DE19900915A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einstellen und/oder Halten der Temperatur einer Schmelze, bevorzugt einer Stahlschmelze beim Stranggießen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Einstellen und/oder Halten der Temperatur einer Schmelze, bevorzugt einer Stahlschmelze beim StranggießenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Temperatur einer Schmelze 10, bevorzugt einer Stahlschmelze, in einem Verteilergefäß 11, wobei die Temperatur der Schmelze gemessen, das Meßergebnis mit einem vorgebbaren Temperaturbereich in Form von Soll-Werten verglichen und die Schmelze so viel Wärme zugeführt bzw. entzogen wird, daß die Temperatur innerhalb des Bereichs liegt. Zur Regelung der Schmelztemperatur wird ein feuerfestes, bodenseitig geschlossenes Formteil 20 zur Aufnahme einer innen liegenden fluidgekühlten Induktionsspule 1 in die Schmelze 10 eingetaucht. Die Übertragung der Wärme erfolgt über Wärmeleitung aus der Wandung des Formteils 20, das seinerseits an das induzierte elektromagnetische Feld ankoppelt und/oder durch direktes Ankoppeln an die flüssige Schmelze 10. Das Formteil 20 nimmt unter Freilassung von Kühlkanälen 9 die Induktionsspule 1 austauschbar auf und wird von außen über einen heb-, senk- und drehbaren Manipulator 16 positioniert.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen und/oder Halten der Tempera
tur einer Schmelze, bevorzugt einer Stahlschmelze, in einem Gefäß, wobei die
Temperatur der Schmelze gemessen, das Meßergebnis mit einem vorgebbaren
Temperaturbereich in Form von Soll-Werten verglichen und der Schmelze so viel
Wärme zugeführt bzw. entzogen wird, daß die Temperatur innerhalb des Berei
ches liegt.
Beim Stranggießen, insbesondere von Stahl, wird im Verteilergefäß, im folgenden
auch als Tundish bezeichnet, aus Qualitäts- und Betriebsgründen eine möglichst
gleichmäßige Temperatur der Schmelze, bzw. die Einhaltung eines engen Tempe
raturfensters, angestrebt. Aufgrund der Temperaturverluste der Schmelze in der
Pfanne, beim Überführen aus der Pfanne in den Verteiler und im Verteiler selbst,
ist die Gießdauer zeitlich beschränkt.
Durch den Einbau einer Vorrichtung zur Temperaturregelung der Schmelze im
Verteilergefäß, können unterschiedliche Schmelzentemperaturen in den Pfannen
im Verteiler ausgeglichen und die mögliche Gießzeit verlängert werden. Die Vor
teile einer solchen Vorrichtung liegen weiterhin in einer größeren Flexibilität bei
Gießstörungen und vor allem in der Vergleichsmäßigung des Temperaturniveaus
im Tundish. Hiervon werden Qualitätsvorteile beim Stranggießprodukt erwartet.
Auch ein Gießen näher am Liquidus wird möglich.
Bekannte Vorrichtungen zum Einstellen der Temperatur im Verteiler sind bspw.
Plasmaheizungen, die üblicherweise oberhalb des Verteilers positioniert werden.
Das Prinzip der Plasmaheizung besteht darin, in einer vertikal dem Tundish-
Füllstand folgenden Kammer mit Elektroden einen Lichtbogen auf eine freie Me
tallfläche zu übertragen. Der Lichtbogen wird mit Argon stabilisiert - daher der Be
griff Plasma. Im Bereich der Kammer entsteht ein heißer Fleck an dem der Stahl
entweder über Dämme und Wehre oder zusätzliche anzubringende Spülvorrich
tungen, z. B. poröse, für Gas durchlässige Bodenspülsteine, vorbeigeführt werden
muß.
Nachteilig bei dieser Verfahrensvariante ist die notwendige freie Oberfläche der
Schmelze innerhalb der Kammer, so daß mit physikalischen und chemischen
Wechselwirkungen zwischen Kammeratmosphäre und Schmelze zu rechnen ist.
Aufgrund der sehr hohen Temperaturen im Lichtbogen setzt innerhalb der Kam
mer Dampf- und Staubbildung ein.
Weiterhin sind induktive Tundish-Heizungen bekannt, bei welchen zwischen soge
nannten Tiegelinduktoren und Rinnen- bzw. Kanalinduktoren unterschieden wird,
die zumeist fest angeflanscht mit der Konstruktion des Verteilers verbunden sind.
Dabei sind die Rinneninduktoren gegenüber den Tiegelinduktoren vergleichsweise
aufwendig in Fertigung und Wartung.
Vorteile der induktiven Heizung ergeben sich durch fehlenden Kontakt mit der
Schmelze, sowie durch die mit dem induzierten elektromagnetischen Wechselfeld
einhergehende Krafterzeugung in der Schmelze, die zu einer Rührbewegung der
Schmelze und damit zu einer schnelleren Wärmeverteilung innerhalb des Vertei
lergefäßes sorgt. Nachteile der bisher ausgeführten induktiven Tundish-Heizungen
ergeben sich aus dem festen Anbringen an den Tundish, die sich negativ auf die
Flexibilität auswirkt. Auch der notwendige Wartungs- und Instandhaltungsaufwand
ist erheblich.
Die nicht vorveröffentlichte Patentanmeldung DE 197 52 548 A1 betrifft ein Verfah
ren zum Einstellen und Halten der Temperatur, insbesondere einer Stahlschmel
ze, in engen Temperaturgrenzen über die Gießzeit beim Stranggießen, wobei das
Absinken der Temperatur durch Erwärmen kompensiert wird. Verbessert wird das
Verfahren dadurch, daß die Temperatur der Schmelze am Auslauf des Verteiler
gefäßes gemessen, das Meßergebnis mit der vorgegebenen unteren Temperatur
grenze verglichen und die Schmelze bei Erreichen oder Unterschreiten des
Grenzwertes so lange erwärmt wird, bis die Temperatur wieder innerhalb des
Sollwert-Bereiches liegt. Dabei wird auch eine Erwärmung der Schmelze durch
eine induktiv arbeitende Heizvorrichtung erwähnt, ohne daß die hierfür erforderli
chen Mittel bzw. eine entsprechende Vorrichtung beschrieben sind.
Das Dokument EP 0 657 236 A1 beschreibt eine für einen Chargenbetrieb aus
gelegten, kippbaren Gießbehälter zum Gießen einer Metallschmelze mit einer in
duktiven Heizung. Diese umfaßt eine mit einem einstellbaren Abstand, parallel
zum Metallspiegel angeordnete, in vertikaler Richtung nachführbare, flache kreis
förmige Induktionsspule, durch welche die Schmelze durch direktes Ankoppeln
des induzierten elektromagnetischen Wechselfeldes berührungslos beheizt wird.
Da der Wirkungsgrad des induktiven Feldes mit zunehmendem Abstand der In
duktionsspule zur Schmelze stark abnimmt, ist der Abstand möglichst gering zu
halten. Dazu ist ein Betrieb ohne Abdeckschlacke notwendig, wodurch ein direkter
Kontakt zwischen Schmelze und Atmosphäre entsteht.
Die beschriebene Vorrichtung ist schon aufgrund der Auslegung als Chargenre
aktor für den kontinuierlichen Betrieb eines Verteilergefäßes beim Stranggießen
ungeeignet. Außerdem ist ein Betrieb unter Atmosphärenzutritt bei Stahl wegen
der sofort einsetzenden physikalischen und chemischen Reaktionen zwischen
Stahlschmelze und Atmosphäre nicht möglich.
Beide Vorveröffentlichungen beschreiben nur Vorrichtungen bzw. Verfahren zum
Aufheizen der Metallschmelze, wodurch einer Regelung der Schmelzentemperatur
enge Grenzen gesetzt sind.
Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art sowie
eine zu dessen Durchführung geeignete Vorrichtung anzugeben, welche unter
Vermeidung der beim Stand der Technik bestehenden Nachteile und Schwierig
keiten eine technisch unkomplizierte, flexible und damit wirtschaftlich vorteilhafte
Temperaturregelung einer Metallschmelze in einem Verteilergefäß ermöglicht.
Zur Lösung der Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß bei einem
Verfahren der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art der Schmelze so viel
Wärme zugeführt bzw. entzogen wird, daß die Temperatur derselben innerhalb
des Bereichs liegt. Zur Regelung der Schmelzentemperatur wird ein feuerfestes,
sich gegenüber dem Stahl inert verhaltendes, bodenseitig geschlossenes Formteil
mit innen liegender Induktionsspule in die Schmelze eingetaucht. Die Heizleistung
der Vorrichtung, im folgenden auch als Heizstab bezeichnet, wird durch die
Stromstärke des die Induktionsspule durchfließenden Stromes geregelt. Die In
duktionsspule wird durch eine Kühlfluid, bevorzugt Luft, von innen und/oder außen
gekühlt.
Dabei sieht das Verfahren vor, daß der Schmelze Wärme durch Wärmeleitung von
der Wandung des Formteils übertragen wird, das seinerseits an das induzierte
elektromagnetische Wechselfeld ankoppelt.
Alternativ kann der Schmelze Wärme durch Ankoppeln des elektromagnetischen
Wechselfeldes zugeführt werden. Auch kann der Schmelze mittels Wärmeleitung
durch die Wandung des Formteils Wärme entzogen werden.
Die Erfindung umfaßt weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
nach der Erfindung, wobei ein bodenseitig geschlossenes, induktiv ankoppelbares,
feuerfestes Formteil eine innen liegende Induktionsspule austauschbar aufnimmt
und am oberen Ende Auslässe zur Durchführung der fluidgekühlten Stromleiter
sowie Anschlüsse zum Zu- und Abführen von zusätzlichem Kühlfluid aufweist.
Ausgestaltungen der Vorrichtung mit weiteren Einzelheiten und Merkmalen der
Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung eines in den Zeich
nungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles.
Es zeigen:
Fig. 1 Einen Heizstab nach der Erfindung, im Längsschnitt
Fig. 2a den Heizstab in Seitenansicht im Zusammenwirken mit einem Mani
pulator
Fig. 2b den Heizstab in Seitenansicht mit einem anderen Manipulator
Fig. 3a einen Schnitt in Seitenansicht durch einen Verteiler mit in die
Schmelze eingetauchten Heizstäben sowie mit einem Temperatur
fühler im Zusammenwirken mit einer Einrichtung zur Regelung der
Temperatur der Schmelze
Fig. 3b einen Verteiler gemäß Fig. 3a in Draufsicht
Fig. 4a einen Schnitt in Seitenansicht durch einen anders ausgestalteten
Verteiler
Fig. 4b eine Anordnung gemäß Fig. 4a in Draufsicht
Fig. 5a eine Anordnung im Schnitt durch V-V in Fig. 5b bei alternativer
Verteilerform mit eingetauchten Heizstäben in Führung mittels eines
auf der Gießbühne installierten Ständers
Fig. 5b eine Anordnung gemäß Fig. 5a in Draufsicht.
Der in Fig. 1 gezeigte Heizstab 20 zur Durchführung des Verfahrens nach der Er
findung umfaßt eine Induktionsspule 1 eines innen mit Fluid 45, 45' gekühlten,
stromdurchflossenen Leiters 2 mit einer Anzahl Windungen 3 entlang einer verti
kalen Achse y-y mit im Vergleich zur Spulenlänge L relativ kleinem Windungs
durchmesser D in einem feuerfesten Formteil 24. Das Formteil 24 besitzt einen
geschlossenen Boden 15 und nimmt unter Ausbildung eines rohrförmigen Hohl
raums in Form einer Hülse 24 und Freilassung vertikaler Kühlkanäle 9 die Indukti
onsspule 1 austauschbar auf. Am oberen Ende sind Auslässe 17 zur Durchfüh
rung der innen gekühlten Stromleiter 2 sowie Anschlüsse 18 zum Zu- und Abfüh
ren von zusätzlichem Kühlfluid und Halteelemente 14 zur Anlenkung von Gestän
gearmen 23 eines Manipulators 16 vorgesehen.
Die Hülse bzw. Wandung 24 des Heizstabes 20 besteht aus einem an das elek
tromagnetische Wechselfeld der Induktionsspulen 1 ankoppelbaren Feuerfestma
terial (vgl. z. B. EP 0 526 718 B1). Der Wärmeübergang erfolgt über Wärmeleitung
von der Wandung 20 in die Schmelze 10. Zudem kann der Schmelze 10 über eine
Veränderung des induzierten Wechselfeldes durch direktes Ankoppeln Wärme
zugeführt werden. Aufgrund besonderer Eigenschaften des Hülsenmaterials 24
kann dieses ohne Fremdheizung und ohne Vorhandensein von umgebendem an
koppelbarem Material induktiv geheizt werden.
Fig. 1 zeigt weiter einen Ausschnitt aus einem Verteiler 11 mit darin enthaltener
flüssiger Stahlschmelze 10 und einer darauf schwimmenden Schlackenschicht 22.
Das Material der Hülse 24 verhält sich gegenüber der Stahlschmelze 10 weitge
hend inert, ist jedoch im Bereich der Schlackenschicht 22 mit einem zusätzlichen
Schlackenschutzmantel 25 gegen mechanischen und chemischen Verschleiß ver
stärkt. Der Boden des Verteilers 11 wird von einem Stahlmantel 19 mit einer Feu
erfestauskleidung 21 gebildet. Die regelbare Zuführung von Wechselstrom zur
Induktionsspule 1 ist symbolisch mit 33 gekennzeichnet.
In den weiteren Fig. 2a, 2b bis 5a, 5b sind jeweils gleiche Elemente mit glei
chen Bezugsziffern gekennzeichnet.
Fig. 2a zeigt den Heizstab 20 mit Schlackenschutzmantel 25 und Medienan
schlüssen 18 und 33 in Verbindung mit einem Manipulator 16.
Der Manipulator 16 umfaßt eine Führungssäule 34 auf einem Stahlgerüst 32 mit
einer dreh- und hebbaren Hülse 43 und ist über die Gestängearme 23 mit dem
Heizstab 20 gelenkig verbunden. Der Manipulator 16 besitzt zum einen eine Hub-
und Senkvorrichtung 26 in Form eines Hydraulikelements, und zum anderen eine
hydraulisch betreibbare Vorrichtung 27 zum Schwenken der Gestängearme 23.
Eine alternative Vorrichtung gemäß Fig. 2b weist eine feststehende Führung 35
auf einem Stahlgerüst 32 auf, die ein zwischen Führungsrollen in vertikaler Rich
tung bewegliches sowie ebenfalls schwenkbares Tragelement 36 aufnimmt. Die
Ziffern 26 und 27 kennzeichnen die erforderlichen Hub- bzw. Senk- und Schwenk
vorrichtungen.
Dem in die Schmelze 10 eintauchenden Heizstab 20 bzw. Heizstabgruppen ge
mäß den Fig. 3 bis 5 ist je ein Temperaturfühler 28 zugeordnet und mit einer
Signalleitung 29 einer Recheneinheit 30 aufschaltbar, die über Steuerleitungen 31
die Bewegungsabläufe des Manipulators 16 und die Stromstärke 33 zur Regelung
des elektromagnetischen Wechselfeldes nach Maßgabe der Temperaturmeßwerte
der Schmelze 10 steuert bzw. regelt. Dies ist in dem entsprechenden Regelsche
ma in Fig. 3a prinzipiell angedeutet. Die Recheneinheit 30 vergleicht die Meßwerte
mit den Soll-Wertvorgaben und bei entsprechenden Abweichungen wird die Heiz
leistung der Heizstäbe 20 gesteuert. Darüber hinaus kann durch die Rechenein
heit 30 mit Steuerleitungen 31 die Kühlfluidzufuhr für die Innenkühlung der Strom
leiter und die Fluidkühlung der Heizstäbe 20 durch die Kühlfluidzuleitung 39 und
den Kühlfluidanschluß 18 überwacht und angesteuert werden, wodurch den Heiz
stäben 20 und der Schmelze 10 bei Überhitzung Wärme entzogen werden kann.
Fig. 3a zeigt weiter eine langgestreckte Bauart des Verteilers 11 mit einem Zulauf
12 für flüssigen Stahl und einem regelbaren Ablauf 13. Zwischen Zulauf 12 und
Ablauf 13 ist wenigstens ein Temperaturfühler 28 angeordnet und über die Si
gnalleitung 29 mit der Recheneinheit verbunden. Zur bevorzugten Strömungslei
tung der Metallschmelze ist im Verteiler bzw. Tundish 11 eine Zwischenwand 37
mit durchströmbaren Öffnungen angeordnet, wodurch eine bessere Strömungs
verteilung um die Heizstäbe 20 zur gleichmäßigeren Wärmeab- bzw. -zufuhr ent
sprechend der Draufsicht in Fig. 3b erzielt wird.
In den Fig. 4a und 4b ist eine andere Ausgestaltung des Verteilers 11 mit mittel
seitigem Zulauf 12 für die Schmelze und zwei seitlich angeordneten regelbaren
Ausläufen 13 dargestellt. Durch die Mehrfachanordnung von einzelnen steuerba
ren Heizstäben 20 bzw. Heizstabgruppen und den zugeordneten Temperaturfüh
lern 28, ist eine noch exaktere Überwachung der Schmelzentemperatur im Vertei
ler 11 möglich.
In den Fig. 5a und 5b ist eine Ausgestaltung des Verteilers 11 in L-Form darge
stellt. Zwischen den Zuläufen 12 und den Abläufen 13 ist zwischen jeweils zwei
Temperaturfühlern 28 eine Anordnung von zwei Heizstäben 20 vorgesehen. Diese
sind über gelenkig anlenkbare Gestängearme 23 mit dem Manipulator 16 verbun
den und damit sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung hub- und
drehbeweglich angeordnet. Der Manipulator 16 ist durch ein Gestell 41 mit der
Gießbühne 40 der Stranggießanlage fest verbunden. Die Anordnung zeigt im übri
gen, ähnlich wie in den Fig. 2a und 2b, Hub- 26 und Schwenkvorrichtungen 27 zur
Positionierung der Heizstäbe 20 innerhalb der Schmelze 10 im Verteiler 11.
Das Verfahren nach der Erfindung und die zu dessen Durchführung ausgebildete
Vorrichtung entsprechend den Fig. 1 bis 5 paßt sich optimal den konstruktiven
Gegebenheiten entsprechender Verteilerformen und anderer Gießbühnenaufbau
ten an. Damit ist ein einfaches Nachrüsten bereits bestehender Anlagen mit der
Vorrichtung möglich.
Claims (7)
1. Verfahren zum Einstellen und/oder Halten der Temperatur eine Schmelze
(10), bevorzugt einer Stahlschmelze, wobei die Temperatur der Schmelze
(10) in einem Gefäß gemessen, das Meßergebnis mit einem vorgebbaren
Temperaturbereich in Form von Soll-Werten verglichen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schmelze (10) so viel Wärme zugeführt bzw. entzogen wird, daß
die Temperatur derselben innerhalb des Bereiches liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Regulierung der Schmelzentemperatur ein feuerfestes, rohrförmi
ges, bodenseitig geschlossenes Formteil (24) für die Aufnahme einer In
duktionsspule (1) in die Schmelze (10) eingetaucht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schmelze (10) Wärme direkt durch Ankoppeln des induzierten
elektromagnetischen Wechselfeldes zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schmelze (10) Wärme von der Wandung des rohrförmigen Form
teils (24) zugeführt wird, das seinerseits an das induzierte elektromagneti
sche Wechselfeld ankoppelt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schmelze (10) Wärme durch Wärmeleitung bzw. Wärmetransport
von der Wandung des rohrförmigen Formteils (24) entzogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Induktionsspule (1) durch ein Kühlfluid (45), bevorzugt Luft, von
innen und/oder von außen gekühlt wird.
7. Vorrichtung zur Regelung der Temperatur einer Schmelze (10), bevorzugt
einer Stahlschmelze, zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprü
chen 1 bis 6, umfassend eine fluidgekühlte, insbesondere luftgekühlte In
duktionsspule (1) mit einer Anzahl von Windungen (3) in einem feuerfesten
Formteil (24),
dadurch gekennzeichnet,
daß das Formteil (24) als induktiv ankoppelbares, feuerfestes, bodenseitig
geschlossenes Rohr (20) ausgebildet ist, das die Induktionsspule (1) aus
tauschbar aufnimmt und am oberen Ende Auslässe (17) zur Durchführung
der fluidgekühlten Stromleiter (2) sowie Anschlüsse (18) zum Zu- und Ab
führen von gegebenenfalls zusätzlichem Kühlfluid aufweist.
Priority Applications (14)
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