DE2320277C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung und Überwachung der Schalendicke und des Schalenwachstums eines Stranges - Google Patents

Description

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zur Anzeige der Strangschalendicke funktional verbunden werden, wobei 5 die Strangschalendicke, K den Quotienten der Wärmemengen aus dem oberen und unteren Kokillenbereich, Q die Gesamtwärmeabfuhr und A', B' und C Konstanten bedeuten.

2. Verfahren zur Ermittlung und Überwachung der Schalendicke und des Schalenwachstums eines Stranges innerhalb einer flüssigkeitsgekühlten Stranggießkokille, dessen flüssiger Sumpf ein Mehrfaches der Kokillenlänge beträgt und mit Anzeige der am Kokillenende auftretenden Schalendicke des Stranges, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Wärmeabfuhren verschiedener übereinanderliegender Abschnitte eines oder mehrerer Breitenbereiche der Kokille und die Oberflächentemperatur am Austritt de·; Stranges aus der Kokille im entsprechenden Breitenbereich ermittelt und daß die ermittelten Werte durch die Formel

InK- "ⁿ *

S = e

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zur Anzeige der Strangschalendicke funktional verbunden werden, wobei S die Strangschalendicke, K den Quotienten der Wärmemengen aus dem oberen und unteren Kokillenbereich, #_odie Oberflächentemperatur und A, A', B, B', C, c' Konstanten bedeuten.

3«. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer mit in Strangrichtung verlaufenden Kühlkanälen versehenen Kokille das Verhältnis der Wärmeabfuhren in der Kokille dadurch bestimmt wird, daß die Temperatur des auslaufenden und einlaufenden Kühlwassers sowie die Temperatur des Wassers in der des Kanals durch entsprechende Thermofühler gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Wärmeabfuhrverhältnisses in der Kokille das Kühlwasser zu zwei Höhenabschnitten der Kokille getrennt geführt wird und die Ein- und Auslauftemperaturen des Kühlwassers beider Kreisläufe gemessen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Kokillen mit getrennter Wasserführjng zu zwei Höhenabschnitten neben den Wassertemperaturen zusätzlich die Wassermengen gemessen werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die Höhe mindestens eines Kanals (8) für das Kühlmedium in der Kokille mindestens eine Kokillenseite mehrere Temperaturfühler (13) derart angeordnet sind, daß ihre Meßspitzen in den Kanal hineinragen und daß ein Durchflußmengenmesser (9) für das Kühlmedium vorgesehen ist

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Meßfühlern in den Kanälen Durchwirbler vorgeschaltet sind.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung und Überwachung der Schalendicke und des Schalenwachstums eines Stranges innerhalb einer flüssigkeitsgekühlten Stranggießkokille, dessen flüssiger Sumpf ein Mehrfaches der Kokillenlänge beträgt und mit Anzeige der am Kokillenende auftretenden Schalendicke des Stranges.

Beim Stranggießen ist es von großer Bedeutung, daß die in der Kokille gebildete Strangschale um den ganzen Strangumfang eine gleichmäßige Dicke erreicht, die beim Kokillenaustritt eine ausreichende Festigkeit aufweist, um Störungen möglichst auszuschließen.

Um dieses zu erreichen, geht man heute von Erfahrungswerten aus, d. h„ die Abstimmung von Gießgeschwindigkeit, Kühlung und evtl. Konizität der Kokille erfolgt nach Erfahrungswerten derart, daß man bei Kokillenaustritt mit ausreichender Sicherheit eine Schalendicke erhalten kann, die Störungen weitgehend unwahrscheinlich erscheinen läßt.

Die Strangabzugsgeschwindigkeit und somit die Leistungsfähigkeit einer Stranggießanlage ist also auf Grund mangelnder bzw. ungenauer Informationen den Prozeßablauf in der Kokille betreffend begrenzt

Es ist bekannt, die Schalendicke eines Stranges unter Verwendung von quer zum Werkstück gesendeten Wellen oder Strahlen zu ermitteln und die Schalendicke als Maß zur Steuerung der Stranggießanlage zu verwenden. Mit diesem Verfahren läßt sich die Schalendicke jedoch erst unterhalb der Kokille ermitteln.

Es ist auch versucht worden, mit Hilfe mathematischer Modelle die Vorgänge in der Kokille rechnerisch zu erfassen bzw. zu simulieren, um sich mit den so gewonnenen Aussagen an irgendwelche Verfahrensgrenzen heranzutasten.

Der große Unsicherheitsfaktor bei jeder Modellbetrachtung ist u. a. jedoch das Problem der Spaltbildung und somit die genaue Berechnung des über die Kokillenhöhe nicht konstanten Wärmeüberganges. Die sich plötzlich ändernden Wärmeübergangsbedingungen durch Abheben des Stranges von der Kokillenwand können theoretisch nicht mit ausreichender Genauigkeit und Sicherheit erfaßt werden, da einerseits weder Ort noch Mechanismus des Abhebevorganges genügend geklärt ist und andererseits die Wärmeübergangsverhältnisse im Spalt noch viel komplexere Formen annehmen als im oberen Teil der Kokille, bevor es zur Spaltbildung kommt. Außerdem ist es sehr unwahrscheiniich, daß die Spaltbildung am gesamten Umfang

der Kokille zur gleichen Zeit bzw. auf gleicher Höhe erfolgt

Einen anderen Weg, Informationen über die Vorgänge in der Kokille zu erhalten, bietet die Meßtechnik. So sind bei in Betrieb befindlichen Anlagen bereits Überwachungssysteme bekannt, die auf Grund der Messung der Wärmeleistung der Kokille Hinweise für Steuerung und Überwachung geben. Die Wärmeleistung wird dabei über die Menge und die En- und Auslauftemperatur des Kühlwassers bestimmt Gesteigert kann der Wert dieser Hinweise werden, wenn die Kühlleistung der Kokille nach Kokillenseiten getrennt gemessen und registriert wird.

Da bei diesen Systemen entweder die Gesamtkühlleistung der Kokille gemessen oder höchstens eine nach Kokillenseiten getrennte Kühlleistung bestimmt werden kann, ist es nicht möglich, für aus Erfahrung speziell gefährdete Kokillenlängsabschnitte ausreichend genaue Aussagen zu treffen, da die gemessene Gesamtkühlleistung der ganzen Kokille bzw. die einzelnen Kokillenplatten nicht bzw. nur ungenau auf die Kühlung bzw. Wärmeabfuhr an erfahrungsgemäß gefährdeten Kokillenabschnitten schließen läßt

Die Erfindung hat die Aufgabe, die geschilderten Nachteile zu vermeiden und in einfacher Weise eine Prozeßkenngröße zu erstellen, die bereits Aussagen über die Schalenausbildung und über die Schalendicke des Stranges am Kokillenaustritt, insbesondere an erfahrungsgemäß besonders gefährdeten Breiten-Abschnitten der Kokille, zuläßt, die ferner einen Vergleich der Schalenstärke über den Strangumfang gestattet und in an sich bekannter Weise zur Regelung des Stranggießverfahrens benutzt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß das Verhältnis der Wärmeabfuhren verschiedener übereinanderliegender Abschnitte eines oder mehrerer Breitenbereiche der Kokille und die Gesamtwärmeabfuhr der Kühlzonen in diesem Breitenbereich ermittelt und daß die ermittelten Werte durch die Formel

InK-

In Q + B'

S = e

zur Anzeige der Strangschalendicke funktional verbunden werden. Unter Gesamtwärmeabfuhr (Q) wird hier die Wärme verstanden, die über das durch den durch die Messung erfaßten Bereich der Kokille hindurchströmende Kühlmedium abgeführt wird. Fehlerrechnungen haben gezeigt daß allein diese Wärmeabfuhr von Bedeutung ist während beispielsweise der Wärmeübergang an die umgebende Luft wie auch an die Kokille tragende Bauteile vernachlässigt werden kann.

Bereits die gemäß der Erfindung erhaltene Kenngröße K bzw. Abweichungen von einem vorgegebenen Wert von K, kann in an sich bekannter Weise zur Regelung des Stranggießverfahrens benutzt werden.

An Stelle der Gesamtwärmeabfuhr kann aber auch die Oberflächentemperatur am Austritt des Stranges aus der Kokille ermittelt werden. Die ermittelten Werte werden hierbei durch die Formel

InK

(InK-zl < >₀

S = e

A'

zur Anzeige der Strangschalendicke funktionell verbunden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet daß in einer an sich bekannten mit in Gießrichtung verlaufenden durchgehenden Kanälen versehenen Kokille das Verhältnis der Wärmeabfuhren in der Koki^l!e dadurch bestimmt wird, daß die Temperatur des auslaufenden und des einlaufenden Kühlwassers sowie die Temperatur des Wassers in der Mitte eines Führungskanals durch entsprechende Thermofühler gemessen wird. Es liegt

ίο mit im Rahmen der Erfindung, daß zur Messung des Wärmeabfuhrverhältnisses in der Kokille das Kühlwasser in zwei Höhenabschnitten der Kokille getrennt durchgeführt wird und die Ein- und Auslauftemperaturen des Kühlwassers beider Kreisläufe gemessen wird.

In diesem Falle müssen zusätzlich die pro Zeiteinheit durchgesetzten Wassermengen ermittelt werden.

Bei der Ermittlung der Kenngröße K geht die Erfindung von der bereits bekannten Tatsache aus, daß bei der Abkühlung des Stranges in der Kokille u. a. auf Grund des Schalenwachstums und der Spaltbildung nicht über die gesamte Kokillenhöhe gleich viel Wärme abgezogen wird, die Verteilung der Wärmestromdichte

(q) über die Kokillenhöhe also nicht konstant ist

Es kommt vielmehr zu einer Wärmestromdichtenverteilung mit einem ausgeprägten Maximum im oberen Kokillenabschnitt. Diese Tatsache macht sich die Erfindung zunutze. Mit Hilfe von Modelluntersuchungen konnte gezeigt werden, daß die Schalenstärke bei Kokillenaustritt von der gesamten, im betrachteten Breitenabschnitt der Kokille abgeführten Wärme und von der Verteilung der Wärmestromdichte über die Kokillenhöhe abhängt. Aus der im betrachteten Breitenabschnitt abgeführten Gesamtwärmemenge und ihrer Verteilung über die Kokillenhöhe resultiert, wie ebenfalls mittels Modelluntersuchungen gezeigt werden konnte, eine ganz bestimmte Oberflächentemperatur (ß<) des Stranges bei Kokillenaustritt Der Zusammenhang zwischen #₀ und der Schalenstärke (S) bei Kokillenaustritt, der Verteilung der Wärmestromdichte über die Kokillenhöhe und der Gesamtwärmeabfuhr im betrachteten Breitenabschnitt kann als Kurvenschar dargestellt und auch in arithmetischer Form beschrieben werden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß über die Höhe mindestens eines Kanals für das Kühlmedium in der Kokille mindestens eine Kokillenseite mehrere Temperaturfühler derart angeordnet sind, daß ihre Meßspitzen in den Kanal hineinragen und daß ein Durchflußmengenmesser fü^r das Kühlmedium vorgesehen ist.

Die Temperaturfühler ermitteln die Temperatur des Kühlmediums an den angegebenen Stellen. Daraus lassen sich die Wärmemengen Q_n und <?„im oberen und unteren Kokillenteil berechnen. Als Maßzahl für die Wärmestromdichtenverteilung erhält man einen Faktor K, der der Quotient aus dem im Ober- und Unterteil des Kokillenabschnittes abgeführten Wärmemengen Q₀ und <?„ist.

Es ist jedoch auch möglich, eine Kokille quer zur Gießrichtung in zwei verschiedene Höhenbereiche zu unterteilen, wobei beide Teile mit getrennten Wasserzu- und -abfuhranschlüssen versehen sind. Während bei der letztgenannten Kokillenausführungsform zur Bestimmung des Faktors K eine Wassermengenmessung unbedingt erforderlich ist, haben Kokillen mit durchgehenden Längskanälen den Vorteil, daß man auf die Wassermengenmessung verzichten kann. Wird nun

zusätzlich neben dieser Verteilungskennzahl K der Wärmestromdichte entweder die abgeführte Gesamtwärmemenge oder die Oberflächentemperatur des Stranges bei Kokillenaustritt gemessen, so läßt sich mit Hilfe von aus Simulationsuntersuchungen ermittelten o. a. mathematischen Funktionen die Schalenstärke am Kokillenaustritt bestimmen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sei an Hand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Stranggießkokille in prinzipieller Darstellung;

F i g. 2 zeigt die Abhängigkeit von K von ^bzw. 5;

Fig.3 einen Längsschnitt durch eine Kokille einer Strangseite.

Fig. 1 zeigt eine vierteilige Plattenkokille mit den einzelnen Wandplatten 1, 2, 3 und 4. Bei der dargestellten Kokille handelt es sich um eine Brammenkokille mit den Breitseiten 1,3 und den Schmalseiten 2, 4. Das angegebene schraffierte Feld 5 zeigt den für einen Durchbruch erfahrungsgemäß gefährdetsten Breitenabschnitt der Brammenschmalseite, während die schraffierten Bereiche 6 diese gefährdeten Bereiche bzw. Breitenabschnitte der Brammenbreitseite darstellen. In diesen Breitenabschnitten der Kokille kommt bevorzugt die in F i g. 3 dargestellte Meßanordnung zur Anwendung, in F i g. 3 ist eine der Kokillenwandplatten mit 7 bezeichnet Durch die Kokille erstreckt sich in Gießrichtung verlaufend ein Kühlwasserkanal 8. Mit 9 ist eine Meßblende zur Erfassung der durch diesen Kanal fließenden Wassermenge bezeichnet. Am Eintrittsende des Kühlwasserkanals 8 in der Mitte des Kühlwasserkanals und am Austrittsende sind Thermoelemente 10, 11 und 12 angeordnet, die mit ihren Meßspitzen 13 in den Kühlkanal 8 hineinragen. Die Thermoelemente liefern die Kühlwassertemperaturen &E des Kühlwassereinlaufs &m in der Mitte des Kühlkanals und Φ α für den Wasseraustritt. Unterhalb der Kokille ist ein Pyrometer 14 angeordnet, das die Strangaustrittstemperatur am Ende der Kokille &„ in dem entsprechenden Breitenabschnitt der Kokille liefert Die Gießgeschwindigkeit v_c wird von der Rolle 15 abgenommen. Mit 16 ist die Strangschale bezeichnet, die den flüssigen Kern 17 des Stranges umgibt

Der Zusammenhang zwischen 'ÖOund der Schalenstärke 5 bei Kokillenaustritt, der Verteilung der Wärmestromdichte über die Kokillenhöhe und der Gesamtwärmeabfuhr im betrachteten Breitenabschnitt kann — wie eingangs bezeichnet — als Kurvenschar dargestellt werden. Diese Kurvenscharen zeigt Fig.2, wobei Parameter dieser Kurvenscharen bei jeweils konstanter Gießgeschwindigkeit die mittlere Wärmeabfuhr im betrachteten Breitenabschnitt ist

Die F i g. 2 zeigt für eine konstante Gießgeschwindigkeit ve im linken Teil die Zusammenhänge der meßbaren Größen K, •öbund der Gesamtwärmeabfuhr Q. Die Meßwerte K₂ und #2 fixieren in der Kurvenschar auf der linken Hälfte der Fig.2 eindeutig die Kurve mit dem Parameter Q₂, welcher wiederum in der rechten Hälfte der F i g. 2 die Kurve mit demselben Parameter Qi entspricht. Über diese Parameter Q₂ kann nun, da die Kurvenschar in der rechten Hälfte der F i g. 2 den Zusammenhang zwischen K, S und Q beschreibt, die Schalenstärke 5bestimmt werden.

An Hand von zwei Beispielen soll das beschriebene Verfahren näher erläutert werden:

1. Schalenbestimmung mit Hilfe der Größen
k und #_obei einer konstanten Gießgeschwindigkeit

Aus den Temperaturmeßwerten an der Eintrittsseite, der Austrittsseite und in der Mitte eines Kühlkanals ermittelt ein Prozeßrechner laufend den Faktor k nach

dMITTE— & EINLAUF

# AUSLAUF — 0ΜΙΤΤΕ "

Weiter besorgt der Rechner die zeitliche Zuordnung dieser, eventuell ermittelten Ar-Werte mit den Meßwerten aus der Oberflächentemperaturmessung am Kokillenaustritt Mit Hilfe der Beziehung (2), in die die so erhaltenen Werte für k und O₆ eingehen, berechnet der Rechner nun den aktuellen Parameter Q, der die augenblickliche, gültige Kurve in der jt-#₀-Kurvenschar fixiert (F i g. 2).

Aus den so errechneten Parameter Q und der Beziehung (1) errechnet der Rechner schließlich die Schalenstärke und bringt sie zur Anzeige.

2. Schalenbestimmung mit Hilfe der Größen
k und Qbei einer konstanten Gießgeschwindigkeit

Neben den Temperaturmessungen im Kühlkanal, wie sie im Beispiel 1 beschrieben sind, wird die durch die entsprechenden Kühlkanäle durchgesetzte Wassermenge gemessen und dafür auf die Oberflächentemperaturmessung verzichtet Aus den drei Temperaturwerten Φ& &M, &A und der Wassermenge bestimmt der Rechner zunächst die im oberen Kokillenteil abgeführte Wärmemenge (Q₀) und die im unteren Kokillenteil abgeführte Wärmemenge (QuX Dann bildet er den Quotienten aus Q₀ und <?„und erhält den Faktor k.

Durch die Summenbildung von Q₀ und Q_u wird der Parameter Q erhalten. Mit Hilfe von k, des Parameters Qund der Beziehung (1) wird letztlich die Schalenstärke errechnet

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ermittlung und Überwachung der Schalendicke und des Schalenwachstums sines Stranges innerhalb einer flüssigkeitsgekühlten Stranggießkokille, dessen flüssiger Sumpf ein Mehrfaches der Kokillenlänge beträgt und mit Anzeige der am Kokillenende auftretenden Schalendicke des Stranges, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Wärmeabfuhren verschiedener übereinandediegender Abschnitte eines oder mehrerer Breitenbereiche der Kokille und die Gesamtwärmeabfuhr der Kühlzonen in diesem Breitenbereich ermittelt und daß die ermittelten Werte durch die Formel