DE19504009A1 - Einlaufsystem für eine Aluminiumstranggußanlage - Google Patents

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.

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.