DE19900915A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einstellen und/oder Halten der Temperatur einer Schmelze, bevorzugt einer Stahlschmelze beim Stranggießen - Google Patents

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.