DE102006060673A1

DE102006060673A1 - Verfahren und Regelvorrichtung zum Regeln der Wärmeabfuhr einer Seitenplatte einer Kokille

Info

Publication number: DE102006060673A1
Application number: DE102006060673A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Friedrich; Axel Weyer; Matt Korzi
Original assignee: SMS Demag AG
Current assignee: SMS Siemag AG
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2008-05-08
Also published as: US20100044000A1; EP2086703A1; KR20090064439A; WO2008052689A1; JP2010508151A; CA2664891A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Regelvorrichtung zum Regeln der Wärmeabfuhr $I1 bei einer Kokille 200 zum Gießen von Metall. Durch geeignete Variation des Durchflusses $I2 eines Kühlmediums 300 durch die Seitenplatte einer Kokille wird die Wärmeabfuhr der Seitenplatte auf einen vorgegebenen Soll-Wert $I3 eingeregelt. Um die Regelung der Wärmeabfuhr nicht jedes mal bei Verwendung unterschiedlicher Kokillen an unterschiedliche Dicken oder Beschichtungen der Seitenplatten oder an veränderte Anstellungen der Seitenplatten während des Gießbetriebs oder beim Gießen unterschiedlicher Stahlqualitäten an diese anpassen zu müssen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Ist-Wert für die Wärmeabfuhr $I4 während eines stationären Gießbetriebs unter anderem aus der Differenz zwischen der Temperatur des Kühlmediums 300 am Kühlmittelausgang und am Kühlmitteleingang der Seitenplatte 200 sowie aus Materialkonstanten für das Kühlmedium jeweils geeignet aktuelle zu berechnen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Regelvorrichtung zum Regeln der Wärmeabfuhr bei einer Seitenplatte einer Kokille zum Gießen von Metall in einer Grammen-, Dünnbrammen-, Block-, Knüppel- oder Vorprofilstranggießanlage. Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt bei normalen Brammenanlagen bzw. Kokillen, welche im Vergleich zu Dünnbrammenanlagen mit einer deutlich geringeren Gießgeschwindigkeit arbeiten
Ein Verfahren zum Regeln der Wärmeabfuhr bei einer Seitenplatte einer Kokille ist zum Beispiel aus der europäischen Patentschrift EP 1 070 560 B1 bekannt. Dort wird die spezifische Wärmeabfuhr, auch Wärmestromdichte genannt, bei einer Breitseitenplatte durch eine geeignete Variation der Durchflussgeschwindigkeit des Kühlwassers durch die Breitseitenplatte geregelt. Die Regelung erfolgt nach Maßgabe der Dicke der Seitenplatte aus Kupfer. Ein definierter Schwellenwert für die Wärmestromdichte wird in Abhängigkeit der Qualität des zu gießenden Stahls und des verwendeten Gießpulvers definiert. Dieser Stand der Technik zielt allein auf eine Beschränkung der Wärmeabfuhr der während der relativ kurzen Zeit des Anfahrens bei einer Dünnbrammenanlage mit hoher Geschwindigkeit.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Regelvorrichtung zum Regeln der Wärmeabfuhr bei einer Seitenplatte einer Kokille bereitzustellen, welche sich durch eine automatische Adaption an einen jeweils aktuellen bzw. veränderten Zustand der Seitenplatten insbesondere während eines stationären Gießbetriebs auszeichnet.
Diese Aufgabe wird zum einen durch das in dem Patentanspruch 1 beanspruchte Verfahren gelöst.
Das Kühlverhalten einer Kokille und insbesondere von deren Seitenplatten bestimmt maßgeblich die Qualität des gegossenen Metalls. Das beanspruchte Verfahren bietet den großen Vorteil, dass es – anders als dies noch im Stand der Technik erforderlich war – keine Anpassung bzw. Einstellung des Kühlmittelkreislaufs und insbesondere Kühlmittelmenge an das Material, die Dicke oder die Beschichtung einer konkret verwendeten Seitenplatte oder deren veränderter Anstellung während eines stationären Gießbetriebs erfordert. Das beanspruchte Verfahren beziehungsweise die beanspruchte Regelung der Wärmeabfuhr adaptiert sich insofern automatisch auf den jeweils aktuellen Zustand der verwendeten Seitenplatte.
Vorteilhafterweise bedarf die beanspruchte Regelung auch keiner Voreinstellung im Hinblick auf die jeweils gegossene Stahlqualität.
Vorteilhafterweise ermöglicht das beanspruchte Verfahren die Einstellung des Kühlverhaltens der Seitenplatte und damit der Qualität des gegossenen Metalls nur noch in Abhängigkeit einer einzigen vorzugebenden Variable, nämlich der abgeführten Wärmemenge.
Die Steuerung der Wärmeabfuhr beim Angießvorgang, bei abnormalen Gießsituationen, wie sie zum Beispiel durch eine Veränderung der Gießgeschwindigkeit verursacht werden, oder am Ende eines Gießvorganges wird durch eine konventionelle Steuerung der Wassermengen vorgenommen; auf die genannten Vorgänge und Situationen findet das erfindungsgemäße Verfahren deshalb ausdrücklich keine Anwendung.
Gemäß zweier alternativen Ausgestaltungen sieht das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise entweder eine Regelung auf die spezifische Wärmeabfuhr (bezogen auf die kühlaktive Fläche der Seitenplatte) oder auf die absolute Wärmezufuhr vor, bei welcher der Bezug auf die kühlaktive Fläche der Seitenplatte entfällt.
Die in die Berechnung des Ist-Wertes für die Wärmeabfuhr eingehenden Messwerte, zum Beispiel die Temperatur des Kühlmediums am Kühlmittel-Eingang und -Ausgang der Seitenplatte sowie optional auch die Größe des Durchflusses des Kühlmediums durch die Seitenplatte, werden vorteilhafterweise gemittelt oder gefiltert oder gedämpft, bevor sie in die Berechnung des Ist-Wertes für die Wärmeabfuhr eingehen. Dies hat den Vorteil, dass die dynamischen Eigenschaften/Anteile der gemessenen Ist-Werte an die demgegenüber vergleichsweise langsame Regelung der Wärmeabfuhr durch Variationen des Durchflusses des Kühlmediums angepasst wird.
Die Regelung der Wärmeabfuhr nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei der Schmalseite einer Kokille bietet den Vorteil, dass sich die Regelung automatisch auch an schmalseitenspezifische Zustände adaptiert und durch deren Veränderung bedingte Auswirkungen auf den Gießprozess automatisch mit ausgleicht. So werden beispielsweise veränderte Einstellungen in der Breite und/oder der Konizität der Seitenplatte während des Gießbetriebs durch das beanspruchte Verfahren bei der Regelung der Wärmeabfuhr automatisch mit ausgeglichen, ohne dass diese Zustände gesondert erfasst und der Regelvorrichtung zugeführt werden müssten.
Eine gleichzeitige Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf zwei oder mehr Seitenplatten der Kokille, gewährleistet zwar, dass die Wärmeabfuhr für jede der Seitenplatten separat geregelt wird, aber ermöglicht gleichzeitig vorteilhafterweise die Einstellung eines gewünschten Verhältnisses für die Wärmeabfuhren bei den einzelnen Seitenplatten untereinander. Die Einstellung des gewünschten Verhältnisses ist einfach dadurch realisierbar, dass die Sollwerte für die Wärmeabfuhren für die einzelnen Seitenplatten in gewünschter Weise vorgegeben werden. So kann es beispielsweise wünschenswert sein, dass die Wärmeabfuhr bei den beiden gegenüberliegenden Schmalseitenplatten einer Kokille gleich groß sind oder dass die Wärmeabfuhr der beiden Breitseiten zusammen in einem bestimmten Verhältnis zur Wärmeabfuhr der beiden Schmalseiten zusammen steht.
Die oben genannte Aufgabe wird zum anderen durch eine Regelvorrichtung zum Regeln der Wärmeabfuhr bei einer Kokille gelöst. Die Vorteile dieser Regelvorrichtung entsprechen den oben mit Bezug auf das beanspruchte Verfahren genannten Vorteilen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des beanspruchten Verfahrens und der beanspruchten Regelvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer einzigen der Beschreibung beigefügten Figur beispielhaft erläutert.
Die Figur zeigt zunächst den Kreislauf eines Kühlmediums 300 durch die Seitenplatte 200 einer Kokille. Die beim Gießen eines Metalls, insbesondere eines Stahls, in der Kokille anfallende Wärme wird mit Hilfe eines Kühlmediums 300 von der Seitenplatte abgeführt, indem das Kühlmedium Kühlkanäle oder Kühlbohrun gen (nicht gezeigt) in der Seitenplatte 200 durchläuft. Bei dem Kühlmedium handelt es sich typischerweise um Kühlwasser, weiches mit einem Korrosionsschutzmittel, mit Glycol, Ölen oder Alkohol versetzt ist. Alternativ kann es sich auch um ionisiertes oder destilliertes Wasser handeln. Jedes dieser Kühlmedia ist durch individuelle Materialkonstanten, wie zum Beispiel die spezifische Dichte ρ oder die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck c_p charakterisiert.
Nach dem Durchlaufen der Seitenplatte 200 ist das Kühlmedium 300 erwärmt und durchläuft dann zunächst zwecks Abkühlung einen Wärmetauscher 400, welcher mit einem Kühlturm 500 gekoppelt ist. Nach dem Abkühlen wird das Kühlmedium 300 einer Pumpe 600 zugeführt, welche von einer Antriebseinrichtung 650 angetrieben wird. Die eine Pumpe 600 hält den Kreislauf des Kühlmediums 300 aufrecht und pumpt das abgekühlte Kühlmedium wieder durch die Kühlkanäle der Seitenplatte 200. Zusätzlich kann der geschlossene Kühlkreislauf einen Ausgleichsbehälter 700 (Gaspolster) zum Aufbau eines Systemdruckes aufweisen. Die Pumpe 600 ersetzt bei diesem System nur die Druckverluste infolge Reibung.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein dem soeben beschriebenen Kühlkreislauf zugeordnetes Verfahren und eine zugeordnete Regelvorrichtung 100 zum Regeln der Wärmeabfuhr q . der Seitenplatte 200 während eines stationären Gießbetriebs auf einen gegebenenfalls auch variabel vorgegebenen Soll-Wert q .Soll . Wie in der Figur zu erkennen ist, umfasst die erfindungsgemäße Regelvorrichtung 100 eine Berechnungseinrichtung 110 zum Berechnen eines Ist-Wertes q ist für die Wärmeabfuhr. Die Berechnungseinrichtung 110 berechnet den besagten Ist-Wert gemäß der folgenden physikalischen Formel: q .ist = (ρ·V·cp·dv)/A. wobei:

q .:: die Wärmeabfuhr [W/m²]
ρ:: die Dichte des Kühlwassers [kg/m³]
V .:: den Durchfluss des Kühlwassers [l/min]
c_p:: die spezifische Wärmekapazität des Kühlwassers (bei konstantem Druck) [kJ/(kg·k)]
d_v:: die Temperaturdifferenz T_aus – T_ein[k]; und
A:: die aktive Kokillenfläche

Die Berechnungseinrichtung 110 kann ausgebildet sein, die Wärmeabfuhr q . als spezifische physikalische Größe, das heißt bezogen auf die kühlaktive Fläche der Seitenplatte A oder als absolute physikalische Größe, das heißt ohne Bezug auf die kühlaktive Fläche A, zu berechnen. Die aktive Fläche berechnet sich als aktive Länge der Seitenplatte multipliziert mit der aktiven Breite der Seitenplatte oder multipliziert mit der aktiven Dicke der Seitenplatte.
Die in die Berechnung des Ist-Werts für die Wärmeabfuhr q .ist eingehende Dichte des Kühlmediums ρ und dessen spezifische Wärmekapazität c sowie die gegebenenfalls verwendete aktive Fläche werden der Berechnungseinrichtung jeweils als Festwerte geeignet vorgegeben. Im Unterschied dazu werden die Temperaturen T_ein, T_aus am Kühlmitteleingang und am Kühlmittelausgang der Seitenplatte als Messwerte jeweils aktuell erfasst; ihre Differenz d_v geht als Proportionalitätsfaktor in die Berechnung der Wärmeabfuhr mit ein. Schließlich wird der Durchfluss V . des Kühlmediums pro Zeiteinheit durch die Seitenplatte der Berechnungseinrichtung 110 als aktueller Ist-Wert zugeführt. Dies kann entweder dadurch erfolgen, dass der Durchfluss V ., wie in der Figur gezeigt, aktuell gemessen wird oder dadurch, dass er als Regelgröße vom Ausgang des später noch beschriebenen Reglers 130 auf die Berechnungseinrichtung 110 zurückgekoppelt wird.
In der Figur ist zu erkennen, dass die Regelvorrichtung 100 eine Mittelungseinrichtung 140 aufweist zum zeitlichen Mitteln oder Dämpfen der gemessenen Ist-Werte, insbesondere der gemessenen Temperaturwerte, bevor sie der Berechnungseinrichtung 110 zugeführt werden. Durch diese Mittelung bzw. Dämpfung werden hochfrequente Spektralanteile bzw. dynamische Anteile in diesen Messsignalen herausgefiltert und diese Messsignale auf diese Weise an den sonst eher langsamen Regelungsmechanismus für die Wärmeabfuhr bei der Seitenplatte 200 angepasst.
Wie in der Figur weiterhin zu erkennen ist, wird der von der Berechnungseinrichtung 110 bereitgestellte Ist-Wert für die Wärmeabfuhr qIst einer nachgeschalteten Vergleichereinrichtung 120 zugeführt zum Berechnen einer Regelabweichung Δq . für die Wärmeabfuhr. Die Vergleichereinrichtung 120 berechnet diese Regelabweichung durch Subtraktion des zugeführten Ist-Werts für die Wärmeabfuhr q .Ist ist von einem eventuell auch variabel vorgegebenen Soll-Wert für die Wärmeabfuhr q .Soll für die Kokille. Die Regelabweichung Δq . wird schließlich dem Regler 130 zugeführt, welcher die jeweils aktuelle Regelabweichung in eine geeignete Variation des Durchflusses V . des Kühlmediums 300 durch die Kokille 200 umrechnet.
Die Umrechnung erfolgt dabei so, dass die aktuelle Wärmeabfuhr, repräsentiert durch den Ist-Wert q .Ist an den vorgegebenen Soll-Wert q .Soll für die Wärmeabfuhr angepasst wird. Der Durchfluss V . wird als Stellgröße bzw. einem Regelventil 132 im Kühlmittelkreislauf zugeführt, damit das Regelventil den Durchfluss des Kühlmediums 300 durch die Seitenplatte 200 für die vorgegebene Stellgröße geeignet einstellt.

Claims

Verfahren zum Regeln der Wärmeabfuhr q . bei mindestens einer Seitenplatte (200) einer Kokille zum Gießen von Metal auf einen vorgegebenen Sollwert q .Soll durch geeignete Variation des Durchflusses V eines Kühlmediums (300) durch die Seitenplatte (200) nach Maßgabe einer Regelabweichung Δq . in Form der Differenz zwischen dem Sollwert und einem Ist-Wert q .Ist für die Wärmeabfuhr; dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Wärmeabfuhr q . und die Variation des Durchflusses V . während eines stationären Gießbetriebs erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Wert für die Wärmeabfuhr q . unter anderem aus der Differenz zwischen der Ist-Temperatur (T_aus) des Kühlmediums am Kühlmittelausgang der Seitenplatte und der Ist-Temperatur (T_ein) des Kühlmediums am Kühlmitteleingang der Seitenplatte (200) sowie aus Materialkonstanten (ρ, c_p) für das Kühlmedium jeweils aktuell berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Wärmeabfuhr um die spezifische Wärmeabfuhr handelt und der Ist-Wert für die spezifische Wärmeabfuhr wie folgt berechnet wird: q = (p·V·cp·dv)/Awobei: q .: die Wärmeabfuhr [W/m²] ρ: die Dichte des Kühlwassers [kg/m³] V .: den Durchfluss des Kühlwassers [l/min] c_p: die spezifische Wärmekapazität des Kühlwassers (bei konstantem Druck) [kJ/(kg·k)] d_v: die Temperaturdifferenz T_aus – T_ein [k]; und A: die kühlaktive Fläche der Seitenplatte symbolisiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, es sich bei der Wärmeabfuhr um die absolute Wärmeabfuhr handelt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Werte für die Temperaturen (T_aus, T_ein) und/oder den Durchfluss V . des Kühlmediums jeweils aktuell gemessen werden und anschließend gemittelt oder gedämpft werden, bevor sie in die Berechnung des Ist-Wertes für die Wärmeabfuhr q .Ist Eingang finden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kühlmedium (300) um mit Korrosionsschutz, Glycol oder Öl versetztes Wasser, ionisiertes Wasser oder destilliertes Wasser handelt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Wert q .Soll für die Wärmeabfuhr variabel vorgebbar ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für die Seitenplatte (200) in Form einer Schmalseitenplatte der Kokille durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für die Seitenplatte (200) in Form einer Breitseitenplatte der Kokille durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für zwei Seitenplatten (200) jeweils separat so durchgeführt wird, dass die Soll-Werte q .Soll für deren jeweilige Wärmeabfuhr in einem gewünschten Verhältnis zueinander stehen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für die beiden gegenüberliegenden Schmalseitenplatten (200) der Kokille separat so durchgeführt wird, dass die Wärmeabfuhr für jede der beiden Schmalseitenplatten auf einen gleichen Soll-Wert q .Soll geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für die beiden gegenüberliegenden Breitseitenplatten der Kokille separat so durchgeführt wird, dass die Wärmeabfuhr für jede der beiden Breitseitenplatten auf einen gleichen Soll-Wert q .Soll geregelt wird.
Regelvorrichtung (100) zum Regeln der Wärmeabfuhr q . bei einer Seitenplatte einer Kokille zum Gießen von Metal umfassend: eine Berechnungseinrichtung (110) zum Berechnen eines Ist-Wertes q .Ist für die Wärmeabfuhr; eine Vergleichereinrichtung (120) zum Berechnen einer Regelabweichung Δq . für die Wärmeabfuhr durch Vergleichen des Ist-Wertes für die Wärmeabfuhr mit einem vorgegebenen Sollwert; und einen Regler (130) zum Umrechnen der jeweils aktuellen Regelabweichung Δq . in eine geeignete Variation des Durchflusses V . eines Kühlmediums (300) durch die Kokille (200) zum Regeln von deren Wärmeabfuhr q .; dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinrichtung (110) ausgebildet ist, den Ist-Wert für die Wärmeabfuhr q .ist unter anderem aus der Differenz zwischen der Ist-Temperatur des Kühlmediums (300) am Kühlmittelausgang der Kokille und der Ist-Temperatur des Kühlmediums am Kühlmitteleingang der Kokille sowie aus Materialkonstanten (ρ, c_p) für das Kühlmedium (300) jeweils aktuell zu berechnen.
Regelvorrichtung (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinrichtung (110) ausgebildet ist, den Ist-Wert für die Wärmeabfuhr wie folgt zu berechnen: q = (ρ·V·cp·dv)/A wobei: q . : die Wärmeabfuhr [W/m²] ρ : die Dichte des Kühlwassers [kg/m³] V . : den Durchfluss des Kühlwassers [l/min] c_p : die spezifische Wärmekapazität des Kühlwassers (bei konstantem Druck) [kJ/(kg·k)] d_v : die Temperaturdifferenz T_aus – T_ein [k]; und A : die kühlaktive Fläche der Seitenplatte symbolisiert.
Regelungsvorrichtung (100) nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch mindestens eine Mittelungseinrichtung (140) zum zeitlichen Mitteln oder Dämpfen der gemessen Ist-Werte bevor sie der Berechnungseinrichtung (110) zugeführt werden.