DE19504009A1 - Einlaufsystem für eine Aluminiumstranggußanlage - Google Patents
Einlaufsystem für eine AluminiumstranggußanlageInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Einlaufsysteme für Aluminiumstrangguß
anlagen, bestehend aus einer Rinne, einer in die Rinne einge
setzten Zulaufdüse, in die ein Stopfen zur Regulierung des
Schmelzezulaufs eingesetzt ist und gegebenenfalls einem Regelsy
stem, mit dem die Eintauchtiefe des Stopfens innerhalb vorgege
bener Grenzen steuerbar ist.
Die Regelung des Schmelzezulaufs mit Hilfe von Düse und Stopfen
ist aus verschiedenen Veröffentlichungen bekannt. So ist bei
spielsweise von der Deutschen Gesellschaft für Metallkunde e.V.
ein Symposium unter dem Titel "Stranggießen - Schmelzen - Gie
ßen - Überwachen" veranstaltet worden, bei dem das Prinzip der Gieß
spiegelregelung nach dem Wirbelstromprinzip erläutert wurde. Bei
den 1986 herausgegebenen Vortragstexten findet sich auf Seite
331 die Abbildung eines Regelsystems unter Verwendung von
Düsen und Stopfen. Die Düse ist am Boden einer Rinne befestigt
und ragt mit ihrem unteren Ende in die Kokille hinein.
Ändert sich unter bestimmten Voraussetzungen die Geschwindigkeit
der Aluminiumschmelze in der Einlaufdüse, so verändert sich auch
der statische Druck. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten der Alumi
niumschmelze werden bei den dann auftretenden Unterdrucken am
Düseneintritt oder Düsenaustritt Oxyd- und Schmutzteilchen von
der Metalloberfläche der Rinne oder des Barrens in die Schmelze
eingesogen, was sich nachteilig bei der erzeugten Barrenquali
tät bemerkbar macht.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Einlaufsystem bei Alumi
niumstranggußanlagen derart zu optimieren, daß unter Beibehal
tung der wesentlichen Installationen der Unterdruck am Düsenein
tritt und am Düsenaustritt minimiert wird und die Strömungsver
hältnisse in der Zulaufdüse optimiert werden. Ein Verfahren zum
Betrieb des Einlaufsystems soll die Wirbelbildung in der Schmel
ze herabsetzen, so daß sowohl an der Schmelzeoberfläche in der
Rinne als auch an der Schmelzeoberfläche in der Kokille keine
Wirbelbildungen auftreten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen
angegebenen Merkmale gelöst. Es hat sich gezeigt, daß durch eine
besondere Formgebung der Innenkontur der Düse sowie durch die
Einhaltung bestimmter Eintauchtiefen in die oberhalb des Sumpfes
sich ausbildende Schmelzzone das Mitreißen von Oxyd- und anderen
Schmutzteilchen von der Metalloberfläche vermieden werden kann.
Ferner muß für einen ausreichenden Metallstand in der Rinne
gesorgt werden. Im ersten Schritt wird der am Düsenaustritt herr
schende Unterdruck minimiert und dann die Eintauchtiefe so ge
messen, daß eine Metallsäule von mindestens 2 cm den verbleiben
den Unterdruck kompensiert.
Die erfindungsgemäße Düsenkontur sieht vor, daß in der Mitte der
Zulaufdüse der engste Querschnitt vorliegt und damit die höchste
Geschwindigkeit in der Mitte der Düse erzeugt wird. Durch die
Düsenform werden Strömungsabrisse, die den durchströmten Quer
schnitt verringern könnten, vermieden. Die Düse wird somit
gleichmäßig über den gesamten Querschnitt durchströmt, wodurch
sich ein optimaler Volumenstrom einstellen läßt.
Bei den herkömmlichen Rinnenanordnungen ergeben sich am Einlauf
system unterschiedliche Strömungsverhältnisse, je nachdem, wel
che Düsenseite von der in der Rinne fließenden Schmelze zuerst
angeströmt wird. Unter bestimmten Voraussetzungen führt dies
bei herkömmlichen Einlaufsystemen zu einer ungleichmäßigen Ver
teilung der Flüssigkeitsströmung an der Düseninnenwand, mit der
Folge, daß an bestimmten Düsenquerschnitten sehr große Strö
mungsgeschwindigkeiten und an anderen Stellen ein Strömungs
schatten entsteht. Diese Zustände störten bisher die Gleichmä
ßigkeit der Strömung und wirkten sich auch auf die Einlauf- und
Auslaufverhältnisse an der Zufuhrdüse aus.
Zusammenfassend lassen sich die erfindungsgemäßen Merkmale wie
folgt darstellen:
- 1. Ausbildung der Düse derart, daß am Düseneintritt und am Düsenaustritt nur geringe Unterdrucke entstehen.
- 2. Ausbildung der Düsenkonfiguration derart, daß die Düse über den Querschnitt gleichmäßig durchströmt wird und die Strö mung an keiner Stelle abreißt.
- 3. Drosselung der Strömung im mittleren Bereich der Düse, so daß die vorhandene Strömungsenergie vermindert wird und an den Ein- und Austrittsenden der Düse praktisch keine Turbu lenz auftritt.
- 4. Vermeidung des Einfrierens von Düse und Stopfen im Bereich des Düseneintritts durch Abdichtung mittels eines umlaufen den Absatzes am Stopfen, der im geschlossenen Zustand am Rand des Düseneintritts anliegt.
- 5. Durch einen Spalt zwischen Stopfen und Düsenwand auch am engsten Querschnitt der Düse kann beim Schließen des Stop fens noch im Zwischenraum vorhandenes Metall abfließen.
- 6. Verkürzung des Regelweges durch Zuspitzung des Stopfens auf einen Radius von 7 mm.
- 7. Erhöhung der Winkeldifferenz auf 2° zur Verkürzung des Re gelweges.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbei
spiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Einlaufsystem,
Fig. 2 Erfindungsgemäße Zulaufdüse mit Stopfen im Quer
schnitt,
Fig. 3 Druckverlauf in einem erfindungsgemäßen Einlaufsystem
(Wassermodell),
Fig. 4 Düsen/Stopfensystem nach dem Stand der Technik,
Fig. 5 Druckverlauf bei einem herkömmlichen Einlaufsystem im
Wassermodell,
Fig. 6 Schematische Darstellung einer elektronischen Gieß
spiegelregelung,
Fig. 7 Gesamtansicht eines Einlaufsystems nach dem Stand der
Technik,
Fig. 8 Schematische Darstellung einer mechanischen Gießspie
gelregelung,
Fig. 9 Schematische Darstellung beim Öffnen der erfindungs
gemäßen Zulaufdüse.
Nach Fig. 1 besteht das Einlaufsystem aus einer in die Rinne 1
eingesetzten Zulaufdüse 2, in die ein Stopfen 3 zur Regulierung
des Schmelzezulaufs 4 eingesetzt ist. Über die Gießdüse gelangt
die Schmelze in die Kokille 5, wo sie zu einem Barren 6 geformt
wird, der auf dem Angußstein 7 gehalten wird. Durch Absenken
eines Gießtisches 8 mittels Absenkvorrichtung 9 wird der Barren
6 nach unten aus der Kokille 5 herausgezogen.
Die Formen von Düsen 2 und Stopfen 3 sind aus der Fig. 2 zu
entnehmen. Man erkennt, daß die Querschnitte X und Y am Düse
nein- und Düsenaustritt im Verhältnis zu den übrigen Querschnit
ten der Einlaufdüse groß gewählt sind, damit dort geringe Strö
mungsgeschwindigkeiten auftreten.
Aus Fig. 2 ist auch zu erkennen, wie der Stopfen 3 in die Düse
2 eintaucht. Der zwischen der Düse 2 und dem Stopfen 3 verblei
bende Raum ist als Ringspalt C anzusehen und ist so ausgelegt,
daß die Strömung den gesamten Querschnitt gleichmäßig ausfüllt.
Von der Einlaufseite X aus gesehen verjüngt sich der Ringspalt
C, so daß sich im strömenden Metall ein Staudruck aufbaut, der
einer Verringerung des statischen Drucks in der Schmelze ent
gegenwirkt.
Im fast parallelen Teil des Ringspaltes C wird die für die Dros
selung nötige Reibung erzeugt. Der Ringspalt C erweitert sich
sodann geringfügig zum Stopfen 3 hin, so daß sich die Strömung
hier besser an den Stopfen 3 anlegt. Bei abnehmendem Querschnitt
tritt durch die sich verjüngende Düse 2 eine Vergleichmäßigung
der Strömung über den Querschnitt auf.
Hinter der engsten Stelle, etwa in der Düsenmitte, erweitert
sich der Querschnitt, so daß die Strömung ohne Abriß wieder abge
bremst wird. Um auch an dem Stopfen 2 einen Strömungsabriß zu
vermeiden, ist dieser an der Spitze zu einem Radius von im Bei
spiel 11,5 mm ausgezogen.
Zur Überprüfung der tatsächlichen Strömungsverhältnisse in der
erfindungsgemäßen Düse wurde ein Wassermodell des bei der Her
stellung eines Walzbarrens herrschenden Zustandes geschaffen. In
diesem Wassermodell konnten die Verhältnisse in der Rinne, in
der Düse und im Walzbarren, bei verschiedenen Düsen-Stopfen-Syste
men simuliert werden. Mit diesem Wassermodell wurden die
Druckverläufe im optimierten Einlaufsystem untersucht. Das Er
gebnis ist in Fig. 3 dargestellt.
Man erkennt, daß am Düseneintritt (Düsenlänge = 0) ein positiver
oder nur leicht negativer Druck herrscht. In der Düsenmitte
werden durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten sehr hohe
Unterdrucke erreicht. Am engsten Querschnitt werden hohe Unter
drucke gemessen, die zeigen, daß die Strömung nicht abreißt,
sondern an den Wandungen anliegt. Danach erfolgt innerhalb kür
zester Zeit ein Abbau der sehr hohen Unterdrucke, so daß am Dü
senaustritt bei etwa 17 cm Düsenlänge nur noch sehr geringe
Unterdrucke verbleiben.
Die Druckverhältnisse werden auch durch einen vergrößerten Ni
veauunterschied - im Beispiel 26 cm und 34 cm - kaum verändert.
Die dicht beieinander liegenden Kurven für verschiedene Niveau
unterschiede zeigen, daß die Strömungszustände sehr stabil sind
und auch bei hohen Unterdrucken die Strömung in der Düse nicht
abreißt. Daraus folgt, daß der zur Verfügung stehende Quer
schnitt relativ gleichmäßig durchströmt wird und dabei keine
Geschwindigkeitsspitzen auftreten.
In den Fig. 6a, b und 5a, b sind die Druckverläufe bekannter
Einlaufsysteme exemplarisch dargestellt. Bei einem nach unten
schließenden Einlaufsystem gemäß Fig. 4a kann der Unterdruck am
Düsenaustritt nicht mehr abgebaut werden, da der verfügbare
Querschnitt am Düsenaustritt durch den Strömungsabriß unter dem
Stopfen sehr stark verkleinert wird. Somit entstehen hohe Unter
drucke am Düsenaustritt, die nicht mehr durch eine Vergrößerung
der Eintauchtiefe der Düse kompensiert werden können (siehe
Fig. 5a).
In Fig. 4b ist ein bekanntes nach oben schließendes Einlaufsy
stem dargestellt. Hier steigt der Unterdruck bei zunehmendem
Niveauunterschied stark an (siehe Fig. 5b). Dies hat zur Folge,
daß die über dem Düseneintritt in der Rinne stehende Metallsäule
und der damit verbundene statische Druck nicht ausreicht, um den
am Düseneintritt entstehenden Unterdruck zu kompensieren. Ferner
entsteht unter dem Stopfen ein Strömungsabriß, der den zur Ver
fügung stehenden Querschnitt vermindert. Bei größerem Niveau
unterschied kann sich dieser Strömungsabriß bis zum Düsenaus
tritt hin auswirken, so daß dort eine Verstärkung des Unterdruckes
mit den eingangs genannten nachteiligen Folgen auftritt.
Die zu den vorstehenden Betrachtungen herangezogenen Druckver
läufe sind von der jeweiligen Lage der Meßpunkte abhängig. Die
Darstellungen in Fig. 5a, b sind als zweidimensionale Darstel
lungen anzusehen und sagen daher nichts über die Gleichmäßigkeit
der Strömung über den Umfang der Einlaufdüse aus. Wie eingangs
dargestellt, können aber bei üblichen Einlaufsystemen Ungleich
mäßigkeiten über den Umfang der Zulaufdüse auftreten, wodurch
Geschwindigkeitsspitzen entstehen, die wiederum den Unterdruck
erhöhen.
Hinzu kommt, daß in der Praxis häufig schiefstehende oder krum
me Stopfen die Strömungsverhältnisse noch weiter beeinflussen,
in der Weise, daß die Inhomogenitäten vergrößert werden. Bei den
bekannten Systemen kommt es vor, daß nur eine Hälfte des Düsen
umfanges durchströmt wird. Somit ergeben sich auch Probleme bei
der Regulierung des Volumenstroms, die sich insbesondere bei
einer automatischen Niveauregelung nachteilig bemerkbar machen.
Bei der erfindungsgemäßen Veränderung der Querschnitte kann der
Volumenstrom sehr viel genauer dosiert und das Auftreten von
Instabilitäten vermieden werden. Es zeigte sich am Glasmodell,
daß eine optimierte Düse auch über den Umfang relativ gleichmä
ßig durchströmt wird.
Im Gegensatz dazu neigt das bekannte Einlaufsystem zur Turbu
lenzbildung. Dies ist anhand der Fig. 7 dargestellt und wird im
folgenden näher erläutert. Die Schmelze 4 gelangt in Pfeilrich
tung durch die Rinne 1 zur Zulaufdüse 2. Durch die an Düsenein- und
austritt entstehenden Unterdrucke wird die Schmelzeoberflä
che vom Luftdruck eingedellt, wodurch die Oxydschicht aufreißen
kann und Oxyd- oder Schmutzteilchen in die Schmelze gesogen
werden können. Die nicht verformbaren Verunreinigungen werden in
die Erstarrungsfront eingebaut. Beim späteren Walzprozeß gelan
gen sie an die Oberfläche und führen zum Aufreißen des Walzban
des oder zu Beschädigungen der Walzen.
In Fig. 8 ist eine mechanische Regelung des Kokillengießsystems
für Aluminiumwalzbarren schematisch dargestellt. Über einen
Schwimmer 14, der auf der Metalloberfläche des Barrens positio
niert ist, wird über eine mechanische Umlenkung 15 der Stopfen
3 mittels einer Druckstange 16 nach oben oder unten bewegt. Der
Begriff "Schwimmer" steht dabei für ein Stück Feuerfestmaterial,
das auf der Metalloberfläche schwimmt und über einen Hebel den
Metallstand meldet. Im vorliegenden Fall wird damit der Ring
spalt zwischen Düse und Stopfen vergrößert oder verkleinert, je
nachdem in welche Richtung das Schmelzeniveau vom Sollwert ab
weicht. Die Zulaufmenge der Metallschmelze wird somit durch
unterschiedliche Stopfenhöhen geregelt.
Andere Methoden bestehen in der Laserabtastung des Metallstandes
in der Kokille. Das entstehende Signal wird hier auf elektroni
schem Wege verarbeitet und zu einer Stellgröße für den Stopfen
3 umgebildet (siehe Fig. 6).
Der Metallstand in der Kokille 5 kann aus verschiedenen Gründen
schwanken. Beispielsweise erfolgt die Neigung des Schmelzeofens
nicht kontinuierlich, so daß eine Schwallbildung in der Rinne 1
auftritt. Auch der Metallstand in der Rinne wird üblicherweise
mit einem Schwimmer geregelt, so daß im Normalfall zwei Regelsy
steme miteinander gekoppelt sind. Dies führt zu einem dynami
schen Regelverhalten, das während der Gießphase einer ständigen
Korrektur der jeweiligen Stopfenhöhe bedarf.
Schwankungen des Metallstands verändern die thermischen Bedin
gungen, was zu einer ungünstigen Ausbildung der Barrenoberfläche
führt. Die Dicke der Randschale, die vor dem Walzen vollständig
abgefräst werden muß, vergrößert sich.
In Fig. 9 sind anhand von 5 Detailbildern die Vorgänge beim
Öffnen des Stopfens dargestellt. Bei Fig. 9.1 ist der Stopfen
3 in der Düse 2 in Verschlußstellung gezeigt. Durch die Ver
schlußkante 21 des Stopfens 3 wird die Düsenöffnung 22 ver
schlossen.
In Fig. 9.2 ist die Verschlußkante 21 um einen Spalt von ca. 2
bis 3 mm von der Düseneintrittsöffnung 22 entfernt worden. Da
durch gelangt Schmelze in die Düse 2 und fließt am Stopfen 3
entlang bis zur engsten Stelle etwa in der Düsenmitte. Die
Schmelze tritt als dünner Strahl 23 am unteren Ende der Düse
aus.
Ebenso wie in Fig. 9.2 ist in Fig. 9.1 ein Spalt zwischen dem
engsten Querschnitt der Düse 2 und dem Stopfen 3 erkennbar. Dies
bedeutet, daß auch im geschlossenen Zustand der Düse etwa noch
vorhandene Schmelze aus der Düse abfließen kann. Dies ist beson
ders wichtig bei einem stoßweisen Betrieb wie z. B. bei einem
Gießkarussell, wo der Zulauf der Metallschmelze abschnittsweise
erfolgt.
In den Fig. 9.3 bis 9.5 wird der Spalt zwischen dem Stopfen
3 und der Düse 2 stetig vergrößert. In gleichem Maße steigt auch
die Menge an abfließendem Metall.
Bei einer Bewegung des Stopfens 3 in umgekehrter Richtung - also
beim Verschließen der Düse - wird die Menge des abfließenden
Metalls stetig verringert. Bei geschlossenem Stopfen kann flüs
siges Metall noch in dem Spalt zwischen Düse und Stopfen im
oberen Bereich zwischen Düseneintritt und engstem Querschnitt
der Düse vorhanden sein. Da die Metallmenge bedingt durch den
engen Spalt sehr gering ist besteht hier die Gefahr, daß das
Metall erstarrt und der Stopfen sich anschließend nicht mehr
bewegen läßt.
Um dies zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die
Düse bereits am Düseneintritt abgedichtet ist. Hierzu dient der
umlaufende Absatz 21 am Stopfen, der im geschlossenen Zustand am
Rand 22 des Düseneintritts anliegt.
Da immer ein Spalt zwischen Stopfen und Düse auch im geschlos
senen Zustand der Zulaufdüse vorhanden ist, kann beim Schließen
des Stopfens noch im Zwischenraum vorhandenes Metall abfließen.
Claims (5)
1. Einlaufsystem für Aluminiumstranggußanlagen, bestehend aus
einer Rinne, einer in die Rinne (1) eingesetzten Zulaufdüse
(2), in die ein Stopfen (3) zur Regulierung des Schmelzezu
laufs (4) eingesetzt ist und gegebenenfalls einem Regelsy
stem, mit dem die Eintauchtiefe des Stopfens innerhalb
vorgegebener Grenzen steuerbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stopfen (3) am engsten Querschnitt der Düse stets in einem Abstand von der Düsenwand gehalten wird,
daß sich der Düsenquerschnitt vom Düseneintritt bis etwa zur Düsenmitte hin kontinuierlich verringert, wobei eine Winkeldifferenz zwischen der Seitenwand des Düsenringraumes D und dem Stopfen 1°-3° beträgt,
und daß an dem dem Düseneintritt benachbarten Ende des Stopfens (3) eine Verschlußkante ausgebildet ist, die beim vollständigen Eintauchen des Stopfens (3) den Düseneintritt gegenüber der Schmelze verschließt.
daß der Stopfen (3) am engsten Querschnitt der Düse stets in einem Abstand von der Düsenwand gehalten wird,
daß sich der Düsenquerschnitt vom Düseneintritt bis etwa zur Düsenmitte hin kontinuierlich verringert, wobei eine Winkeldifferenz zwischen der Seitenwand des Düsenringraumes D und dem Stopfen 1°-3° beträgt,
und daß an dem dem Düseneintritt benachbarten Ende des Stopfens (3) eine Verschlußkante ausgebildet ist, die beim vollständigen Eintauchen des Stopfens (3) den Düseneintritt gegenüber der Schmelze verschließt.
2. Einlaufsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß vom engsten Querschnitt der Düse zum Düsenein- und
Düsenaustritt ein Abstand A von mindestens 7 cm eingehalten
ist.
3. Einlaufsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Düseneintritt der Raum zwischen der Düse (2) und dem
Stopfen (3) auf einer Länger B kontinuierlich verengt ist,
wobei die Länge des Abschnitts B zwischen 0-10 cm liegt.
4. Einlaufsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verengung über eine Länge von 1-10 cm erfolgt.
5. Einlaufsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich oberhalb des engsten Düsenquerschnittes zwischen
Düse (2) und Stopfen (3) ein sich verengender Ringraum C,
D ausbildet, während unterhalb des engsten Düsenquerschnit
tes der Raum zwischen Düse (2) und Stopfen (3) kontinuier
lich erweitert wird, wobei die Stopfenspitze S im Be
triebszustand gegenüber dem Düsenaustritt Y einen Mindest
abstand einhält, der das 1 bis 1,5fache des Durchmessers
der Stopfenspitze beträgt, wobei die Stopfenspitze vorzugs
weise mit einem Radius von 5-10 mm abgerundet ist.
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