DE102014227013A1

DE102014227013A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Optimierung der Konizität einer Kokille in einer Brammenstranggießanlage

Info

Publication number: DE102014227013A1
Application number: DE102014227013.8A
Authority: DE
Inventors: Dirk Lieftucht; Felix Max Fanghänel
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2014-09-18
Filing date: 2014-12-29
Publication date: 2016-03-24

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Einstellung einer oder mehrerer konisch zulaufenden Kokillenwände (22) einer Kokille (20) in einer Brammenstranggießanlage, wobei das Verfahren aufweist: Messen einer oder mehrerer Längsverteilungen der Temperatur und/oder Wärmestromdichte in einer oder mehreren Kokillenwänden (21, 22), vorzugsweise entlang der Gießrichtung; Ermitteln des Anlageverhaltens des Strangs (10) entlang einer oder mehrerer Kokillenwände (21, 22) aus den gemessenen Längsverteilungen; Verfahren einer oder mehrerer Kokillenwände (22) unter Berücksichtigung des ermittelten Anlageverhaltens zur Verstellung der Konizität der Kokille (20).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung einer oder mehrerer konisch zulaufender Kokillenwände einer Kokille in einer Brammenstranggießanlage.
Hintergrund der Erfindung
Bekannt ist, beim Stranggießen von Metallen in einer Brammenstranggießanlage die Brammenbreite mit verstellbaren Schmalseiten der Kokille einzustellen. Als Kokille wird die endseitig offene, im Querschnitt senkrecht zur Gießrichtung rechteckige Gießform bezeichnet. Während des Abkühlens des flüssigen Metalls in der Kokille tritt ein Volumenverlust auf, weshalb die Kokille in Gießrichtung konisch zulaufend vorgesehen ist. Andernfalls würde der Strang im unteren Bereich der Kokille nicht mehr geführt werden, und dann wäre keine kontrollierte Wärmeabfuhr über die üblicherweise wassergekühlten Kokillenwände möglich. Die Konizität der Kokille in Gießrichtung wird über die Neigung der Kokillenwände auf der Schmalseite geregelt.
Eine zu geringe oder zu starke Konizität kann zu verschiedenen Fehlbildungen am Strang führen. Beispielsweise können sich kantennahe Längsdepressionen, die sogenannten Regenrinnen, auf den Breitseiten der Bramme ausbilden. Derartige Längsdepressionen gehen aus der 1 hervor, in der das Bezugszeichen 10 eine Bramme bezeichnet und die Längsdepressionen auf den Breitseiten 11 der Bramme 10 mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet sind. Die Schmalseiten der Bramme 10 sind mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet.
Allgemein gesprochen lassen sich drei Zustände der Konizität der Kokille 20 unterscheiden, die mit Bezug auf die 2a bis 2d erläutert werden sollen. Die 2a und 2c zeigen jeweils ein Viertel des Querschnitts einer Kokille 20 mit darin befindlichem Strang 10. Der Querschnitt ist senkrecht zur Gießrichtung genommen. Die 2b und 2d zeigen jeweils ein Viertel des Querschnitts einer sich anschließenden Strangführung 30 mit darin befindlichem Strang 10. Der Querschnitt ist ebenfalls senkrecht zur Gießrichtung genommen. Der Strang 10 weist einen heißen, flüssigen Kern 15 und eine diesen umgebende Strangschale 13 auf, die aufgrund der raschen Wärmeabfuhr durch die Kokillenwände 21 und 22 bereits teilweise oder vollständig ausgehärtet ist. Die Bezeichnungen "Strang" und "Bramme" werden im vorliegenden Text synonym verwendet.
Bei einer zu geringen Konizität ist die Anstellung bzw. Neigung der Schmalseiten 22 der Kokille 20 zu gering, wodurch eine Lücke zwischen der Strangschale 13 und der Schmalseite 22 der Kokille 20 entsteht. Typische Defekte dieser Fehljustierung sind a) eine reduzierte Strangschalenausbildung aufgrund einer zu geringen Wärmeabfuhr über die Kokillenwände 21 und 22, was zu Strangdurchbrüchen führen kann, und b) Ausbeulen des Strangs 10 unterhalb der Kokille 20, was zu Qualitätsproblemen, wie beispielsweise den oben genannten Regenrinnen aber auch zu Längsrissen unterhalb der Strangoberfläche führen kann. Die 2a zeigt einen typischen Fehler bei zu geringer Konizität einer Kokille 20, mit ihren Breitseiten 21 und Schmalseiten 22. Der Fehler setzt sich dann in der Strangführung 30 fort, wie es aus der 2b hervorgeht. Die Ursache für die Fehlbildung am Strang 10 bei zu geringer Konizität liegt darin, dass die Strangschale 13 aufgrund des ferrostatischen Drucks gegen die Schmalseiten 22 der Kokille 20 gedrückt wird. Bedingt durch die zweidimensionale Wärmeableitung im Kantenbereich ist die Kante des Strangs 10 überkühlt und verweilt in rechteckiger Form. Durch die Kombination aus überkühlter Kante und ferrostatischen Drucks bildet sich eine Beule auf der Schmalseite 12 des Strangs 10. Auf der Breitseite 11 des Strangs 10 kommt es zum Kontaktverlust, somit zu einem Fehler des Anlageverhaltens des Strangs 10. Im weiteren Verlauf durch die Strangführung 30 egalisieret sich zwar die kantennahe Längsdepression 14 im Kantenbereich der Breitseite 11 weitestgehend, allerdings verbreitert sich der Strang 10, und eine konvexe Form der Schmalseite 12 ist zu erkennen.
Bei einer zu starken Konizität ist die Anstellung der Schmalseiten 22 der Kokille 20 zu groß, wodurch der Strang 10 beim Durchtritt durch die Kokille 20 gequetscht wird. Typische Defekte einer solchen Fehljustierung sind c) eine verstärkte Abnutzung der Kokillenoberfläche, d) eine Erhöhung der Reibung zwischen Kokille 20 und Strang 10, was zu Querrissen im Strangmaterial führen kann, und e) ein Aufbäumen der Strangschale 13 auf der Breitseite 11, womit kantennahe Längsdepressionen 14 und verwandte Probleme verbunden sind. Die 2c und 2d entsprechen den 2a und 2b und zeigen einen typischen Fehler für den Fall zu starker Konizität. Es drücken die Schmalseiten 22 der Kokille 20 zu stark auf den Strang 10, was zu einem kantenfernen Aufbäumen oder Faltenwurf der Strangschale 13 führt. Nach Verlassen der Kokille 20 und dem Wegfall der Stützung durch die Schmalseiten 22 weicht der Strang 10 aufgrund des ferrostatischen Drucks nach außen aus, wie es aus der 2d hervorgeht. Da auch hier der Winkel der Brammenkanten dem der Kokille 20 entspricht, ergibt sich eine konkave Form der Schmalseiten 12 der Bramme 10.
Bei einer optimalen Konizität entspricht die Anstellung der Schmalseiten 22 der Kokille 20 genau der Schrumpfung der Schmelze bzw. des Stahls. Dieser Zustand ist erstrebenswert, um die oben beschriebenen Defekte und Fehlbildungen zu vermeiden.
Der Sollwert der Schmalseitenkonizität kann beispielsweise über numerische Simulationen bezüglich der Gießbreite, Gießgeschwindigkeit und Stahlsorte ermittelt werden. Über hieraus erzeugte Tabellen wird dann die Schmalseitenkonizität der Kokille eingestellt.
Weiterhin sind Lösungen zur Optimierung der Schmalseitenkonizität während des Gießvorgangs auf Grundlage der integralen Wärmeströme aus den Kühlwassertemperaturen der Kokille bekannt. Diesbezüglich sei beispielhaft auf die
EP 0 515 010 B1 Bezug genommen. Nachteilig an einer solchen Lösung ist, dass über die Kühlwassertemperatur keine lokalen Informationen bezüglich des Anlageverhaltens des Strangs ermittelt werden können.
Weiterhin sind Ansätze bekannt, das Anlageverhalten des Strangs an die Schmalseiten der Kokille zu verbessern, indem die Schmalseiten eine spezielle Profilierung aufweisen oder mit sogenannten Mehrfachtapern oder Polytapern versehen werden. Die DE 10 2012 207 786 A1 beschreibt eine Kokille spezieller Profilierung. Der Nachteil solcher Lösungen besteht in einer fehlenden Flexibilität und in eingeschränkten Einsatzmöglichkeiten, da die Schmalseitengeometrie für eine spezielle Kombination aus Gießgeschwindigkeit, Gießbreite und Stahlsorte auszulegen ist. Ferner ist die Anschaffung einer solchen Spezialhardware erforderlich und somit kostspielig.
Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Justierung bzw. Einstellung der Konizität einer oder mehrerer Kokillenwände einer Kokille in einer Brammenstranggießanlage anzugeben, mit denen sich die Qualität der Brammen verbessern und Fehler beim Gießen zuverlässiger vermeiden lassen.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Justierung bzw. Einstellung einer oder mehrerer Wände einer Kokille in einer Anlage zum Stranggießen von Metallen, konkret in einer Brammenstranggießanlage. Die Justierung kann während des Gießprozesses vorgenommen werden, wodurch die Konizität der Kokille augenblicklich an die aktuell herrschenden Prozessbedingungen angepasst werden kann, sodass stets die optimale Konizität vorliegt. Alternativ findet die Justierung vor dem Gießprozess statt und verbleibt während des Gießens konstant.
Gemäß dem Verfahren findet eine Messung einer oder mehrerer Längsverteilungen der Temperatur und/oder Wärmestromdichte in einer oder mehreren Kokillenwänden im Wesentlichen entlang der Gießrichtung statt. Die Messung kann, wie bereits angedeutet, während des Gießens erfolgen, beispielsweise gemäß einem Schema zum kontinuierlichen Überwachen des Prozesses. Mit "Längsverteilung" ist ein zumindest eindimensionales Feld aus mehreren Messwerten gemeint. Die Bezeichnung "längs" wurde hierbei gewählt, um deutlich zu machen, dass die Verteilung der Temperatur und/oder Wärmestromdichte entlang der Kokille, d.h. abzüglich der Konizität entlang der Gießrichtung, genommen wird. Eine Verteilung in dieser Richtung ist obligatorisch, schließt aber eine Verteilung bzw. Messpunkte entlang einer oder mehrerer anderer Richtungen nicht aus. Im Gegenteil, eine zweidimensionale Verteilung, etwa ein zweidimensionales Messfeld der Temperatur und/oder Wärmestromdichte, insbesondere der Schmalseiten der Kokille, ist sogar bevorzugt, wie es weiter unten genauer ausgeführt wird.
Anhand der gemessenen Längsverteilung, also anhand des wenigstens eindimensionalen Messfelds, lässt sich das Anlageverhalten des Strangs an die Wände der Kokille ermitteln. Insbesondere lassen sich die Position und die Ausprägung eines etwaigen Anlagefehlers ermitteln, etwa wenn die Temperatur oder Wärmestromdichte lokale, unerwartete Abweichungen aufweist. Eine lokale Temperaturverringerung oder eine lokale Verminderung der durch die betreffende Stelle der Kokille abgeführten Temperatur tritt beispielsweise dann auf, wenn ein Luftspalt zwischen dem Strang und der Kokille vorliegt. All die lokalen Kontaktzustände zwischen Strang und Kokille werden insgesamt unter den Begriff des "Anlageverhaltens" gefasst. Die Ermittlung des Anlageverhaltens erfolgt vorzugsweise automatisch und rechnergestützt.
Das ermittelte Anlageverhalten bestimmt die anzustrebende Konizität der Kokille. Somit werden bei einer Abweichung von der optimalen Konizität, also jener Konizität, bei der kein Quetschen des Strangs stattfindet und kein Luftspalt zwischen Strang und Kokille auftritt, eine oder mehrere Wände der Kokille verfahren bzw. verstellt, um das Anlageverhalten zu optimieren.
Auf diese Weise findet eine hochpräzise Steuerung der Konizität der Kokille statt, wodurch sich Brammendefekte, wie beispielsweise Risse im Material, Längsdepressionen oder andere Verformungen der Strangschale zuverlässig vermeiden lassen. Ferner kann das Verfahren auf kleinste Änderungen der Prozessbedingungen sofort reagieren, wodurch der Gießprozess auch bei einer etwaigen Nachjustierung unterbrechungsfrei fortgeführt werden kann.
Besonders bevorzugt erfolgt die Messung der Längsverteilung der Temperatur und/oder der Wärmestromdichte mittels eines oder mehrerer Lichtwellenleiter, denn in diesem Fall lässt sich die gewünschte Feldmessung mit vielen Messpunkten bei einem vertretbaren technischen Aufwand realisieren. Das hier dargestellt Verfahren kann umso präziser ausgeführt werden, je mehr Messpunkte zur Verfügung stehen. Aus diesem Grund eigenen sich Lichtwellenleiter, insbesondere solche mit jeweils mehreren Faser-Bragg-Sensoren, hervorragend. Die sogenannten Faser-Bragg-Gitter erlauben die Nutzung der Methode des "Wavelength Division Multiplexing." Dadurch lassen sich viele Sensoren mit unterschiedlichen Bragg-Wellenlängen entlang und in einer Faser realisieren. Ein Array aus mehreren duzend bis hundert Sensoren ist auf diese Weise realisierbar, ohne die Kokillenwände etwa mit vielen einzelnen punktförmigen Sensorelementen bestücken zu müssen, was technisch sehr aufwendig wäre, die Struktur der Kokille möglicherweise über Gebühr schwächen und außerdem aufgrund fertigungsbedingter Abweichungen der Eindringtiefen der einzelnen Sensoren zu Ungenauigkeiten bei der Messung führen würde. Insofern sind Lichtwellenleiter mit integriertem Faser-Bragg-Gitter ausgesprochen gut geeignet.
Üblicherweise weist die Kokille eine Schmalseite und eine Breitseite, somit zwei Wände der Schmalseite und zwei Wände der Breitseite auf. Ein oder beide Wände der Schmalseite sind vorzugsweise verstellbar vorgesehen. Die Verfahrbarkeit kann technisch beispielsweise hydraulisch oder elektromotorisch umgesetzt werden. Konkret werden gemäß einem beispielhaften Vorgang der Verstellung der Konizität die Wände der Breitseite zunächst mechanisch, hydraulisch oder per Federkraft, entspannt, um die Verstellung der Schmalseiten zu ermöglichen. Anschließend werden in diesem Ausführungsbeispiel die Wände der Schmalseite verstellt und die Wände der Breitseite wieder auf die ursprüngliche Klemmkraft eingestellt. Die Verstellung ist vorzugsweise während des Gießbetriebs durchführbar.
Die Messung der Längsverteilung der Temperatur und/oder der Wärmestromdichte erfolgt vorzugsweise entlang einer oder beider Wände der Schmalseite. Hierbei können mehrere Längsverteilungen in der Ebene der betreffenden Kokillenwand und senkrecht zur Gießrichtung gemessen werden. Dies entspräche dann einer möglichen Ausprägung des oben angesprochenen zweidimensionalen Messfelds. Vorzugsweise werden zentrale und kantennahe Längsverteilungen, beispielsweise eine zentrale und zwei kantennahe Längsverteilungen, gemessen, wobei bei der Ermittlung des Anlageverhaltens die Temperaturen und/oder Wärmestromdichten der kantennahen Längsverteilungen mit denen der zentralen Längsverteilung ins Verhältnis gesetzt werden. Mit "Verhältnis" ist hierbei insbesondere der Quotient aus Termen der Temperaturen und/oder Wärmstromdichten der kantennahen Längsverteilungen und Termen jener der zentralen Längsverteilung gemeint. Dieses besondere Ausführungsbeispiel der Erfindung liefert einen sehr guten Kompromiss aus dem technischen Aufwand zur Erstellung des Messfelds und der gewünschten Präzision bei der Herstellung der optimalen Konnektivität.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Realisierung erfolgt die Messung der Längsverteilung der Temperatur und/oder der Wärmestromdichte entlang wenigstens einer Schmalseite und wenigstens einer Breitseite, wobei noch bevorzugter mehrere Längsverteilungen in der Ebene der betreffenden Kokillenwand, also der wenigstens einen Breitseite und der wenigstens einen Schmalseite, und senkrecht zur Gießrichtung gemessen werden. Auf diese Weise lässt sich das Anlageverhalten besonders genau auch in den Eckbereichen der Kokille, also im Schnittbereich zwischen Breit- und Schmalseite, bestimmen. Die Eckbereiche entsprechen den besonders defektanfälligen Kantenabschnitten des Strangs. Aus diesem Grund sind kantennahe Sensoren vorzugsweise an der Schmalseite und/oder der Breitseite vorgesehen.
In der Terminologie der Vorrichtung sind gemäß der Erfindung ein Verstellmechanismus zum Justieren bzw. Einstellen einer oder mehrerer Kokillenwände der Kokille und eine Berechnungs-/Steuereinheit vorgesehen. Eine oder mehrere der Kokillenwände weisen jeweils eine oder mehrere Sensoreinheiten zur Messung einer oder mehrerer Längsverteilungen der Temperatur und/oder Wärmestromdichte entlang der Gießrichtung auf. Insofern sind die Sensoreinheiten linear bzw. länglich ausgeprägte Sensoreinheiten, die sich vorzugsweise in Längsrichtung der Kokille erstrecken. Als Sensoreinheiten kommen die oben dargelegten Lichtwellenleiter mit Faser-Bragg-Sensoren in Frage. Diese können direkt in die entsprechenden Kokillenwände eingebettet werden. Die Sensoreinheiten sind mit der Berechnungs-/Steuereinheit verbunden und liefern ihre Messwerte an diese. Somit liegt der Berechnungs-/Steuereinheit ein eindimensionales oder mehrdimensionales Temperaturfeld und/oder Wärmestromdichtenfeld vor, woraus diese das Anlageverhalten des Strangs an der Kokille berechnet. Die Berechnungs-/Steuereinheit ist ferner mit dem Verstellmechanismus verbunden und ausgelegt, diesen anzusteuern, sodass eine oder mehrere Wände der Kokille gemäß dem ermittelten Anlageverhalten eingestellt werden können. Die Messung, Ermittlung des Anlageverhaltens und/oder die Verstellung der Konizität der Kokille kann, wie bereits dargelegt, vorzugsweise während des Gießprozesses erfolgen.
Die mit Bezug auf das Verfahren dargelegten technischen Aspekte, Wirkungen und Vorteile gelten analog für die Vorrichtung.
Wenngleich die vorliegende Erfindung im technischen Umfeld von Brammenstranggießanlagen zum Einsatz kommt, kann die Erfindung ggf. auch in anderen Bereichen umgesetzt werden. Darüber hinaus sind weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben erwähnten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine perspektivische, schematische Ansicht einer Bramme mit Längsdepressionen im Kantenbereich der Breitseiten.
2a bis 2d zeigen typische Strangfehler bei zu geringer und zu starker Konizität der Kokille.
3 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Verwendung in einer Brammenstranggießanlage, mit einer Kokille, einem Verstellmechanismus zum Justieren einer oder mehrerer Kokillenwände und einer Berechnungs-/Steuereinheit.
4a und 4b zeigen jeweils eine Realisierung für eine Kokillenwand der Schmalseite mit integrierten Lichtwellenleitern mit Faser-Bragg-Sensoren.
5a und 5b sind Ansichten zur Erläuterung der Korrektur der Kokillen-Konizität.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht dazu beabsichtigt sind, die Erfindung zu beschränken, sondern der Erläuterung der Erfindung dienen, wobei die dargelegten Merkmale oder Merkmalskombinationen der Ausführungsbeispiele nicht immer essentiell für die Erfindung sein müssen.
Es soll die Entstehung von kantenahen Längsdepressionen, den sogenannten Regenrinnen, wie sie beispielsweise in der 1 gezeigt und dort mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet sind, auf den Breitseiten 11 von Dickbrammen 10 aufgrund von zu geringer oder zu großer Schmalseitenkonizität vermieden werden. Hierzu wird ein schlechtes Anlageverhalten des Strangs an die Kokille rechnergestützt erkannt und anschließend durch automatisierte Korrektur der Konizität behoben. Zu diesem Zweck wird eine auf Lichtwellenleitern basierende Temperatur- und/oder Wärmestromdichtemessung von Abschnitten der Kokille herangezogen.
Die 3 zeigt schematisch eine Anordnung, mit einer Kokille 20, einem Verstellmechanismus 40 zum Justieren einer oder beider schmalseitigen Kokillenwände 22 und eine Berechnungs-/Steuereinheit 50.
In dem Längsschnitt der Kokille 20 gemäß der 3 sind die beiden Wände 22 der Schmalseite gezeigt; die beiden Wände der Breitseite, hingegen, liegen in der Papierebene (bzw. parallel dazu) und sind nicht eingezeichnet. Die beiden Wände 22 sind in Gießrichtung (in der Perspektive der 3 von oben nach unten) konisch zulaufend ausgerichtet. Der Grad der Konizität wird im vorliegenden Beispiel über Hydraulikzylinder 41, die Teil des Verstellmechanismus 40 sind, eingestellt. Mit den Hydraulikzylindern 41 sind Stellungsgeber 42, ebenfalls Teil des Verstellmechanismus 40, verbunden, welche die Hydraulikzylinder 41, oder allgemeiner den Hydraulikkreis, ansteuern. Alternativ kann die Einstellung der Wände 22 elektromotorisch oder auch anders erfolgen. Wichtig ist, dass die Justierung mit hoher Genauigkeit und großer Zuverlässigkeit, auch unter den anspruchsvollen Prozessbedingungen beim Stranggießen, durchgeführt werden kann.
Zwischen den beiden Wänden 22 der Schmalseite ist in der 3 ein Strang 10 eingezeichnet, der einen flüssigen Kern 15 und eine relativ dazu kältere, teilweise oder vollständig ausgehärtete Strangschale 13 aufweist. In Gießrichtung gesehen verbreitert sich die Strangschale 13 aufgrund einer zunehmenden Abkühlung, die durch Wärmeabgabe des Strang 10 an die wassergekühlten (hier nicht gezeigt, aber in den 5a und 5b sind Kühlkanäle 24 eingezeichnet) Kokillenwände 21, 22 erfolgt.
In den Kokillenwänden 22 der Schmalseite befinden sich Lichtwellenleiter als Sensoreinheiten 23 mit (nicht eingezeichneten) Faser-Bragg-Sensoren zur Messung lokaler Temperaturen und/oder Wärmestromdichten entlang der Erstreckungsrichtung des jeweiligen Lichtwellenleiters 23. Diese – die Erstreckungsrichtung der Lichtwellenleiter 23 – ist im Wesentlichen parallel zur Gießrichtung (unter Vernachlässigung der Konizität), d.h. die Lichtwellenleiter 23 verlaufen in der Ebene der betreffenden Kokillenwand 22, in Längsrichtung der Kokille 20. Deutlicher geht ihre Lage aus den 4a und 4b hervor, welche in perspektivischer Ansicht zwei verschiedene Ausführungsbeispiele von schmalseitigen Kokillenwänden 22 mit integrierten Lichtwellenleitern 23 als mögliche Sensoreinheiten zeigen. Wenngleich in den 4a und 4b ein Verlauf der Lichtwellenleiter 23 parallel zu den Längskanten der Wände 22 gezeigt ist, ist auch eine diagonale oder eine andere Ausrichtung nicht prinzipiell ausgeschlossen. Ferner können die Sensoreinheiten 23 auch einen gebogenen Verlauf nehmen, sofern ihre Messgenauigkeit dadurch nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Insofern sind die Bezeichnungen "linear" oder "länglich" mit Bezug auf die Sensoreinheiten 23 nicht gleichbedeutend mit "geradlinig" zu verstehen; vielmehr ist eine eindimensionale Erstreckung gemeint. In den hier vorgestellten Ausführungsbeispielen sind die Lichtwellenleiter 23 in die entsprechenden Kokillenwände 22 eingebettet. Allerdings können diese ggf. auch auf der Kaltseite der Wände vorgesehen sein, sofern deren technische Ausgestaltung dort eine ausreichend lokalisierte Temperatur- oder Wärmestromdichtenmessung zulässt. Vorzugsweise erstrecken sich die Lichtwellenleiter 23 im Wesentlichen über die gesamte Höhe der entsprechenden Kokillenwand 22, d.h. im Wesentlichen vom Meniskus oder Gießspiegel bis zum Kokillenende oder kurz davor. Die mit Faser-Bragg-Sensoren besetzt Länge des Lichtwellenleiters 23 entspricht dem möglichen Messfeld des Lichtwellenleiters 23.
Zurückkommend auf die 3 geht daraus ferner eine Berechnungs-/Steuereinheit 50 hervor, die sowohl mit den Stellungsgebern 41 des Verstellmechanismus 40, als auch mit den Sensoreinheiten 23 verbunden ist. Die Sensoreinheiten 23 können mit einer nachgeschalteten Temperaturmesseinheit 51, die eine Vorverarbeitung der Sensordaten übernimmt und zur Berechnungs-/Steuereinheit gezählt wird, verbunden sein. Die Berechnungs-/Steuereinheit 50 empfängt Temperatur- und/oder Wärmestromdichtensignale von den Sensoreinheiten 23, führt eine Verarbeitung der empfangenen Daten durch und gibt Steuerungsbefehle an die Stellungsgeber 41 aus.
In dem Beispiel der 4a sind über die Breite der Schmalseite drei Lichtwellenleiter 23 in der Wand 22 vorgesehen, zwei kantennahe Lichtwellenleiter 23' und ein zentraler Lichtwellenleiter 23''; im Beispiel der 4b sind sechs Lichtwellenleiter 23 vorgesehen, zwei paar katennahe Lichtwellenleiter 23' und ein paar zentrale Lichtwellenleiter 23''.
Über einen Vergleich des Temperaturprofils (analog des Wärmestromdichtenprofils) in der Mitte der Schmalseite (gemessen mittels der zentralen Lichtwellenleiter 23'') mit den beiden außermittigen Profilen (gemessen mittels der kantennahen Lichtwellenleiter 23') kann das Anlageverhalten des Strangs an die entsprechende Schmalseite bewertet werden. Die Berechnungs-/Steuereinheit 50 steuert unter Berücksichtigung des Bewertungsergebnisses über die Stellungsgeber 42 die Konizität der Kokille 20 und optimiert diese, wodurch sich die Ausbildung von Längsdepressionen 14 und anderen Defekten vermeiden lässt.
Um die Steuerung durch die Berechnungs-/Steuereinheit 50 anhand konkreter Beispiele zu erläutern, zeigen die 5a und 5b, in Übereinstimmung mit den 1a und 1c, ein fehlerhaftes aber charakteristisches Anlageverhalten der Schmal- und Breitseiten im unteren Drittel der Kokille, jeweils für den Fall einer zu schwach ausgeprägten Konizität (5a) und einer zu stark ausgeprägten Konizität (5b). In Ergänzung zu den 1a und 1c zeigen die 5a und 5b diese Charakteristik in Korrelation zur Lage der Lichtwellenleiter 23 bei einer gegebenen Gießbreite.
Aus den 5a und 5b ist ersichtlich, dass, im Unterschied zu dem oben dargelegten Ausführungsbeispiel, neben Lichtwellenleitern der Schmalseite außerdem Lichtwellenleiter der Breitseite vorgesehen sind. Die Lichtwellenleiter der Breitseite tragen die Bezeichnungen L2, L4, L6, L8 und L10, die Lichtwellenleiter der Schmalseite tragen die Bezeichnungen L13, L14 und L15. Ihre Lage, ob kantennah oder kantenfern, geht aus den 5a und 5b hervor.
Die 5a zeigt, dass bei zu geringer Konizität ein Luftspalt unmittelbar vor den kantennahen schmalseitigen Lichtwellenleitern L14, L15, sowie dem breitseitigen kantennahen Lichtwellenleiter L2 vorliegt. Aufgrund dieses isolierenden Luftspalts und des damit verbundenen verminderten Wärmestroms an dieser Stelle ist die Temperatur im Vergleich zu Bereichen mit anliegenden Lichtwellenleitern (L4, L6, L8, L10, L13) geringer.
Um eine zu geringe Konizität anhand der Temperaturen der Lichtwellenleiter zu erkennen, bringt die Berechnungs-/Steuereinheit 50 die Temperaturen der kantennahen schmalseitigen Lichtwellenleiter L14, L15 mit denen des zentralen Lichtwellenleiters L13 in ein Verhältnis A_NS,rel < 100 %, wobei A_NS,rel durch die Gleichung 1 gegeben ist:
Hierbei sind T_i,L13, T_i,L14 und T_i,L15 die jeweiligen Temperaturen in °C der Lichtwellenleiter, gemessen an einer Höhe i (in Gießrichtung gesehen).
Für die Temperaturen der Breitseite gilt ein Verhältnis A_BS,rel < 100 %, wobei:
Hierbei bezeichnet n den jeweiligen Lichtwellenleiter.
5b zeigt den Fall einer zu großen Konizität. Es fällt auf, dass es auf der Schmalseite kein resultierendes Verhältnis A_NS,rel < 100 % aufgrund des Anlageverhaltens geben kann. Hier entsteht kein isolierender Luftspalt zwischen dem Strang 10 und der Wand 22 auf der Schmalseite. Versuche haben allerdings gezeigt, dass sich ein umgekehrtes Verhältnis A_NS,rel > 100 % ergibt. Das heißt, die schmalseitigen kantennahen Lichtwellenleiter L14 und L15 weisen eine höhere Temperatur als der schmalseitige zentrale Lichtwellenleiter L13 auf. Für das Verhältnis A_BS,rel der Breitseiten gilt ein grundsätzlich ähnliches Verhalten, jedoch ist die Lage der lokal verringerten Temperatur weiter in Richtung Kokillenmitte verschoben. Versuche haben gezeigt, dass die Bewertung des Verhältnisses A_NS,rel ausreichend für die Bewertung des Anlageverhaltens ist und die Bewertung des Verhältnis A_BS,rel optional mehr Sicherheit gibt.
Grundlage des Bewertungsverfahrens sind die dargelegten Erkenntnisse zum Anlageverhalten. Ausgewertet werden alle verfügbaren Messstellen zwischen Gießspiegel (Kokilleneingang bzw. Meniskus) und Kokillenunterkante (Kokillenende). Dabei wird das erste Faser-Bragg-Gitter unterhalb des Gießspiegels, bzw. das Verhältnis der interpolierten Temperatur auf Höhe des Gießspiegels, als Referenz für das Anlageverhalten gewählt. Hier wird angenommen, dass das Anlageverhalten perfekt ist, da der Stahl vollständig flüssig ist bzw. sich eine Strangschale 13 von weniger als 0,5 mm gebildet hat. Diese bietet dem ferrostatischen Druck kaum Widerstand und es kann von einer komplett an die Wand 22 der Schmalseite angelegter Strangschale 13 ausgegangen werden.
Daraus ergibt sich für die Bewertung des Anlageverhaltens die Gleichung 3:
Hierbei sind T_i,L13, T_i,L14 und T_i,L15 die jeweiligen Temperaturen in °C der Lichtwellenleiter L13, L14 und L15, gemessen an einer Höhe i (in Gießrichtung gesehen), und T_j,L13, T_j,L14 und T_j,L15 die jeweiligen Temperaturen in °C der Lichtwellenleiter L13, L14 und L15, gemessen auf Gießspiegelniveau.
Ergänzend sei angemerkt, dass alle hier vorgestellten Bewertungsschemata von Temperaturen analog für lokale Wärmestromdichten durchführbar sind.
Mittels der dargestellten Verfahren und Vorrichtungen findet eine hochpräzise Steuerung der Konizität der Kokille 20 statt, wodurch sich Brammendefekte, wie beispielsweise Risse im Material, Längsdepressionen 14 und/oder andere Verformungen der Strangschale, vermeiden lassen. Ferner kann auf kleinste Änderungen der Prozessbedingungen sofort reagiert werden, wodurch der Gießprozess auch bei einer etwaigen Nachjustierung unterbrechungsfrei fortgeführt werden kann.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: Bramme, Strang
11: Breitseiten der Bramme
12: Schmalseiten der Bramme
13: Brammenschale
14: Längsdepressionen auf der Breitseite
15: Brammenkern
20: Kokille
21: Breitseiten der Kokille
22: Schmalseiten der Kokille
23: Lichtwellenleiter als Sensoreinheiten
23': kantennahe Lichtwellenleiter
23'': zentrale Lichtwellenleiter
24: Kühlkanäle
30: Strangführung
40: Verstellmechanismus
41: Hydraulikzylinder des Verstellmechanismus
42: Stellungsgeber
50: Berechnungs-/Steuereinheit
51: Temperaturmesseinheit
L2, L4, L6, L8, L10, L13, L14, L15: Lichtwellenleiter als Sensoreinheiten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0515010 B1 [0009]
DE 102012207786 A1 [0010]

Claims

Verfahren zur Einstellung einer oder mehrerer konisch zulaufenden Kokillenwände (22) einer Kokille (20) in einer Brammenstranggießanlage, wobei das Verfahren aufweist: Messen einer oder mehrerer Längsverteilungen der Temperatur und/oder Wärmestromdichte in einer oder mehreren Kokillenwänden (21, 22), vorzugsweise entlang der Gießrichtung; Ermitteln des Anlageverhaltens des Strangs (10) entlang einer oder mehrerer Kokillenwände (21, 22) aus den gemessenen Längsverteilungen; Verfahren einer oder mehrerer Kokillenwände (22) unter Berücksichtigung des ermittelten Anlageverhaltens zur Verstellung der Konizität der Kokille (20).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Längsverteilung der Temperatur und/oder der Wärmestromdichte mittels eines oder mehrerer Lichtwellenleiter (23), bevorzug mittels Lichtwellenleiter (23) mit jeweils mehreren Faser-Bragg-Sensoren, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille zwei Wände (22) der Schmalseite und zwei Wände (21) der Breitseite aufweist, wobei eine oder beide Wände der Schmalseite (22) verfahrbar und die beiden Wände (21) der Breitseite im Wesentlichen stationär vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Längsverteilung der Temperatur und/oder der Wärmestromdichte entlang einer oder beider Wände (22) der Schmalseite erfolgt, wobei vorzugsweise mehrere Längsverteilungen in der Ebene der betreffenden Kokillenwand (22) und senkrecht zur Gießrichtung gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zentrale und kantennahe Längsverteilungen gemessen werden, wobei bei der Ermittlung des Anlageverhaltens die Temperaturen und/oder Wärmestromdichten der kantennahen Längsverteilungen mit denen der zentralen Längsverteilung in ein Verhältnis gesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Längsverteilung der Temperatur und/oder der Wärmestromdichte entlang wenigstens einer Schmalseite und wenigstens einer Breitseite der Kokille (20) erfolgt, wobei vorzugsweise mehrere Längsverteilungen in der Ebene der betreffenden Kokillenwand (21, 22) und senkrecht zur Gießrichtung gemessen werden.
Vorrichtung mit einer konischen Kokille (20), einem Verstellmechanismus (40) zum Einstellen einer oder mehrerer Kokillenwände (22) und einer Berechnungs-/Steuereinheit (50), wobei die Vorrichtung zur Verwendung in einer Brammenstranggießanlage vorgesehen ist, die Kokille (20) einen oder mehrere mit der Berechnungs-/Steuereinheit (50) verbundene Sensoreinheiten (23) zur Messung einer oder mehrerer Längsverteilungen der Temperatur und/oder Wärmestromdichte in einer oder mehreren Kokillenwänden (21, 22) vorzugsweise entlang der Gießrichtung aufweist, die Berechnungs-/Steuereinheit (50) vorgesehen ist, um aus den gemessenen Längsverteilungen das Anlageverhalten des Strangs (10) entlang einer oder mehrerer Kokillenwände (21, 22) zu ermitteln, und die Berechnungs-/Steuereinheit (50) ferner mit dem Verstellmechanismus (40) verbunden ist und vorgesehen ist, diesen so anzusteuern, dass eine oder mehrere Kokillenwände (22) unter Berücksichtigung des ermittelten Anlageverhaltens verfahren werden, um die Konizität der Kokille (20) zu verstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere der Sensoreinheiten (23) einen oder mehrere Lichtwellenleiter, vorzugsweise Lichtwellenleiter mit Faser-Bragg-Sensoren, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille (20) zwei Wände (22) der Schmalseite und zwei Wände (21) der Breitseite aufweist, wobei eine oder beide Wände (22) der Schmalseite verfahrbar und beide Wände (21) der Breitseite im Wesentlichen stationär vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Wände (22) der Schmalseite ein oder mehrere Sensoreinheiten (23) aufweisen, wobei vorzugsweise mehrere Sensoreinheiten (23) in der Ebene der betreffenden Kokillenwand (22) und senkrecht zur Gießrichtung vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zentrale und kantennahe Sensoreinheiten (23) vorgesehen sind, wobei zur Berechnung des Anlageverhaltens die Berechnungs-/Steuereinheit (50) die gemessenen Temperaturen und/oder Wärmestromdichten der kantennahen Längsverteilungen mit denen der zentralen Längsverteilung in ein Verhältnis setzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Wand (22) der Schmalseite und wenigstens eine Wand (21) der Breitseite jeweils wenigstens eine Sensoreinheiten (23) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Wände (21, 22) der Schmalseite und/oder Breitseite mehrere Sensoreinheiten (23) aufweist, sodass mehrere Längsverteilungen in der Ebene der betreffenden Kokillenwand (22) und senkrecht zur Gießrichtung gemessen werden können.