DE102014112206A1

DE102014112206A1 - Verfahren zum Stranggießen eines Metalls, insbesondere eines Stahls, und Vorrichtung zum Stranggießen

Info

Publication number: DE102014112206A1
Application number: DE102014112206.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2016-03-03
Also published as: WO2016029901A1; DE112015000327A5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggießen eines Metalls, insbesondere eines Stahls, bei dem einer Schmelze des Metalls ein Trennmittel zugegeben wird, das zur Verringerung der Haftung zwischen dem erstarrenden oder dem erstarrten Metall und einer mittels eines Kühlmediums gekühlten Kokille vorgesehen wird und das Metall zur Bildung eines Strangs durch die Kokille geführt wird. Erfindungsgemäß wird zur Vermeidung von Materialfehlern im Strang oder an seiner Oberfläche eine Wärmemenge, die mittels des Kühlmediums von der Kokille abtransportiert wird, geregelt. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die abzutransportierende Wärmemenge in Abhängigkeit von Eigenschaften des Metalls, vorzugsweise seiner Liquidustemperatur und/oder seiner Solidustemperatur, und/oder von Eigenschaften des Trennmittels, vorzugsweise seiner Viskosität, und/oder von einer Temperatur der Schmelze beim Eintritt in die Kokille und/oder einer Geschwindigkeit, mit der die Schmelze in die Kokille gegeben festgesetzt wird, geregelt. Zweckmäßigerweise wird eine maximale und/oder eine minimale abzutransportierende Wärmemenge festgesetzt und die abtransportierte Wärmemenge geregelt derart, dass die maximale abzutransportierende Wärmemenge nicht überschritten und die minimale abzutransportierende Wärmemenge nicht unterschritten wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Stranggießen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggießen eines Metalls, insbesondere eines Stahls, bei dem einer Schmelze des Metalls ein Trennmittel zugegeben wird, das zur Verringerung der Haftung zwischen dem erstarrenden oder dem erstarrten Metall und einer mittels eines Kühlmediums gekühlten Kokille vorgesehen wird und das Metall zur Bildung eines Strangs durch die Kokille geführt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Stranggießanlage, mittels derer sich das Verfahren durchführen lässt.
Das Verfahren der eingangs genannten Art sowie die Stranggießanlage zur Durchführung des Verfahrens sind durch Benutzung bekannt. Die bekannte Stranggießanlage umfasst eine Pfanne, einen Verteiler, von dem aus die Schmelze ggf. in verschiedene Kokillen verteilt wird, die Kokille, für die eine Kühleinrichtung und Kokillenoszillationseinrichtung vorgesehen sind, sowie eine Einrichtung zur Führung des Strangs nach Austritt aus der Kokille. Die Schmelze wird aus der Pfanne in den Verteiler gegeben, von dem aus sie z.B. durch ein Tauchrohr hindurch in die Kokille gegeben wird. Die Oberfläche der Schmelze in der Kokille wird durch eine Schlacke abgedeckt, die mittels des in die Kokille gegebenen Trennmittels gebildet wird und zum einen eine Reoxidation der Schmelze vermeidet und zum anderen als Schmiermittel zwischen dem erstarrenden oder erstarrten Metall und der Kokille wirkt. Die Kokille wird zur Vermeidung eines Anbackens des Metalls an den gekühlten Wänden der Kokille mittels der Kokillenoszillationsvorrichtung oszillierend bewegt. Wenn der Strang die Kokille verlässt, weist er eine erstarrte Schale von wenigen Millimeter Dicke auf. Nach Verlassen der Kokille wird der Strang u.a. in einem als Gießbogen bezeichneten Bereich von außen durch Wasser und/oder Luft gekühlt.
Bei der Herstellung eines Rohstrangs durch Stranggießen in Stranggießanlagen, insbesondere in Stranggießanlagen zur Herstellung von Brammen, Vorblöcken oder Knüppeln, ist die Erzeugung einer fehlerfreien Oberfläche des Rohstrangs und für darauf folgende Verarbeitung des Rohstrangs zu einem Halbzeug bzw. zu einem Fertigmaterial von großer Bedeutung. Fehler an oder in der Nähe der Oberflächen z.B. von Sicherheitsteilen für die Automobilindustrie können nicht toleriert werden und müssen deshalb nach oder bei jedem Verarbeitungsschritt entfernt werden. Das Entfernen der Fehler des Rohstrangs erfordert den Bau und den Betrieb entsprechender Schleifanlagen mit hochwertigen Prüfanlagen, ist aufwendig und sehr zeit- und kostenintensiv. Problematisch ist ferner, dass selbst nach der Entfernung der Oberflächenrisse bzw. Schädigungen keine absolute Sicherheit besteht, dass eine rissfreie Oberfläche vorliegt. Insbesondere kann nicht ausgeschlossen werden, dass keine Feinrisse vorliegen, die später die Ursache von Unbrauchbarkeit der Produkte sein können, da diese nämlich nur sehr schwer oder nicht detektierbar sind.
Darüber hinaus zeigt die Erfahrung, dass beim Stranggießen aufgrund der Fehler sogar Strangdurchbrüche auftreten können, die neben Qualitätsbeeinträchtigungen im Rohstrang zu Produktionsstörungen mit langen Ausfallzeiten und zu sehr kostenintensiven Schädigungen der Stranggießanlagen führen.
Aus diesen Gründen und in Anbetracht immer weiter steigender Qualitätsanforderungen wird die Herstellung von Metallsträngen mit fehlerfreien Oberflächen immer wichtiger.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das die Herstellung von Strängen mit verbesserter Qualität erlaubt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, dass zur Vermeidung von Materialfehlern im Strang oder an seiner Oberfläche eine Wärmemenge, die mittels des Kühlmediums von der Kokille abtransportiert wird, geregelt wird.
Bezüglich der Stranggießanlage wird die Aufgabe durch eine Einrichtung zur Regelung einer von der Kokille abtransportierten Wärmemenge gelöst.
Da sich die abtransportierte Wärmemenge auf die Erstarrung für die sich bildende Struktur des Strangs stark auswirkt, kann durch die Regelung während des Stranggießens Einfluss auf die Struktur in einem Oberflächenbereich genommen werden. Insbesondere wird es möglich, das Verfahren derart zu regeln, dass eine verstärkt globulitische Erstarrung im Oberflächenbereich des Strangs und eine entsprechende Verminderung einer Bildung von Dendriten, die häufig eine Ursache von Rissen bzw. Oberflächenbeschädigungen sind, erreicht wird.
Ferner lässt sich mittels der Regelung während des Stranggießens Einfluss auf die Eigenschaften des Schmierfilms und somit auf die Wirkung der Schmierung nehmen, weil die Dicke des mittels des Trennmittels zwischen der Kokille und dem Strang gebildeten Schmierfilms, die Viskosität des Schmierfilms und damit auch die Wärmeleitfähigkeit des Schmierfilms temperaturabhängig sind. Vorteilhaft lässt sich darüber hinaus mittels der Regelung eine Unterschreitung einer Mindestschmierfilmdicke sowie eine Entstehung von Agglomeraten aus teilerstarrten Phasen des Trennmittels, die durch Bildung zu dicker Schmierfilme verursacht werden kann, vermeiden. Die Vermeidung der Unterschreitung der Mindestfilmdicke ist von Bedeutung, weil hohe Reibkräfte zwischen dem Strang und der Kokille entstehen, die die Oberfläche schädigen und Fehler verursachen können.
Zweckmäßigerweise wird eine aktuell abtransportierte Wärmemenge ermittelt, insbesondere mittels Bestimmung der Menge des pro Zeiteinheit transportierten Kühlmediums, das vorzugsweise Wasser aufweist oder durch Wasser gebildet ist, einer Messung einer Temperatur bei Zuleitung des Kühlmediums in die Kokille und bei Ableitung aus der Kokille sowie ggf. durch Bestimmung der Differenz der Temperatur bei der Zuleitung und bei der Ableitung. Zur Regelung der abtransportierten Wärmemenge wird zweckmäßigerweise eine Änderung der Wärmestromdichte bestimmt, wobei berücksichtigt wird, dass eine Verringerung der Wärmestromdichte zu einer Vergrößerung der Schmierfilmdicke führt und eine Erhöhung der Wärmestromdichte eine Verringerung der Schmierfilmdicke zur Folge hat.
Erfindungsgemäß ist eine zur Bestimmung der abtransportierten Wärmemenge eine hochfrequente Messung, zweckmäßigerweise mit zumindest 1 Hz, vorzugsweise mit mindestens 1000 Hz, vorgesehen, um auf Änderungen, insbesondere auf Über- bzw. Unterschreiten der maximalen bzw. minimalen abtransportierten Wärmemenge, schnell reagieren zu können.
Die Einrichtung zur Regelung der von der Kokille abtransportierten Wärmemenge ist in einer Ausführungsform der Erfindung dazu vorgesehen, einen Volumenstrom des Kühlmediums, mittels dessen eine durch die Temperatur der Schmelze des Metalls in die Kokille eingebrachte Wärmemenge abtransportierbar ist, zu verändern. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Volumenstrom, der vorzugsweise innerhalb der Kokillenwand geführt wird, durch Regelung der Leistung einer Pumpeinrichtung oder durch Betätigung von Ventilen für eine Leitung, durch die das Kühlmedium geleitet wird, einstellbar.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die abzutransportierende Wärmemenge in Abhängigkeit von Eigenschaften des Metalls, vorzugsweise seiner Liquidustemperatur, seiner Solidustemperatur, seiner Nullfestigkeitstemperatur und/oder seiner Nullzähigkeitstemperatur, geregelt.
Alternativ oder ergänzend dazu ist zweckmäßigerweise vorgesehen, die abzutransportierende Wärmemenge in Abhängigkeit von Eigenschaften des Trennmittels, vorzugsweise seiner temperaturabhängigen Viskosität, insbesondere im Temperaturbereich zwischen 500 und 1600°C, zu regeln. Die Eigenschaften des Trennmittels, das vorzugsweise durch ein Gießpulver- oder -granulat gebildet ist, umfassen ferner spezifisches Gewicht, Schüttgewicht, Wärmeleitfähigkeit, Kristallisationsart (glasig oder amorph / kristallin), Kristallisationstemperatur (Übergang flüssig zu fest bzw. Erstarrungsbeginn einer unterkühlten rheologischen Kokillenschlacke als Folge der Verflüssigung des Gießpulvers/Granulats), Erweichungs-, Halbkugel- und/oder Fließpunkt und/oder eine onset-Temperatur.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, das Verfahren derart zu regeln, dass die dynamische Viskosität des Schmierfilms bei 1300 °C zwischen 0,1 und 5 Pa·s aufweist oder dass der Schmierfilm eine derartige Viskosität aufweist, dass sich im oberen Teil der Kokille eine Mindestschmierfilmdicke beispielsweise von mindestens 10 bis 100 µm bildet.
Vorteilhaft lässt sich das Verfahren anhand der Eigenschaften des Metalls bzw. des Trennmittels besonders einfach anpassen, wenn – wie unten beispielhaft für Sequenzstrangguss erläutert – im Laufe des Verfahrens sich in ihrer Zusammensetzung unterscheidende Metalle vergossen werden oder sich unterscheidende Trennmittel verwendet werden. Dies erweist sich insbesondere dann als Vorteil, wenn während des Stranggießens aufgrund der Verwendung der verschiedenen Chargen von metallischem Rohmaterial bzw. des Gießpulvers Unterschiede in den jeweiligen Eigenschaften festgestellt werden, da sich das Verfahren anhand von Informationen über die genannten Eigenschaften an die jeweiligen Chargen anpassen lässt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine maximale und/oder eine minimale abzutransportierende Wärmemenge festgesetzt und die abzutransportierte Wärmemenge geregelt derart, dass die maximale abzutransportierende Wärmemenge nicht überschritten und die minimale abzutransportierende Wärmemenge nicht unterschritten wird. Die maximale und/oder die minimale abzutransportierende Wärmemenge wird vorzugsweise anhand von Informationen über das Metall bzw. das Gießpulver oder/und durch Erfahrungswerte, die durch Benutzung der Stranggießanlage vorliegen, ermittelt.
Da ein Über- bzw. Unterschreiten der maximalen bzw. minimalen abtransportierten Wärmemenge Ursache für die Bildung der Fehler sein kann, kann mit dieser Maßnahme die Herstellung von Strängen vermieden werden, die die geforderten Qualitätsanforderungen nicht erfüllen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die abzutransportierende Wärmemenge in Abhängigkeit von einer Temperatur der Schmelze beim Eintritt in die Kokille und/oder einer Geschwindigkeit, mit der die Schmelze in die Kokille gegeben wird, zu regeln. Die Stranggießanlage weist zweckmäßigerweise eine Einrichtung zur Bestimmung dieser Temperatur auf und die Regelungseinrichtung ist dazu vorgesehen, in Abhängigkeit von der Temperatur der Schmelze zu regeln.
Als besonders wirksam erweist sich eine derartige Regelung der abtransportierten Wärmemenge insbesondere, weil sich beim seit langer Zeit üblichen Sequenzstrangguss, bei dem eine Gießzeit mehrere Stunden oder sogar mehrere Tage in Anspruch nehmen kann und bei dem verschiedene Chargen von Rohmaterial nacheinander vergossen werden, einzelne Gießparameter während der Durchführung des Verfahrens ändern. So weisen die einzelnen Chargen analytische Unterschiede auf, sodass eine in der Pfanne einzustellenden Pfannenendtemperaturen angepasst werden muss. Entsprechend stellen sich beim Vergießen jeder der Chargen beim Sequenzstrangguss verschiedene Temperaturen im Verteiler ein. Ferner erreicht die Verteilerrinnentemperatur, sofern keine Einrichtung zur Aufheizung des flüssigen Metalls in der Verteilerrinne vorhanden ist, kurzfristig nach dem Angießen der jeweils neuen Charge eine maximale Temperatur und fällt danach bis zum jeweiligen Chargengießende ab. Ferner strömt die Schmelze bei Beaufschlagung mehrerer der Kokillen aus dem Verteiler mit unterschiedlichen Eigenschaften in die jeweiligen Kokillen ein, weil je nach Lage der jeweiligen Austrittsöffnungen für die jeweiligen Kokillen im Verteiler unterschiedlich Strömungsverläufe sowie unterschiedliche Verweilzeiten der Schmelze im Verteiler bestehen und die Schmelze deshalb je nach Kokille bei Einströmen in die Kokille unterschiedliche Temperaturen aufweist. Dies führt zu einem von Charge zu Charge sowie von Strang zu Strang unterschiedlichen Temperaturniveau in der jeweiligen Kokille, wobei dieses strangweise unterschiedliche Temperaturniveau wiederum während der gesamten Gießzeit nach dem Durchlaufen eines Maximums einem Minimum zustrebt, d.h. gegen Gießende einer jeden Charge nähert sich die Verteilerrinnentemperatur immer mehr der Liquidustemperatur.
Auf diese Änderungen kann dank der erfindungsgemäßen Regelung reagiert und damit eine einheitliche und hohe Qualität des Strangs, insbesondere der Strangoberfläche, erreicht werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Strang nach Austritt aus der Kokille verformt wird, solange der Kern des Strangs noch flüssig ist (Softreduction).
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Temperatur des Kühlmediums, vorzugsweise die Temperatur bei Zuleitung in die Kokille, geregelt. Da einerseits das Kühlmedium die Temperatur der Innenwand der Kokille bestimmt und die Viskosität des Trennmittels temperaturabhängig ist, andererseits die durch das Kühlmedium abtransportierte Menge von der durch das Kühlmedium aufgenommenen Wärme, die auch von der Temperatur des Kühlmediums abhängt, hat sich die Regelung der Temperatur des Kühlmediums als geeignet erwiesen, die Viskosität des Trennmittels zu beeinflussen. Die Stranggießanlage umfasst zur Regelung der Temperatur des Kühlmediums zweckmäßigerweise eine Kühl- und/oder Heizeinrichtung oder eine Einrichtung zur Vermischung des Kühlmediums in verschiedenen Temperaturen unter Erreichung einer Zieltemperatur. Zweckmäßigerweise wird zur Temperaturregelung, ggf. mittels zumindest eines Wärmetauschers, in der Stranggießanlage anfallende Wärme genutzt.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird ferner die Menge des pro Zeiteinheit zugegebenen Trennmittels geregelt. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das Trennmittel automatisch zuzugeben und die Menge über eine dafür vorgesehene Einrichtung zur Zuführung des Trennmittels zu regeln. Ferner könnte vorgesehen sein, das Trennmittel manuell in die Kokille zu geben und die Stranggießanlage mit einer Anzeigeeinrichtung zu versehen, mittels derer die manuell zuzugebenden Mengen pro Zeiteinheit angezeigt werden.
Vorteilhaft kann durch die Regelung zum einen Einfluss auf die Dicke des Schmierfilms genommen werden und dadurch wie oben erläutert Fehler am oder im Strang vermieden werden. Zum anderen kann eine Verweilzeit des Trennmittels auf der Schmelze im oberen Bereich der Kokille geregelt werden, wobei es sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat, in Abhängigkeit von der Verweilzeit des verflüssigten Trennmittels auf der Schmelze oberhalb eines Meniskus im oberen Bereich der Kokille zu regeln. Damit kann sichergestellt werden, dass auf der Oberseite der Kokille stets eine ausreichend dicke Schlackenschicht, die auch als Liquid Pool bezeichnet wird, vorhanden ist, um die Schmelze vor Reaktionen mit der Luft zu schützen. Ferner kann die Verweilzeit derart vorgesehen werden, dass sichergestellt ist, dass das Trennmittel mit der Schlacke zeitlich ausreichend lang reagiert hat, um einen homogenen und stabilen Schmierfilm bilden zu können.
Insbesondere kann verhindert werden, dass die Kokille mit dem Trennmittel überfüllt wird und dass das Trennmittel an der Kokille anbackt oder dass sich Trennmittelkränze bzw. Kränze erstarrter Kokillenschlacke im Meniskusbereich (slag rim formation) bilden. Ferner kann vermieden werden, dass der Liquid Pool zu klein wird oder leerläuft.
Zweckmäßigerweise wird ferner eine Frequenz und/oder eine Amplitude einer Oszillation der Kokille, die Geschwindigkeit, mit der das Metall durch die Kokille bewegt wird, und/oder die Temperatur des Metalls vor dem Eintritt in die Kokille geregelt. Durch die Oszillation der Kokille wird ein Anbacken des Strangs an der Kokille vermieden, sie führt aufgrund der Relativbewegung allerdings zur Bildung von Oszillationsmarken im Strang, die Ausgangspunkte von Rissen sein können, insbesondere sofern sie zu tief sind. Durch Anpassung der Frequenz bzw. der Amplitude der Oszillation kann auf die Bildung der Oszillationsmarken Einfluss genommen werden. Beispielsweise hat es sich als geeignet erwiesen, die Frequenz oder die Amplitude zu verringern, wenn die Viskosität des Schmierfilms zunimmt, z.B. aufgrund einer Vergrößerung der abtransportierten Wärmemenge oder einer Abnahme der Temperatur der Schmelze beim Eintritt in die Kokille.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Volumenstrom, mit dem die Schmelze zur Bildung des Strangs in die Kokille gegeben wird, geregelt. Zweckmäßigerweise wird dazu eine Position eines am Verteiler vorgesehenen Stopfens oder Schiebers, mittels dessen der Volumenstrom eingestellt werden kann, verändert.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Volumenstrom der Schmelze in Abhängigkeit von einer Höhe des Gießspiegels und/oder in Abhängigkeit von der Position des Stopfens bzw. des Schiebers geregelt.
Vorteilhaft lassen sich dadurch Schwankungen des Gießspiegels, die sich negativ auf die Oberflächenqualität des Strangs auswirken, vermeiden. Diese Schwankungen treten insbesondere auf, wenn sich an einer Austrittsöffnung des Verteilers, über den die Schmelze in die Kokille gegeben wird, Ablagerungen bilden und sich die Austrittsöffnung nach und nach zusetzt, wenn der Stopfen aufgrund von Reaktionen von feuerfestem Material, das er aufweist, nach und nach seine Form verändert und/oder wenn sich abrupt Teile der Ablagerungen bzw. des feuerfesten Materials lösen.
Insbesondere wenn die Höhe des Gießspiegels und/oder die Position des Stopfens bzw. des Schiebers in verhältnismäßig kurzen Abständen, vorzugsweise mit einer Frequenz von mindestens zwei 2 Hz, bevorzugt mindestens 5 Hz, bestimmt wird, können darüber hinaus die Gießspiegelschwankungen sehr genau bestimmt werden. Insbesondere wenn sich der Abschnitt des mittels des Verfahrens hergestellten Strangs, bei dessen Herstellung es zu den Gießspiegelschwankungen kam, dem Strang nach Abschluss des Herstellungsverfahrens zuordnen lässt, kann dieser Abschnitt des Strangs aus dem Strang entfernt werden, um zu vermeiden, dass Material geringer Qualität ausgeliefert wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Stranggießanlage zur Bestimmung sämtlicher oder einzelner folgender Verfahrensparameter während des Stranggießens eingerichtet, wobei die Bestimmung, sofern die Stranggießanlage zur Herstellung mehrerer der Stränge eingerichtet ist, zu jedem Strang vorgesehen ist, wobei die Bestimmung vorzugsweise kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen, vorzugsweise durch Messung und/oder durch Berechnung durchgeführt wird:

– Temperatur der Schmelze im Verteiler
– Temperatur der Schmelze beim Eintritt in die Kokille
– Temperatur an der Kokilleninnenwand, vorzugsweise abhängig von einer Position innerhalb der Kokille
– Temperatur an der Oberfläche des Strangs, vorzugsweise im Bereich zumindest einer Fläche und/oder zumindest einer Kante des Strangs
– Strangschalendicke und/oder Strangschalenwachstumskonstante im gesamten Kokillenbereich
– Gießgeschwindigkeit der Schmelze
– Verweilzeit des Strangs in der Kokille
– Menge des pro Zeiteinheit zugegebenen Trennmittels
– Verweilzeit der Kokillenschlacke in der Kokille im Bereich oberhalb des sich bildenden Strands („Liquid Pool“) und/oder Verbrauch des Trennmittels,
– Schütthöhe des Trennmittels in der Kokille, ggf. unter Angabe von festem und/oder flüssigen Anteil
– Gießspiegel
– Farbe der Kokillenschlacke (schwarz oder rot)
– Erfassung der Emissivität der Kokillenschlacke
– Amplitude und/oder Frequenz der Kokillenoszillation
– Reibkräfte zwischen Strangschale und Kokille, wobei vorzugsweise Leerlaufkräfte, Aufwärtsreibkräfte und/oder Abwärtsreibkräfte messbar sind

Zweckmäßigerweise ist das erfindungsgemäße Verfahren dazu eingerichtet, die Regelung in Abhängigkeit von einzelnen oder mehreren der genannten Verfahrensparametern vorzunehmen.
Weil die ablaufenden Reaktionen sehr kurzfristig und sehr schnell ablaufen können, kann für einzelne oder sämtliche der vorgenannten Verfahrensparameter eine hochfrequente Datenbestimmung, zweckmäßigerweise mit zumindest 1 Hz, vorzugsweise mit mindestens 1000 Hz, vorgesehen, um zur Vermeidung der Bildung von Fehlern im Strang schnell reagieren zu können.
Ferner wird die Regelung abhängig von sämtlichen oder einzelnen folgender Verfahrensparametern durchgeführt, die durch die verwendete Stranggießanlage bestimmt werden: Verteilerrinnenaufbau, Stranganzahl, geometrischer Aufbau der Kokille (Format, Durchmesser), Kokillenlänge, insbesondere Länge von gekühlten Bereichen, chemische Zusammensetzung des Kokillenmaterials und Wärmeleitfähigkeit, Beschichtung (Dicke der Beschichtung und Wärmeleitfähigkeit) und/oder Aufbau und Durchmesser des Tauchrohrs.
Die Stranggießanlage weist in einer Ausgestaltung der Erfindung Einrichtungen zur Messung und/oder Bestimmung einzelner oder sämtlicher der vorgenannten Verfahrensparameter auf. Ferner ist sie zweckmäßigerweise mit einer Datenbank versehen, die mit Informationen über das jeweils verarbeitete Metall und/oder das jeweils verarbeitete Trennmittel aufweist oder mit diesen Informationen versehen werden kann und die für die jeweilige Regelung von der Regelungseinrichtung abgerufen werden können.
Die Regelungseinrichtung weist zweckmäßigerweise eine Auswerte- und Recheneinheit auf, die zur Verarbeitung der genannten Informationen eingerichtet ist.
Während die Stranggießanlage, insbesondere die Regelungseinrichtung, nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dazu vorgesehen ist, die von der Kokille abzutransportierende Wärmemenge zu regeln und ergänzend dazu eingerichtet sein kann, die Temperatur des Kühlmediums, die Menge des pro Zeiteinheit zugegebenen Trennmittels und/oder die Frequenz und/oder die Amplitude der Oszillation der Kokille zu regeln, ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, das Verfahren unabhängig von der von der Kokille abzutransportierenden Wärmemenge durch Regelung der Temperatur des Kühlmediums, der Menge des pro Zeiteinheit zugegebenen Trennmittels und/oder der Frequenz und/oder der Amplitude der Oszillation der Kokille zu regeln. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die Regelung auch einzelner oder mehrerer der vorgenannten Verfahrensparameter sich vorteilhaft auswirkt. Es versteht sich, dass die Stranggießanlage, insbesondere die Regelungseinrichtung, dementsprechend ausgebildet sein kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der beigefügten Zeichnungen, die sich auf das Ausführungsbeispiel beziehen, näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Teil einer erfindungsgemäßen Stranggießanlage im Schnitt, und
2 Grafiken zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 ist im Schnitt von der Seite eine Kokille 2 einer erfindungsgemäßen Stranggießanlage 1 bei Durchführung des erfindungsgemäßen Stranggießverfahrens dargestellt.
Die Kokille 2, die eine im Querschnitt rechteckige Form aufweist, wird aus einem Verteiler 14 über ein Tauchrohr 3 kontinuierlich mit flüssigem Stahl beschickt. In dem Verteiler 14 ist ein Stopfen 19 vorgesehen, dessen Position einstellbar ist, um einen Volumenstrom, mit dem der flüssige Stahl 7 in die Kokille 2 eintritt, regeln zu können. Der Stopfen 19 ist mit einer hier nicht gezeigten Einrichtung zur Bestimmung der Position des Stopfens 19 und/oder zur Ermittlung von Bewegungen des Stopfens 19 vorgesehen ist. In der Kokille 2 wird aus dem Stahl 7 ein Strang 4 gebildet, der unten aus der Kokille 2 herausgeführt und über einen hier nicht gezeigten Gießbogen weitertransportiert wird. Optional kann eine hier nicht gezeigte Einrichtung zur Softreduction vorgesehen sein.
Während einer Bewegung des Strangs 4 nach unten durch die Kokille 2 hindurch bildet sich an Außenseiten des Strangs 4 aus einem geschmolzenen Anteil 6 unter Übergang in die feste Phase eine Strangschale 5, die nach und nach dicker wird.
In einer Wand der Kokille 2 ist eine hier nicht näher gezeigte Kühlleitung vorgesehen, durch die mittels einer Pumpe 13 kontinuierlich Kühlwasser gepumpt wird. Ein Volumenstrom, mit dem die Pumpe 13 die Kühlflüssigkeit durch die Kühlleitung pumpt, wird von einer Regelungseinrichtung 21 geregelt.
In der Nähe eines Einlasses 29, an dem das Kühlwasser in die Kühlleitung gegeben wird, ist eine Einheit 26 zur Messung einer Kühlwassereinlasstemperatur TE vorgesehen. Ferner ist eine Einrichtung 25 zur Einstellung der Kühlwassereinlasstemperatur TE vorgesehen, mittels derer Einfluss auf die Temperatur einer Innenwand der Kokille 2 genommen werden kann.
Hinter einen Auslass 12, an dem das Kühlwasser aus der Kühlleitung austritt, ist eine Einheit 27 zur Messung einer Kühlwasserauslasstemperatur TA vorgesehen.
Mittels einer Auswerte- und Recheneinheit 20, die mit den Temperaturmesseinheiten 26, 27 verbunden ist und die zum Erfassen von TE und TA eingerichtet ist, lässt sich anhand der Temperaturdifferenz dT = TA – TE und dem Volumenstrom, mittels dessen die Pumpe 13 die Kühlflüssigkeit durch die Kokille 2 strömen lässt, die Wärmemenge, die die Kühlflüssigkeit von der Kokille 2 abtransportiert, ermitteln und die Wärmestromdichte berechnen.
In der Nähe der Innenseite der Kokille 2 sind in der Wand der Kokille 2 Thermoelemente 11 vorgesehen, die zur ortsabhängigen Bestimmung der Temperaturen TK1 bis TK6 der Kokille 2 dienen. Diese sind ebenfalls mit der Auswerte- und Recheneinheit 20 verbunden und lassen sich einzeln auslesen und ihrer jeweiligen Position in der Kokille 2, insbesondere abhängig von ihrer vertikalen Anordnung, zuordnen.
Für die Kokille 2 ist eine Oszillationseinrichtung 15 vorgesehen, mittels derer die Kokille 2 während der Durchführung des Verfahrens vertikal oder im Kreisbogen oszillierend bewegt wird, um ein Anhaften des Strangs 4 an einer Innenwand der Kokille 2 zu vermeiden. Eine Frequenz und/oder eine Amplitude, mit der die Kokille 2 oszillierend bewegt wird, wird durch die Regelungseinrichtung 21 geregelt.
Unterhalb der Kokille 2 ist eine Einheit 24 zur Messung einer Geschwindigkeit, mit der der Strang 4 aus der Kokille 2 austritt, angeordnet. Die Einheit 24, die vorzugsweise eine Lasermesseinheit umfasst, ist mit der Auswerte- und Recheneinheit 20 verbunden, sodass diese Ergebnisse der Geschwindigkeitsmessung auslesen kann.
Zur Bestimmung der Temperatur TS der Schmelze im Verteiler 14 ist ein Thermoelement 23 vorgesehen, das ebenfalls mit der Auswerte- und Recheneinheit 20 verbunden ist und dessen Messergebnisse sich durch die Auswerte- und Recheneinheit 20 auslesen lassen.
Zwischen dem Verteiler 14 und der Kokille 2 ist eine Einrichtung 16 zur kontinuierlichen Zuführung eines Gießpulvers 17 vorgesehen, die ein Förderband und eine Zugabeeinrichtung, mit der eine definierte Mengen des Gießpulvers 17 auf das Förderband gegeben werden kann, umfasst. Über das Förderband wird das Gießpulver 17 in die Kokille 2 transportiert. Eine Menge pro Zeiteinheit, die in die Kokille 2 bewegt wird, wird ebenfalls von der Regelungseinrichtung 21 geregelt.
Das Gießpulver 17 bildet in der Kokille 2 zunächst eine Gießpulverschicht 8, in der das Gießpulver 17 verflüssigt wird und aus der sich unmittelbar oberhalb der Schmelze in der Kokille 2 eine flüssige Schlackeschicht, ein sog. Liquid Pool 9, bildet. Diese entsteht unter Reaktion des Gießpulvers 8 mit der Schmelze und schützt vor Reaktionen mit der Luft. Der Liquid Pool 9 kann auch Desoxidationsprodukte der Metallschmelze aufnehmen und sich dadurch physikalisch und chemisch verändern, insbesondere dann, wenn sich die Vergießbarkeit durch hochschmelzendes Al₂O₃ verschlechtert. Mit der Bewegung des Strangs 4 durch die Kokille 2 hindurch bildet sich zwischen dem Strang 4 und der Innenwand der Kokille 2 aus der Schlacke ein Schmierfilm 10, der verhindert, dass der Strang 4 an der Kokille 2 anbackt.
Zur Bestimmung der Höhe der Gießpulverschicht 8 ist eine Lasermesseinrichtung 18 vorgesehen, die mit der Auswerte- und Recheneinheit 20 verbunden ist und dessen Messergebnisse sich durch die Auswerte- und Recheneinheit 20 auslesen lassen.
Die Stranggießanlage 1 umfasst zur Ermittlung der Höhe des Gießspiegels ferner eine Messeinrichtung 28, die einen Kobaltstrahler umfasst.
Die Regelungseinrichtung 21 ist dazu vorgesehen, die mittels der Auswerte- und Recheneinheit 20 erfassten oder bestimmten Informationen auszulesen, um zur Regelung auf sie zuzugreifen. Ferner umfasst die Stranggießanlage 1 eine Datenbank 22, in der Informationen über zu vergießende Stähle sowie zu verwendende Gießpulver 17 hinterlegt sind. Die Informationen umfassen u.a. die Liquidustemperaturen der Stähle sowie temperaturabhängig Viskositäten der Gießpulver 17 bei Bildung des Schmierfilms 10 zwischen dem Strang 4 und der Kokille 2.
Vor Beginn der Durchführung des Verfahrens bestimmt die Regelungseinrichtung 21 durch Abruf der Informationen zu dem zu vergießenden Stahl 7 und dem verwendeten Gießpulver 17 aus der Datenbank 22 eine minimale und eine maximale Wärmestromdichte. Sofern sich der Stahl 7 oder das Gießpulver 17 während des Stranggießens, z.B. beim Sequenzstrangguss von Sequenz zu Sequenz bzw. von Gießpulversendung zu Gießpulverversendung ändern, weil jeweils verwendete Chargen des Stahls 7 oder des Gießpulvers 17 unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, passt die Regelungseinrichtung 21 die minimale und die maximale Wärmestromdichte an den jeweiligen Stahl 7 bzw. das jeweilige Gießpulver 17 an.
Darüber hinaus wird in der Regelungseinrichtung 21 die Desoxidationsart des jeweiligen Stahls 7 abgefragt und entsprechend bei der Bestimmung der vorgegebenen Wärmestromdichten berücksichtigt.
Bzgl. des Stahls 7 hängt die Wärmestromdichte, die an dem Strang 4 durch Kühlung der Kokille 2 auftreten darf, ohne dass eine Gefahr von Dendriten im Gefüge des Strangs 4 besteht, von einer Temperatur TO an der Strangoberfläche ab. Die maximale Wärmestromdichte wird für zumindest eine der vier Kanten des im Querschnitt rechteckigen Strangs 4 ermittelt, da die Wärmestromdichte in diesen Bereichen am größten ist.
Ferner wird eine minimale Wärmestromdichte bestimmt, um eine homogene Bildung der festen Phase zu erreichen und ein Reißen des Strangs 4 bei der Führung durch und aus der Kokille 2 zu vermeiden. Die minimale Wärmestromdichte betrifft Bereiche der Oberfläche des Strangs 4, die im Abstand von den Kanten angeordnet sind. Ein sich aus der Bestimmung ergebender Datensatz, der die Wärmestromdichte in Abhängigkeit von der Strangoberfläche an den Kanten und an den Flächen sowie die minimale und die maximale Wärmestromdichte zeigt, ist in 2a grafisch wiedergegeben. 2a zeigt ferner die Wärmestromdichte in Abhängigkeit von der Temperatur TO der Oberfläche des Strangs 4 beispielshaft für einen Stahl vorgegebener Eigenschaften bei vorgegebenen Verfahrensparametern, wobei unterschiedliche Verläufe für die Kante und die Fläche des Strangs gezeigt sind.
Darüber hinaus bestimmt die Regelungseinrichtung 21 durch und Abruf der Informationen zu dem zu verwendenden Gießpulver 17 aus der Datenbank 22 anhand vorgegebener minimaler und maximaler Dicken des Schmierfilms 10 eine minimale und eine maximale einzustellende Viskosität des Gießpulvers 17. Die Abhängigkeit der Dicke des Schmierfilms 10 von der Viskosität ist in 2b dargestellt. Die Viskosität des Gießpulvers 17 ist temperaturabhängig und lässt sich deshalb zum einen durch Veränderung der Wärmestromdichte, zum anderen durch Einstellung der Kühlwassereinlasstemperatur TE regeln, um auf die Temperatur an der Kokilleninnenwand Einfluss zu nehmen. Wie 2b zu entnehmen ist, ist die Viskosität zum Erreichen der minimalen Schmierfilmdicke in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auf größer 62,5 dPa·s einzustellen. Auf die Dicke des Schmierfilms 10 kann ferner durch Regelung der mittels der Zuführungseinrichtung 16 pro Zeiteinheit in die Kokille 2 eingegebenen Menge an Gießpulver 17 Einfluss genommen werden.
Ferner regelt die Regelungseinrichtung 21 abhängig von der durch die Lasermesseinrichtung 18 bestimmte Höhe der Gießpulverschicht 8 oder/und der ermittelten Dicke des Schmierfilms 10 die Zuführungseinrichtung 16, sodass die pro Zeiteinheit in die Kokille 2 eingegebene Menge des Gießpulvers 17 derjenigen des verbrauchten entspricht.
Während des Stranggießens wird mittels der Regelungseinrichtung 21 anhand der Temperatur TS sowie der Temperaturen TK1 bis TK6 die Temperatur TO an der Strangoberfläche berechnet und aus dem Datensatz die entsprechende minimale und maximale Wärmestromdichte bestimmt und die Pumpe 13 zum einen geregelt derart, dass der Volumenstrom des Kühlmediums nicht so klein bzw. groß wird, dass die maximale Wärmestromdichte überschritten oder die minimale Wärmestromdichte unterschritten wird.
Zum anderen wird mittels der Einstelleinrichtung 25 die Kühlwassereinlasstemperatur T_E geregelt derart, dass die maximale Schmierfilmdicke nicht überschritten oder die minimale Schmierfilmdicke nicht unterschritten wird.
Schließlich wird durch die Regelungseinrichtung 21 die Frequenz und die Amplitude der Oszillation der Kokille 2 derart geregelt, dass sie an die aktuelle Viskosität des Schmierfilms 10 und ggf. an die Geschwindigkeit des Strangs 4 angepasst wird. Z.B. werden bei Vergrößerung der Viskosität des Schmierfilms 10 die die Frequenz und die Amplitude verringert, um die Bildung von zu tiefen Oszillationsmarken zu vermeiden, und bei Verringerung der Viskosität des Schmierfilms 10 die die Frequenz und die Amplitude vergrößert, um ein Verbacken des Strangs 4 an der Kokille 2 zu vermeiden.
Werden mittels des Kobaltstrahlers 28 Schwankungen der Höhe des Gießspiegels festgestellt, regelt die Regelungseinrichtung 20 die Position des Stopfens 29 derart, dass der Volumenstrom der in die Kokille 2 eingeführten Schmelze 7 eine derartige Größe aufweist, dass eine angestrebte Gießspiegelhöhe erreicht wird.
Sollten durch den Kobaltstrahler 28 oder die genannte Einrichtung zur Bestimmung der Position bzw. von Bewegungen des Stopfens 19 Schwankungen in der Höhe des Gießspiegels festgestellt werden, die über einen bestimmten Grenzwert hinausgehen, kann ein Bereich des mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Strangs 4 ermittelt werden, bei dessen Herstellung die Schwankungen stattgefunden haben. Um zu vermeiden, dass ein Strang 4 zu geringer Qualität erhalten wird, kann dieser Bereich des Strangs 4 aus dem Strang 4 herausgetrennt werden.

Claims

Verfahren zum Stranggießen eines Metalls, insbesondere eines Stahls, bei dem einer Schmelze des Metalls ein Trennmittel zugegeben wird, das zur Verringerung der Haftung zwischen dem erstarrenden oder dem erstarrten Metall und einer mittels eines Kühlmediums gekühlten Kokille vorgesehen wird und das Metall zur Bildung eines Strangs durch die Kokille geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Materialfehlern im Strang oder an seiner Oberfläche eine Wärmemenge, die mittels des Kühlmediums von der Kokille abtransportiert wird, geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abzutransportierende Wärmemenge in Abhängigkeit von Eigenschaften des Metalls, vorzugsweise seiner Liquidustemperatur und/oder seiner Solidustemperatur, und/oder von Eigenschaften des Trennmittels, vorzugsweise seiner Viskosität, und/oder von einer Temperatur der Schmelze beim Eintritt in die Kokille und/oder einer Geschwindigkeit, mit der die Schmelze in die Kokille gegeben festgesetzt wird, geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale und/oder eine minimale abzutransportierende Wärmemenge festgesetzt wird und die abtransportierte Wärmemenge geregelt wird derart, dass die maximale abzutransportierende Wärmemenge nicht überschritten und die minimale abzutransportierende Wärmemenge nicht unterschritten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumenstrom des Kühlmediums, das eine durch die Temperatur der Schmelze des Metalls in die Kokille eingebrachte Wärmemenge abtransportiert, geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kühlmediums, vorzugsweise Temperatur, mit der das Kühlmedium zugeleitet wird, geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des pro Zeiteinheit zugegebenen Trennmittels geregelt wird, vorzugsweise in Abhängigkeit von einer minimalen Verweilzeit des Trennmittels der Kokille.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz und/oder eine Amplitude einer Oszillation der Kokille, die Geschwindigkeit, mit der das Metall durch die Kokille bewegt wird und/oder die Temperatur des Metalls vor dem Eintritt in die Kokille, geregelt wird.
Vorrichtung zum Stranggießen, die eine mittels eines Kühlmediums gekühlte Kokille, eine Einrichtung zur Zugabe eines Trennmittels in die Kokille und eine Einrichtung zur Führung des Strangs durch die Kokille aufweist, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Regelung einer von der Kokille abtransportierten Wärmemenge.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung zum Einstellen eines Volumenstroms des Kühlmediums, mittels dessen eine in die Kokille eingebrachte Wärmemenge abtransportierbar ist, vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Bestimmung einer Temperatur der Schmelze beim Eintritt in die Kokille und/oder einer Geschwindigkeit, mit der die Schmelze in die Kokille eintritt, einer Temperatur des Kühlmediums, vorzugsweise einer Zuleitungstemperatur und/oder einer Ableitungstemperatur, und/oder einer Differenz zwischen der Zuleitungstemperatur und/oder der Ableitungstemperatur, einer Menge des pro Zeiteinheit zugegebenen Trennmittels, einer Frequenz und/oder einer Amplitude einer Oszillation der Kokille, einer Temperatur der Schmelze im Verteiler, einer Temperatur der Schmelze beim Eintritt in die Kokille, einer Temperatur an der Kokilleninnenwand, einer Temperatur an der Oberfläche des Strangs, einer Strangschalendicke und/oder einer Strangschalenwachstumskonstante, einer Gießgeschwindigkeit der Schmelze, einer Verweilzeit des Strangs in der Kokille, einer Verweilzeit der Kokillenschlacke in der Kokille im Bereich oberhalb des sich bildenden Strangs („Liquid Pool“), eines Verbrauchs des Trennmittels, einer Schütthöhe des Trennmittels in der Kokille, einer Höhe eines Gießspiegels, einer Farbe und/oder einer Emissivität der Kokillenschlacke, einer Amplitude und/oder Frequenz der Kokillenoszillation und/oder eine Reibkraft zwischen dem Strang und der Kokille eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung zur Regelung der Temperatur des Kühlmediums, der Frequenz und/oder der Amplitude der Oszillation der Kokille und/oder der Menge des pro Zeiteinheit zugegebenen Trennmittels eingerichtet ist.