießprozesses auszuführenden Temperaturmessungen mögiich.

Die Ermittlung der Auszugskraft erfolgt anhand des dem Ankerstrom proportionalen Spannungsabfalls über einem Shunt im Ankerstromkreis des Oszillationsmotors und der aktuellen Oszillierfrequenz nach einem zuvor aufgestellten funktionalen Zusammenhang

F = f(I.; f)

Die durch die Strangauszugskraft F verursachten Zugspannungen betragen ^ F

-<r₃ -<r₄) * (<f₃ +<f₄)(D -S₁ -<r₂)

Die Berechnung der Zugspannungen erfolgt für den an der Unterkante der Kokille befindlichen Straitgquerschnitt, weil sie dort ihren größten Wert annehmen

Die durch den ferrostatischen Druck

P = PgH

hervorgerufenen Spannungen sind nur für die Breitseiten relevant (i = 1; 2) und bestehen aus zwei Komponenten. Die erste resultiert aus der Dehnung der Breitseiten durch den auf die Schmalseiten wirkenden Druck und beträgt

P . ^D

⁷¹ Si

Die zweite Komponente wird nach der Formel

Π* bzw. /*' β fly

berechnet, welche die Lösung der Bipotentialgleichung

darstellt, in der ω die Durchbiegung der Strangschale im erwähnten Querschnitt ist. Das Biegemoment M wird mit einer Funktion

M¹ = f(N'; H; B) errechnet, die der analytischen Lösung der Differentialgleichung

dy* ' 3**

entspricht. Das Widerstandsmoment Wwird aus der Schalenstärke δ, dem Elastizitätsmodul E und dem Trägheitsmoment T nach S

12 ' ft 12

errechnet. Die Biegesteifigkeit beträgt

N.=

¹ 12 . (ι - y*)

Der Elastizitätsmodul E kann mit Hilfe der von C.M.Führinger in Stahl und Eisen Nr.6 (1976) S. 279-284 aufgeführten Formel

ermittelt werden, wobei die Solidustemperatur T₁ anhand einer der dazu bekannten Formeln T, = f(%C,%Si,%Mn,%P.%S, ⁰ZoAI^Cu,...)

aus der aktuellen Zusammensetzung der Schmelze errechnet wird, welche automatisch vom Hauptlabor des Stahlwerkes an den Prozeßrechner 6 übermittelt wird.

Die aus ferrostatischem Druck ρ und der Auszugskraft F resultierenden Zugspannungen werden für jede Seite nach der Formel

S-Si'Hj+tr

errechnet und mit dem maximal zulässigen Wert

•r

verglichen, wobei für die Breitseiten

und für die Schmalseiten

Bei Überschreitung der maximal zulässigen Zugspannungen wird durch den Prozeßrechner 6 eine visuelle und gegebenenfalls akustische Warnung ausgelöst, worauf dio Gießgeschwindigkeit abgesenkt wird. Sollte nach mehrfacher Absenkung der Gießgeschwindigkeit keine Erholung eintreten, kann man sich zum Gießabbruch entschließen.

Claims (1)

1. Verfahren zur Erhöhung der Durchbruchsicherheit an einer Stranggießanlage, bei der während des Gießprozesses Messungen im Bereich einer Stranggießkokille erfolgen und die dabei ermittelten Daten einem Rechner zugeführt werden, dadurch gekennzei ^h η et, daß aus der Schalenstärke O₁; dem aktuellen Wert der Kraft F zum Ausfördern des Stranges jus der Kokille sowie der aus dem ferrostatischen Druck der Schmelze resultierenden mechanischen Belastungen σ_χ; σ_ν der Strangschale die resultierenden Zugspannungen σ in der Strangschale in einer Ebene unterhalb des Kokillenaustritts nach der Beziehung

; i = 1,2,3,4

ermittelt und mit einem maximal zulässigen Wert [o]_n verglichen werden, wobei bei Überschreitung eine Absenkung der Gießgeschwindigkeit erfolgt und bei mehrmaliger Absenkung Maßnahmen zur Normalisierung des Gießprozesses bzw. dessen Abbruch eingeleitet werden. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überschreitung des kritischen Wertes durch ein akustisches und/oder optisches Signal angezeigt wird.

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Durchbruchsicherheit beim Vergießen von Stahl auf einer Stranggießanlage, welche vorzugsweise mit einem Prozeßrechner zur Erfassung und verarbeitung aller wesentlichen für einen kontinuierlichen Gießablauf notwendigen technologischen Daten ausgestattet ist.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die gegenwärtig bekannten Verfahren zur Realisierung eines Durchbruchwarnsystems an einer Stranggießanlage können nach zwei Methoden unterschieden werden.

Die erste Methode berjht auf der Messung von physikalischen Größen, die aus der Wechselwirkung zwischen Strangschale und Kokille resultieran. Gemäß AT-PS 377935 werden dazu die durch die Realtivbewegung während der Kokillenoszillation durch das magnetische Fold eines Permantentmagnetes in der Strangschale erzeugten Wirbelströme mit einer Empfängerspule erfaßt jnd mit dem Mittelwert des Signals verglichen.

Did Vergrößerung der Reibungskräfte in der Kokille erfordert eine gegenüber dem normalen Gießbetrieb erhöhte Krtft zum Oszillieren der Kokille und zum Ausfördern des Stranges. Dies führt auch zu einer höheren mechanischen Belastung bestimmter Anlagenteile. So ermöglicht z. B. das Messen der Reibungskräfte mit einem in der Kokille eingebrachten elektronischen Beschleunigungsmeßgeber (ML-Tektor) gemäß Stahl und Eisen Nr. 14 (1979) S.737-745 die Qualität des Gießpulvers als kritischen Faktor auszuschließen. In dem Bericht „Development of Techniques for the Prevention of the Breakout caused by Sticking between Mould and Slabs", 98th ISIJ-Meeting, October 1979, ist ein Durchbruchwarnsystem beschrieben, welches das elektrische Signal einer Kraftmeßdose verarbeitet, die auf dem Pleuel, welches die Kraft vom Getriebe auf den Oszillationsmechanismus überträgt, angebracht ist. Das Festkleben der Strangschals verursacht ein anwachsendes Signal, welches seinen größten Wert ungefähr 20-30 Sekunden vor dem Durchbruch erreicht. In der DE-PS 2923900 wird ein Durchbruc! warnsystem in der Weise realisiert, daß in dor kritischen Zone unterhalb der Kokille am ersten Segment die durch die mechanise, fen Widerstände verursachten Kraftänderungen der Ausziehkräfte mittels Druckmeßdosen oder Dehnungsn notreifen gemesssn, mit einem bestimmten Grenzwert verglichen und für eine Veränderung des Gießprozesses bzw. dessen Beendigung herangezogen werden. Mit der DE-PS 330327 ist ein Verfahren zur Durchbruchw^rnung bekannt, welches die im Bereich einer Stranggießkokille auftretenden Schleifgeräusche mittels Schallaufnehmer erfaßt und ein Durchbruchwamsignal abgibt, sobald das aktuelle Schallsignal um mehr als einen Schwellwert vom Normalsignal abweicht. Der Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß der maximal zulässige Wert des gemessenen Signals, welcher einer kritischen Belastung der Strangschale entspricht, von der am Kokillenaustritt vorhandenen Schalenstärke abhängt, welche unberücksichtigt bleibt. Besonders nachteilig wirkt sich bei don bekannten Verfahren aus, daß beim Vergleich des gemessenen Signals mit seinem mittleren Wert diejenigen durchbruchbegünstigenden Faktoren, welche mit einem konstanten Wert im Meßsignal enthalten sind, zu keiner Auslösung des Warnsignals führen.

Die zweite Methode beruht auf der Verfolgung der Wärmearbeit der Kokille, die im praktischen Gießbetrieb anhand des Primärwasserdurchsatzes und der Differenztemperatur oder von Temperaturen in einzelnen Stellen der KokillenpLtte bewertet wird. In Fachberichten Hüttenpraxis Metallweiterverarbeitung, 1985, Nr.4, S.302-316 ist ein von Nippon Steel entwickeltes rechnergestütztes Kokillenüberwachungssystem beschrieben, mit dem der Wärmeaustausch über die Kokillenlänge anhand der gemessenen Thermospannungen von zahlreichen in die Kokillenplatte eingebauten Thermoelementen in verschiedenen Bahnen ständig verfolgt wird. Auf demselben Prinzip beruh·, ein Überwachungs-und Steuerungssystem gemäß DE-PS 3423475, welches das Signal von in den Schmalseitenplatten der Kokille entlang der Gießrichtung eingebrachten Thermoelementen mit Hilfe eines Meßwertrechners verarbeitet. Unnormale Wärmeabgabe in der Kokille kann auch durch ein aus der DE-PS 2501868