DE10027324C2

DE10027324C2 - Verfahren zum Gießen eines metallischen Strangs sowie System hierzu

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Publication number: DE10027324C2
Application number: DE10027324A
Authority: DE
Inventors: Fritz-Peter Pleschiutschnigg; Stephan Feldhaus; Lothar Parschat; Michael Vonderbank; Robert Victor Kowalewski; Thomas Ulke; Rolf-Peter Heidemann
Original assignee: SMS Demag AG
Current assignee: SMS Siemag AG
Priority date: 1999-06-07
Filing date: 2000-06-05
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2020-06-06
Also published as: CA2375133A1; KR20020026448A; MXPA01012413A; TW469187B; EP1183118A1; JP2003501265A; KR100752693B1; CN1368908A; CN1200788C; US6854507B2; ES2192532T3; DE10027324A1; ATE230318T1; DE50001011D1; EP1183118B1; US20040244941A1; WO2000074878A1; US6793006B1

Abstract

Für ein kontrolliertes Betreiben einer Stranggießanlage mit hohen Gießgeschwindigkeiten mit einer Kokille (6), die jeweils gegenüberliegende Kokillenschmalseiten (12, 13) und -breitseiten (10, 11) umfaßt, wobei Schmelze aus einem Verteiler (2) in die Kokille (6) einströmt, wird folgendes vorgeschlagen: DOLLAR A Bestimmung des Ist-Gießzustandes, DOLLAR A Bestimmung der Veränderungen des Ist-Gießzustandes über ein vorgegebenes Zeitintervall, und, DOLLAR A falls sich die Änderungen innerhalb eines vorgegebenen Soll-Intervalls bewegen, Umstellen auf eine automatische Betriebsweise zum Gießen, die die Bestimmung der Verhältnisse der Wärmeströme der Kokillenschmal- zu den jeweiligen Kokillenbreitseiten sowie in Abhängigkeit hiervon Einstellen der Winkelanstellung mindestens einer der beiden Schmalseiten (12, 13) und somit Einstellen eines vorgegebenen Soll-Verhältnisses sowie Messen der Schmelztemperatur im Verteiler und Einstellen der Gießgeschwindigkeit in einem Gießfenster als Funktion von Schmelztemperatur und dem jeweiligen zu vergießenden Werkstoff oder DOLLAR A falls sich die Änderungen mindestens eines Teils oder alle der aufgenommenen Parameter außerhalb des vorgegebenen Soll-Intervalls befinden, Beibehalten der manuellen Steuerung der Winkelanstellung der Kokillenschmalseiten sowie Gießgeschwindigkeit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines metallischen Strangs in einer Stranggußanlage mit hohen Gießgeschwindigkeiten mit einer Kokille, die jeweils gegenüberliegende Kokillenschmalseiten und -breitseiten umfaßt, wobei Schmelze aus einem Verteiler in die Kokille einströmt und die Verteileröffnung mit einem Stopfen oder einem Schieber verschließbar ist. Des weiteren betrifft die Erfindung ein System zur Durchführung des Verfahrens.

Das Stranggießen von Brammen, beispielsweise in einer Dicke von 220 bis 250 mm, oder von dünnen und mittleren Brammen, beispielsweise der Dicke von 30 bis 130 mm, von Blöcken, Knüppeln etc. ist bekannt. Hierbei ist es insbesondere beim Gießen von Dünnbrammen im Verbund mit nachfolgender Walzwerkanlage mit hohen Gießgeschwindigkeiten bis zu 10 m/min unerläßlich, zahlreiche Prozeßdaten miteinander abzugleichen.

Die DE 41 17 073 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung der Konizität zwischen Breitseiten verstellbaren Schmalseiten einer Plattenkokille zur Erzeugung von Strängen aus Stahl im Brammenformat. Hierbei werden von allen vier flüssigkeitsgekühlten Platten einer Kokille die Temperaturen der Kühlflüssigkeit gemessen und die Temperaturwerte miteinander in Beziehung gesetzt und Differenzwerte als Stellwerte für eine Regelung verwendet. Es ist nicht offenbart, die Temperaturwerte als Maß für die Regelung der Gießgeschwindigkeit zu verwenden.

Die DE 195 08 476 A1 betrifft ein Leitsystem für eine Anlage der Grundstoff- oder der verarbeitenden Industrie, das sich im Wesentlichen aus einem Prozessmodell, einer Modelladaption und einem Prozessoptimierer zusammensetzt. Am Beispiel des Bandgießens einer Schmelze, d. h. dem Gießen zwischen zwei rotierenden Walzen, wird dieses Leitsystem konkretisiert. In ein Gesamtprozessmodell gehen verschiedene Teilmodelle ein. Eingangsmodelle geben beispielsweise den Status des zugeführten Materials wieder. Nach einer Verarbeitung der Daten sowie Adaption des Modells wirken Stellgrößen auf Stellglieder der Anlage zurück. Hierbei ist nicht offenbart, Regelungen der Winkelanstellung der Schmalseiten einer Plattenkokille sowie einer maximal möglichen Gießgeschwindigkeit vorzunehmen sowie kein Hinweis gegeben, von einem halbautomatischen Zustand in einen automatischen Zustand zu schalten, sobald bestimmte Grenzwerte unterschritten sind, die Aussagen zulassen über den Reinheitsgrad der Schmelze, den Gießspiegel sowie die Breitseitenwärmeströme.

Entsprechend beschreibt auch die US 3,478,808 aus dem Jahr 1969 ein Regelverfahren zum Gießen von Stahl, hier am Beispiel einer Kokille, die aber nicht ausweislich als Plattenkokille mit zwei Schmal- und zwei Breitseiten und einer bestimmten Schmalseitenkonizität beschrieben wird. Aus einer Vielzahl von Eingangsgrößen sollen mittels einer Regelung Stellgrößen für die Strangabzugsgeschwindigkeit, Strangkühlung, Kokillenkühlung, für den Verteiler- und für den Pfannenausguss ermittelt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen zum kontrollierten Betreiben einer Stranggießanlage zum Gießen von Brammen, insbesondere von Dünnbrammen, mit einer hohen Gießgeschwindigkeit.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung offenbart.

Verfahrensgemäß werden folgende Schritte zum kontrollierten Gießen mit hohen Gießgeschwindigkeiten vorgeschlagen:
Bestimmung des Ist-Gießzustandes;
Bestimmung von Änderungen der Stopfenbewegung, der Gießspiegelbewegung und der Wärmeströme der Kokillenbreitseiten über ein vorgegebenes Zeitintervall und,
falls sich die Änderungen innerhalb eines vorgegebenen Soll-Intervalls bewegen,
Umstellen von einer halbautomatischen auf eine automatische Betriebsweise zum Gießen, die einschließt:
Bestimmung der Verhältnisse der Wärmeströme der Kokillenschmal- zu den jeweiligen Kokillenbreitseiten sowie in Abhängigkeit hiervon:
Einstellen der Winkelanstellung der beiden Schmalseiten und somit Einstellen eines bestimmten, gewünschten Verhältnisses sowie
Einstellen der Gießgeschwindigkeit in einem Gießfenster als Funktion von Schmelztemperatur und dem jeweiligen zu vergießenden Werkstoff oder, falls sich die Änderungen mindestens eines Teils oder aller der Parameter außerhalb eines vorgegebenen Soll-Intervalls befinden,
Beibehalten der halbautomatischen Steuerung der Winkelanstellung der Kokillenschmalseiten sowie Gießgeschwindigkeit.

Zur Bestimmung des Ist-Gießzustandes werden insbesondere folgende Parameter gemessen:

- Stopfenbewegung;
- Temperatur der Schmelze im Verteiler;
- Position der Verschlußmittel für die Verteileröffnung;
- Gießspiegelhöhe in der Kokille;
- Wärmestrom über die Kokillenbreitseiten (WF; WL);
- Wärmestrom über die Kokillenschmalseiten (NO; ND);
- Ist-Gießgeschwindigkeit.

Das vorgeschlagene Verfahren geht von einer halbautomatischen Betriebsweise des Gießvorgangs aus, die bei Vorliegen bestimmter Voraussetzungen, die einem annähernd optimalen Gießvorgang entsprechen, selbständig auf eine Vollautomatik umschaltet. Der Grad der Automatisierung bezieht sich hierbei auf das Einstellen, vorzugsweise selbständige Regeln der Gießgeschwindigkeit sowie auf das Einstellen des Neigungswinkels (Konizität) der Schmalseiten sowohl auf der Bedienungsseite (NO) als auch auf der Antriebsseite (ND) in Abhängigkeit des Verhältnisses der Wärmeströme zwischen den Schmalseiten und den Breitseiten.

Ob die Verhältnisse des Gießvorgangs die Umschaltung auf den Automatik- Betrieb erlauben, hängt von bestimmten Vorbedingungen ab, wie hoher oxidischer Reinheitsgrad des vergossenen Metalls, insbesondere Stahls, ruhiger Gießspiegel sowie konstanter Wärmestrom über die Kokillenbreit- bzw. Kokillenschmalseiten. Nur wenn - vorzugsweise alle - diese Vorbedingungen erfüllt sind, wird auf Vollautomatik umgeschaltet.

Grundsätzlich soll die Temperatur der Schmelze im Verteiler gemessen werden, beispielsweise über eine kontinuierliche Messung mittels Thermoelementen. Es ist auch denkbar, die Temperatur der Schmelze im Verteiler über Berechnungen zu bestimmen, beispielsweise mit Hilfe der Temperatur der Schmelze in der Pfanne. In einem solchen Fall können Temperatureinzelmessungen der Stahltemperatur im Verteiler hilfsweise herangezogen werden.

Das Gießfenster ändert sich in Abhängigkeit von den Stahlgüten-Gruppen sowie von den eingesetzten Gießpulvern. Es wird vorgeschlagen, daß nach Umstellung auf einen automatischen Betrieb in Abhängigkeit von der maximal möglichen Gießgeschwindigkeit ein entsprechendes Maß an Gießpulver beigegeben wird.

In Anspruch 5 wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für Grenzintervalle der zu messenden Parameter für eine zu vergießende Stahlschmelze angegeben.

Das vorgeschlagene System dient zur Durchführung des Verfahrens. Es umfaßt Einrichtungen zur Bestimmung des Ist-Gießzustandes sowie eine Recheneinheit zum Vergleich der aktuellen Meßwerte über ein bestimmtes Zeitintervall mit vorgegebenen Grenzwerten. Des weiteren umfaßt das System Anstellzylinder zur Steuerung der Winkelstellung der Kokillenschmalseiten, d. h. ihre Konizität, sowie Mittel zur Steuerung der Gießgeschwindigkeit.

Vorzugsweise weist das System Alarmmittel auf, die bei Überschreiten der vorgegeben Grenzwerte durch die errechneten Änderungen der Meßwerte aktiviert werden, sowie Mittel zum Zurückschalten der Automatik in eine Halbautomatik.

Für eine halbautomatische Steuerung sind Bedienmittel zur manuellen Steuerung der Gießgeschwindigkeit und/oder der Winkelstellung mindestens einer der beiden Kokillenschmalseiten vorgesehen.

Insgesamt ist mit dem vorgeschlagenen Verfahren und dem System ein kontrolliertes Betreiben einer Stranggießanlage mit hohen Gießgeschwindigkeiten, vorzugsweise mit den maximal möglichen Gießgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Schmelzetemperatur im Verteiler und der konkreten Legierungszusammensetzung, bei optimaler Einstellung der Winkel der Schmalseiten zu den Breitseiten als Funktion der Wärmeströme möglich. Die Automatisierung ist in ihrer äußeren Bedienungssprache auf eine einfache Funktionssprache, die vom Bedienpersonal gut überschaubar ist, zurückgeführt. Der Grad der Automatisierung, der in seiner Bedienungssprache nur noch die Wahl der Gießgeschwindigkeit und die Kontrolle der Schmalseitenwärmeströme kennt, läßt die Möglichkeit der Fahrweise eines vollautomatischen Betriebsweise zu.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Übersicht über den Regelkreis zum kontrollierten Betrieben einer Stranggußanlage mit hohen Gießgeschwindigkeiten;

Fig. 2 im Querschnitt einen Ausschnitt einer Kokille einer Stranggußanlage;

Fig. 3a ein Diagramm zur Darstellung des Verhältnisses der Kokillenbelastung über die Gießzeit;

Fig. 3b ein Diagramm zur Darstellung des Verhältnisses der spezifischen Wärmeströme der beiden Kokillenbreitseiten jeweils über die beiden Kokillenschmalseiten über die Gießzeit,

Fig. 4a) bis c) Darstellungen von drei verschiedenen Gießsituationen A, B und C durch unterschiedliche Anstellungen der Kokillenschmalseiten mit den jeweils entsprechenden Wärmeströmen bzw. Wärmestromverhältnissen der Kokillenschmalseiten über den Kokillenbreitseiten;

Fig. 5 die Darstellung der Änderung des Temperaturverlaufs von Schmelzen im Verteiler über eine Gießzeit von einer Stunde;

Fig. 6 ein Gießfenster für Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt durch Gegenüberstellung der Schmelzetemperatur im Verteiler in °C und der Gießgeschwindigkeit in m/min;

Fig. 7 Diagramme zur Darstellung der Zusammenhänge der Veränderung des Gießschlackenfilms, der Strangschalentemperatur am Kokillenaustritt bzw. Strangschalendicke am Kokillenaustritt, der Kokillenbelastung bzw. der Strangschalenbelastung, der Kokillenhauttemperatur bzw. der Kokillenstandzeit jeweils über die Gießgeschwindigkeit;

Fig. 8 einen Querschnitt durch einen Verteiler der Stranggießanlage mit in der Verteilerwandung oder in einem Strömungswehr des Verteilers eingebrachten Thermoelementen.

Fig. 1 zeigt als schematische Übersicht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für den Regelkreis zum kontrollierten Betreiben einer Stranggußanlage mit hohen Gießgeschwindigkeiten.

Die Anlage umfaßt eine Stahlpfanne 1, einen Verteiler 2 mit einem Stopfen 3 - es ist auch ein Schieberverschluß denkbar - und einen Tauchausguß 4, der in eine oszillierende Kokille 5 hineinragt. Die Kokille 5 kann trichterförmig ausgebildet sein, hier andeutungsweise dargestellt (6). Der Kokille 5 nachgeordnet sind Ausziehrollen 7, die mit einem Motor 8 angetrieben werden und den gegossenen Strang 9 mit kontrollierter Geschwindigkeit ausfördern.

Die Kokille 5 umfaßt zwei Breitseiten 10, 11 (vgl. Fig. 2) und zwei Schmalseiten (12, 13), mit einer Schmalseite auf der Bedienungsseite (NO) [12] und einer Schmalseite auf der Antriebsseite (ND) [13]. Der Winkel der Schmalseiten, d. h. ihre Konizitätsstellung, ist mittels Anstellzylindern (14, 15) verstellbar.

Es werden folgende Meßwerte kontinuierlich oder diskontinuierlich in entsprechenden Zeitintervallen aufgenommen:

- Temperatur der Stahlschmelze im Verteiler in °C (16);
- Stopfenbewegung in dy/dt (17);
- Wärmeströme pro Flächeneinheit der Breitseiten in MW/m², jeweils für die Losselte (WL) und die Festseite (WF) (18);
- Wärmeströme pro Flächeneinheit der Schmalseiten in MW/m², jeweils für die Operator(NO)- und Drive(ND)-Seite (19);
- die Bewegung des Gießspiegels in der Kokille als dx/dt (20) sowie die Ist-Gießgeschwindigkeit in m/min (21).

Als Meßeinrichtungen kommen alle handelsüblichen Geräte in Betracht, beispielsweise Thermoelemente, aber auch optische Meßgeräte. Die Dauermessung der Stahltemperatur im Verteiler kann auch über eine Meßlanze erfolgen, die mit Hilfe eines Manipulators in den Verteiler eingetaucht ist. Eine solche Meßlanze besteht zum Beispiel aus einem Tonerde-Graphit-Mantel, in dessen Sohle ein Thermoelement eingelassen ist. Eine preiswertere Lösung bietet die Temperaturmessung mittels eines Thermoelementes, welches sich unmittelbar in der Verteilerwandung. bzw. innerhalb dessen Ausmauerung oder in einem Strömungswehr des Verteilers befindet. Hierzu wird bereits der Verteiler von der Herstellerseite mit entsprechenden Langlöchern versehen, in die die Thermoelemente einführbar sind. Auf diese Weise kann die Stahltemperatur auch im Mittenbereich des Verteilers bzw. am Ort der Stahlströmung gemessen werden. Das oder die jeweiligen Thermoelemente werden in den Verteiler entweder direkt bei der Verteilerzustellung oder vor Beginn des Gießens eingebracht.

Die Meßdaten (16 bis 21) fließen in einen Rechner 22, der Differenzwerte berechnet und somit Änderungen über die Zeit. Diese Differenzwerte werden mit vorgegebenen Grenzwerten 23 verglichen.

Nachfolgend werden Beispiele für derartige Grenzwerte 23 für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel angegeben, die allerdings die Erfindung nicht auf diese beschränken.

Unter Vorbedingungen bzw. Grenzbedingungen mit:

- einer Veränderung der Stopfenbewegung von maximal ± 2 mm/Zeiteinheit, vorzugsweise von ± 0, d. h. einem Stahl mit hohem Reinheitsgrad (clean Steel), der zu keiner wesentlichen, oxidischen Ablagerung sowie zu keiner Stopfenerosion führt;
- einem konstanten Wärmestrom/Flächeneinheit der jeweiligen Breitseite (18), d. h. absolut und relativ zueinander mit einer Toleranz von maximal 0,1 MW/m² bei konstanter Gießgeschwindigkeit über die Gießzeit;
- einer Gießspiegelbewegung von maximal ± 5 mm über einer Gießzeiteinheit von 60 s;
- einem Wärmestromverhältnis der Kokillenschmalseiten zu den jeweiligen Kokillenbreitseiten von < 0,9 und < 0,4

schaltet sich die Steuerung von der Halbautomatik selbständig auf eine Vollautomatik im Sinne eines Auto-Piloten um. Es wird eine hohe Betriebssicherheit erreicht bei einer Durchbruchwahrscheinlichkeit der Strangschale von weniger als 0,5%.

Im Falle der Halbautomatik ist die Einflußnahme auf die Gießgeschwindigkeit und die Anstellwinkel der Schmalseiten mittels einer Bedienoberfläche 24 mit Joystick möglich, mit dem jeweils die Geschwindigkeit und die Anstellwinkel verkleinert oder vergrößert werden können, d. h. mit einer ±-Funktion.

Nach Umschalten in die Vollautomatik erfolgt eine selbständige Korrektur der Winkelanstellung der Schmalseiten mittels Ansteuerung durch die beiden Anstellzylinder (14, 15), wobei gewährleistet ist, daß sich das Verhältnis der Wärmestromverhältnisse der Schmalseiten über die Breitseiten im vorgegebenen Grenzintervall von 0,6 bis 0,8 bewegt. Die Korrektur des Verstellwinkels wird vorzugsweise automatisch in Schritten von jeweils 0,1 mm/Verstellaktion vorgenommen. Zudem wird die jeweils mögliche, maximale Gießgeschwindigkeit eingestellt. Diese ergibt sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Gießtemperatur und der Legierungszusammensetzung des zu vergießenden Stahls. Ein Beispiel für ein derartiges Gießfenster wird mit Fig. 6 gegeben.

Nach Umschalten in die Vollautomatik wird dies auf der Bedienoberfläche mit einer entsprechenden Funktionslampe 25 angezeigt. Falls die Änderung der aufgenommenen Meßwerte allerdings das Grenzwertintervall verläßt, wird mittels einer weiteren Funktionslampe 26 Alarm zur Übernahme in die Halbautomatik angezeigt. Neben der Einflußnahme auf die Anstellzylinder 14, 15 ist ebenfalls die Regelung des Antriebsmotors 8 für die Strangauszugsrollen 7 vorgesehen.

Fig. 2 gibt einen Überblick über die Kokille 5 - hier mit angedeutetem Eingießtrichter 6. Die mit Fig. 1 übereinstimmenden Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die beiden Schmalseiten 12, 13 der Kokille sind jeweils über oben und unten angreifende Anstellzylinder 14a, 14b, 15a und 15b in ihrer Anstellung verstellbar. Es wird durch die in der Kokillenform gezeichneten Pfeile deutlich, wie die Schmelze über den Tauchausguß 4 vom Verteiler in die Kokille 5 einströmt. Der flüssige Stahl wird durch den Tauchausguß 4 unter dem Gießspiegel 26 in die Kokille bei Einsatz von Gießpulver 27 unter Bildung von Gießschlacke 28 und einem Gießschlackenfilm 29 zwischen Kokillenform und Strangschale geleitet, der zur Schmierung und Wärmestromkontrolle dient.

Nachfolgend wird erläutert, wie die Winkelstellungen der Schmalseiten in Abhängigkeit der Wärmestromverhältnisse eingestellt werden.

Hierzu werden mit Hilfe der Fig. 3a zuerst die Verhältnisse unter normalen Gießbedingungen, d. h. ruhigem Prozeßverlauf ohne große Schwankungen, gezeigt.

Fig. 3a zeigt den spezifischen Wärmestromverlauf in MW/m² über die Zeit, jeweils für die Kokillenbreitseite auf der Fest-(WF) und Losseite (WL) sowie für die Schmalseiten (NO sowie ND). Der Wärmestromverlauf ist ein Maß für die Kokillenbelastung. Bei Erreichen der Zeit t_X (31) befindet sich die Temperatur der Schmelze in der Kokille im Gleichgewicht mit der Schmelztemperatur im Verteiler. Mit V_G (21) ist die Gießgeschwindigkeit eingezeichnet, die anfänglich ansteigt, um dann konstant zu verlaufen.

Im Diagramm der Fig. 3b sind die Wärmestromverhältnisse jeweils einer Schmalseite über die Breitseiten über die Zeit dargestellt. Die Wärmeströme in den Schmalseiten werden durch die Winkelanstellung der Schmalseiten so eingestellt, daß das Verhältnis der Wärmeströme zu den Breitseiten kleiner 1 ist. Ein Verhältnis unter 1 ist konstant zu halten, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 0,8, besonders vorzugsweise von 0,6 bis 0,8.

Über den Strangumfang unterschiedlich ausgebildete Schlackenfilme, insbesondere zwischen Breit- und Schmalseiten, unterschiedliche Gießgeschwindigkeiten, unterschiedliche Stahltemperaturen, ungleichförmige Strömungsverhältnisse in der linken und rechten Hälfte der Kokille sowie ein Auslenken der Bramme aus der Strangmittenachse in Gießrichtung können zu Abweichungen in der spezifischen Wärmeabfuhr führen. Bei der vollautomatischen Betriebsweise werden die Anstellungen selbständig geregelt, um diese Veränderungen zu kompensieren und stets bestimmte Wärmestromverhältnisse zu gewährleisten.

Die Regelung von Anstellungen wird in Fig. 4 an drei typischen Fällen A, B und C (Fig. 4a) dargestellt im Zusammenhang mit den spezifischen Wärmeströmen, ausgedrückt als MW/m², in Fig. 4b und dem Wärmestromverhältnis der jeweiligen Schmalseite zur jeweiligen Breitseite in Fig. 4c.

Im Fall A (vgl. Fig. 4a) weist der Wärmestrom der Kokillenschmalseite auf der Antriebsseite (ND) geringere Werte als der Wärmestrom auf der Kokillenschmalseite auf der Bedienerseite (NO) auf. Durch eine größere Winkelanstellung und Änderung der Konizität auf der ND-Schmalseite von Position 0 (Ausgangsposition) zu Position 1 wird der Wärmestrom der (ND)-Schmalseite dem der (NO)-Schmalseite angepaßt.

Im Fall B (vgl. Fig. 4a) sind die Wärmeströme beider Schmalseiten im Vergleich zu den Breitseiten zu hoch, was durch hohe Werte der Verhältnisse zwischen den Wärmeströmen auf der Schmal- bzw. Breitseite deutlich wird. Durch eine Rücknahme der Konizitätsanstellung beider Schmalseiten von der Position 0 (Ausgangsposition) zur Position 1 werden die Wärmeströme in das korrekte Verhältnis zur den Breitseiten gesetzt.

Im Fall C sind die Wärmeströme der Schmalseiten zu gering und können durch eine gleichzeitige Vergrößerung der Winkelsanstellung und somit Schmalseiten- Konizitäten von Position 0 auf Position 1 auf ihren relativ zu den Breitseiten richtigen Wert gebracht werden.

Die Fig. 5 gibt den Temperaturverlauf von Schmelzen über die Zeit von etwa einer Stunde in dem Verteiler wieder. Es ist zu erkennen, daß beispielsweise bei Pfannen mit einem Schmelzeinhalt von etwa 180 t die Stahltemperatur um ca. 5°C/Stunde fällt. Dieser Abfall der Stahltemperatur im Verteiler kann relativ gering gehalten werden und hängt im wesentlichen ab von der:

- Verweilzeit des Stahles im Verteiler, d. h. von der Gießleistung und der
- Isolierung des Verteilers.

Die absolute Temperatur, mit der der Stahl im Verteiler einläuft, ist vom Stranggießbetrieb vorgegeben, wird vom Stahlwerk eingestellt und hängt beispielsweise ab von:

- Pfannenlaufzeiten,
- Pfannenalter und
- Pfannenausmauerung,

die häufig durch eine unkontrollierte Verfahrensweise zu Abweichungen von der Soll- Temperatur führen.

In Fig. 6 ist am Beispiel eines niedriggekohlten Stahls ein Gießfenster dargestellt, welches das Verhältnis der Stahltemperatur im Verteiler zu der maximal möglichen Gießgeschwindigkeit darstellt.

Das Gießfenster wird von einer oberen und unteren Temperaturgrenze gebildet (oberer und unterer Grenzwert, die mit einer fetten Linie gekennzeichnet sind). Es ist die Temperatur der Stahlschmelze in der Kokille eingezeichnet. Zudem sind die Liquidus-Bereiche für niedriggekohlte Güten und zum Vergleich ebenfalls der Liquidus-Bereich für Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt dargestellt. Für jede Stahlgruppe mit niedrigem, mittlerem oder hohem Kohlenstoffgehalt existiert ein anderes Gießfenster. Die Linie, die den unteren Temperaturgrenzwert für die Schmelzetemperatur im Verteiler angibt, bewegt sich zu niedrigeren Temperaturen mit:

- größerem Verteilervolumen;
- verbesserter Verteilerisolierung;
- Einsatz einer elektromagnetischen Bremse in der Kokille.

Das Diagramm der Fig. 6 stellt drei Schmelzen mit unterschiedlichen Verteilertemperaturen und damit unterschiedlichen, maximal möglichen Gießgeschwindigkeiten dar, wobei sie aber alle den gleichen Temperaturverlust von 5°/Stunde aufweisen.

Diese drei Fälle im Gießfenster sollen nun im einzelnen erläutert werden.

Im Fall a beträgt die Stahltemperatur bei Gießbeginn 1570°C und erlaubt eine maximale Gießgeschwindigkeit von 4,0 m/min. Nach einer Stunde Gießzeit am Ende der Pfannengießzeit erlaubt die gesunkene Stahltemperatur von 1565°C eine maximale Gießgeschwindigkeit von jetzt 4,5 m/min. was durch die jeweilige fette und gestrichelte Linie a verdeutlicht ist.

Im Fall b beträgt die Stahltemperatur im Verteiler bei Gießbeginn der Schmelze 1560°C und bei Gießende 1555°C. Dies erlaubt eine maximale Gießgeschwindigkeit von 5,0 m/min und bei Gießende von 5,85 m/min.

Im Fall c beträgt die Temperatur 1550°C und erlaubt eine Gießgeschwindigkeit von 7,2 m/min und bei Gießende mit einer Temperatur von 1545°C eine Gießgeschwindigkeit von größer 8 m/min. Die Geschwindigkeit von maximal 8 m/min kann bei Erreichen einer Temperatur von ca. 1548° gefahren werden.

Zum besseren Verständnis werden noch folgende, bekannte Zusammenhänge gegenübergestellt. Fig. 7 stellt die Zusammenhänge zwischen:

- Gießschlackenfilm;
- Strangschalentemperatur, z. B. am Kokillenaustritt, Strangschalendicke und Schrumpf;
- Kokillen- und Strangschalenbelastung bzw. Schrumpf;
- maximale Kokillenhauttemperatur im Gießspiegel und damit der Kokillenstandzeit in Relation zur Rekristallisationstemperatur, die zur Erweichung des kaltgewalzten Kupfers führt,

jeweils über die Gießzeit dar.

Insbesondere ist zu erkennen, daß bei hohen Gießgeschwindigkeiten, bei Einsatz von Gießpulver und einer bestimmten Gießgeschwindigkeit von beispielsweise mehr als 4,5 m/min die Kokillenbelastung nahezu konstant bleibt und die Strangschalenbelastung stark abnimmt. Der Grund hierfür ist ein bei hohen Gießgeschwindigkeiten konstanter Schlackenschmierfilm und damit konstanter Wärmedurchgang, aber eine proportional zur Gießgeschwindigkeitssteigerung geringer werdende Verweilzeit der Strangschale in der Kokille. Das Diagramm macht deutlich, daß mit steigender Gießgeschwindigkeit die Kokillenbelastung nicht mehr ansteigt und die Strangschalenbelastung geringer wird, wobei die Gefahr einer Rißbildung abnimmt, aber auch die Strangschale, beispielsweise am Ende der Kokille, dünner und heißer wird.

Fig. 8 zeigt einen Querschnitt eines Verteilers eines Stranggießanlage, in Fig. 1 mit 2 bezeichnet. Der Verteiler 2 ist in zwei Bereiche mittels eines Strömungswehrs 32 geteilt. Derartige Strömungswehre 32 sind üblicherweise in Verteilern zwecks Regulation der Stahlschmelzemenge vorgesehen; hierzu dient auch die Überlaufschnauze 39. Im Boden des Verteilers ist eine Öffnung 33 zur Aufnahme eines Stopfens vorgesehen. In das Strömungswehr 32 und in die - hier mehrschichtige - Ausmauerung 34 des Verteilers sind Langlöcher 35, 36 eingebracht, in die konventionelle Thermoelemente 37, 38 einführbar sind. Es wird deutlich, daß die Temperaturmessung der Schmelze im Verteiler von oben, aber auch seitlich erfolgen kann. Insbesondere durch das in das Strömungswehr 32 eingebrachte Thermoelement 37 ist es möglich, die Temperaturen des strömenden Stahls bei hoher Betriebssicherheit exakt zu messen.

Bezugszeichenliste

1

Stahlpfanne

2

Verteiler

3

Stopfenverschluß

4

Tauchausguß

5

oszillierende Kokille

6

trichterförmige, oszillierende Kokille

7

Ausziehrollen

8

Motor

9

Strang

10

Breitseite fixiert oder Rückseite, WF

11

Breitseite Losseite oder Rückseite, WL

12

Schmalseite auf der Bedienungsseite (NO)

13

Schmalseite auf der Antriebsseite (ND)

14

Anstellzylinder

15

Anstellzylinder

16

diskontinuierliche oder kontinuierliche Temperaturmessung des Stahles im Verteiler

17

Stopfenbewegung

18

a Wärmestrommessung in MW/m²

der Festseite (WF)

18

b Wärmestrommessung in MW/m²

der Losseite (WL)

19

a Wärmestrommessung in MW/m²

der Bedienungsseite (NO)

19

b Wärmestrommessung in MW/m²

der Antriebsseite (ND)

20

Gießspiegelbewegung in dx/dt

21

Gießgeschwindigkeit, V_G

22

Rechner

23

Grenzwerte

24

Bedienoberfläche

25

Vollautomatik/Auto-Pilot-Status

26

Alarm für Übernahme in Halbautomatik

27

Gießpulver

28

Gießschlacke

29

Gießschlackenfilm zwischen Kokille und Strangschale

30

Strangschale

31

Gießzeitpunkt t_X

, nach der die Stahltemperatur sich im Gleichgewicht mit dem Verteiler befindet

32

Strömungswehr eines Verteilers

2

33

Öffnung zur Aufnahme eines Stopfens

34

Verteilerausmauerung

35

Langloch

36

Langloch

37

Thermoelement

38

Thermoelement

39

Überlaufschnauze

Claims

1. Verfahren zum Gießen eines Strangs aus Stahl in einer Stranggußanlage mit hohen Gießgeschwindigkeiten mit einer Kokille (6), die jeweils gegen überliegende Kokillenschmalseiten (12, 13) und -breitseiten (10, 11) um faßt, wobei Schmelze aus einem Verteiler (2) in die Kokille (6) einströmt und die Verteileröffnung mit einem Stopfen (3) oder einem Schieber ver schließbar ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Bestimmung des Ist-Gießzustandes durch:
Messung der Stopfenbewegung;
Messung der Bewegung des Gießspiegels in der Kokille;
Messung der Wärmeströme pro Flächeneinheit der Festseite als auch der Losseite der Kokillenbreitseiten (WF; WL);
Messung der Wärmeströme pro Flächeneinheit der Bedienungs(NO)- und Antriebsseite (ND) der Kokillenschmalseiten;
Messung der Temperatur der Stahlschmelze im Verteiler;
Messung der Ist-Gießgeschwindigkeit;
Bestimmung der Änderungen der Stopfenbewegung,
der Gießspiegelbewegung und der Wärmeströme der Kokillenbreitseiten, und,
falls sich die Änderungen innerhalb eines vorgegebenen Soll-Intervalls bewegen,
Umstellen von einer halbautomatischen auf eine automatische Betriebsweise zum Gießen, die einschließt:
Bestimmen der Ist-Verhältnisse der Wärmeströme der Kokillenschmal- zu den jeweiligen Kokillenbreitseiten sowie selbständige Korrektur der Winke lanstellung der Schmalseiten unter Gewährleistung, dass sich das Verhält nis der Wärmeströme der Schmalseiten über die Breitseiten in einem vor gegebenen Grenzintervall bewegt;
Einstellen einer jeweils möglichen, maximalen Gießgeschwindigkeit in einem Gießfenster als Funktion von Schmelztemperatur und dem jeweiligen zu vergießenden Werkstoff oder,
falls sich die Änderungen der aufgenommenen Werte außerhalb eines vor gegebenen Grenzintervalls befinden,
Beibehalten der halbautomatischen Steuerung der Winkelanstellung der Kokillenschmalseiten sowie Gießge schwindigkeit.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Umstellung auf einen automatischen Betrieb in Abhängigkeit von der maximal möglichen Gießgeschwindigkeit ein entsprechendes Maß an Gießpulver beigegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelanstellungen der beiden Kokillenschmalseiten auf der Be dienungsseite (Operatorseite (NO)) als auch auf der Antriebsseite (Drive seite (ND)) unabhängig voneinander oder gemeinsam eingestellt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgter Umstellung auf eine automatische Betriebsweise bei Überschreiten von vorgegebenen Grenzwerten von Änderungen der Meß werte die Betriebsweise wieder in eine halbautomatische umspringt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
kontinuierliches oder diskontinuierliches Messen der Temperatur der Stahl schmelze im Verteiler, des Stopfenweges, der Gießspiegelhöhe in der Ko kille, der Wärmeströme pro Flächeneinheit der Festseite als auch Losseite der Kokillenbreitseiten (W) sowie der Wärmeströme pro Flächeneinheit der Bedienungs (NO)- und Antriebsseite (ND) der Kokillenschmalseiten, wobei das Soll-Intervall als Kriterium für das Umstellen auf eine automati sche Betriebsweise definiert ist mit:
die Veränderung der Stopfenbewegung ist maximal ± 2 mm/Zeiteinheit;
die Veränderung der Gießspiegelhöhe ist maximal ± 5 mm/Zeiteinheit;
die Veränderung der Wärmeströme der Kokillenbreitseiten ist maximal ± 0,10 MW/m² absolut und relativ zueinander und
das Wärmestromverhältnis der Schmalseiten zu den Breitseiten wie folgt:
0,9 < NO/W, ND/W < 0,4,
und nach erfolgter Umstellung auf den Automatik-Betrieb
Regelung der Winkelanstellung der Schmalseiten mittels Ansteuerung von Anstellzylindern, so daß sich das Verhältnis der Wärmestromverhältnisse der Schmalseiten über die Breitseiten im folgenden Grenzintervall bewegt:
0,8 < NO/W, ND/W < 0,6;
Messen der Ist-Schmelztemperatur im Verteiler;
Regelung der maximal zulässigen Gießgeschwindigkeit als Funktion der Schmelzetemperatur und Legierungszusammensetzung.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur der Winkelanstellung der Schmalseiten automatisch in Schritten von jeweils 0,1 mm/Verstellaktion stattfindet.

7. System zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, welches vorgesehen ist in einer Stranggußanlage mit einer Kokille (6), die jeweils gegenüberliegende Kokillenschmalseiten (12, 13) und -breitseiten (10, 11) umfaßt, wobei Schmelze aus einem Verteiler in die Kokille ein strömt und die Verteileröffnung einen Stopfen (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß dieses umfaßt:
Mittel zum Ermitteln des Ist-Gießzustandes anhand des Reinheitsgrades der Schmelze, des Gießspiegels und der spezifischen Breitseitenwär meströme, die eine Einrichtung zum Messen der Temperatur der Stahl schmelze im Verteiler, zum Messen des Stopfenweges, zum Messen des Wärmestromes über die beiden Kokillenbreitseiten, zum Messen des Wär mestromes über die beiden Kokillenschmalseiten sowie zum Messen der Gießspiegelhöhe in der Kokille umfassen;
eine rechnerische Einheit (22) zur Bestimmung der Änderungen der jeweili gen gemessenen Werte über ein vorgegebenes Gießzeitintervall sowie Vergleich der Änderungen mit vorgegebenen Grenzwerten (23),
Mittel (14, 15) zur Änderung der Winkelstellung der konisch zueinander an geordneten, beiden Kokillenschmalseiten sowie
Mittel zur Änderung der Gießgeschwindigkeit,
wobei die Mittel zur Änderung der Winkelstellung der Schmalseiten sowie die Mittel zur Änderung der Gießgeschwindigkeit sowohl in Abhängigkeit von dem Ergebnis der rechnerischen Einheit selbständig ansteuerbar sind oder halbautomatisch ansteuerbar sind.

8. System nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch:
Alarmmittel (26), die aktiviert werden bei Überschreiten der vorgegebenen Grenzwerte durch die errechneten Änderungen der Meßwerte und
Mittel zum Zurückschalten der Automatik in eine Halbautomatik.

9. System nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bedienmittel (24) zur halbautomatischen Steuerung der Gießge schwindigkeit und/oder der Winkelstellung mindestens einer der beiden Ko killenschmalseiten (12, 13) vorgesehen ist.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Messen der Temperatur der Schmelze im Vertei ler ein Thermoelement (37, 38) ist, welches in die Verteilerwandung oder in ein Strömungswehr (32) des Verteilers in ein darin eingebrachtes Langloch (35, 36) einführbar ist.