DE2724885C2 - Flüssigkeitsgekühlte Gleitkokille, insbesondere für Elektroschlacke-Umschmelzanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Gleitkokille, insbesondere für Elektroschlacke-Umschmelzanlagen, mit zumindest einem Kupfereinsatz samt Stahlmantel.

Moderne Elcktroschlacke-Umschmelzanlagen arbeiten meist mit kurzen Gleitkokillen mit z. B. 700 bis mm Höhe, mit denen die Erzeugung von Um-Schmelzblöcken möglich ist, deren Länge ein Vielfaches der Kokillenhöhe beträgt. Solche Kokillen bestehen aus einem den Gießhohlraum bildenden Kupfereinsatz und 7ur Kühlung desselben aus einem Stahlmantel, dessen Aufgabe die Führung der Kühlflüssigkeit ist.

Der Kupfereinsatz kann aus gegossenen oder verformten Erzeugnissen bestehen oder zusammengebaut sein, z. B. aus einem nahtlosen oder geschweißten Rohr oder aus zusammengeschraubten Platten, besonders bei Kokillen mit quadratischen, vier- oder mehreckigen Querschnittsformea

Die konstruktive Ausbildung des Stahlmantels der Kokille muß den Anforderungen an die Kühlung entsprechen, die vor allem von der Größe und Form des Kokillen- bzw. Blockquerschnittes und von der Dicke der Wand des Kupfereinsatzes abhängen, durch weiche die Wärme abgeführt werden muß.

ίο Als Flüssigkeit wird im allgemeinen das zur Verfügung stehende Wasser verwendet, das aber gegebenenfalls nur nach Reinigung und insbesondere nach Enthärtung zur Vermeidung von wärmedämmenden Ablagerungen für die Verwendung in den Anlagen brauchbar sein kann.

Die Kosten für solche Kokillen erhöhen sich in erheblichem Maße mi: der Kupfermenge, die für die Kokillenherstellung erforderlich ist. Je höher die Kokillenkosten sind und je niedriger die Lebensdauer der Kokillen ist, um so höher sind die Umschmelzkosten je Tonne Erzeugung.

Maßgebend für die Lebensdauer der Kokillen ist das Ausmaß der Verzugserscheinungen der Kupferteile, die als Folge der thermischen Beanspruchung derselben auftreten. Die Innenfläche der Kokillenwand ist der heißen Schlacke und dem heißen Metall ausgesetzt, die Außenfläche hingegen wird durch die vorbeiströmende Kühlf'üssigkeit gekühlt. Es besteht daher zwischen Innen- und Außenfläche der Kokillenwand ein Temperaturgradient, der mit der Wanddicke zunimmt. Bei sehr großen Wanddicken — z. B. bei solchen von 60 bis 70 mm — ist daher eine gute Kühlwirkung nicht mehr erzielbar. Solche dickwandigen Kokillen die bei großen Kokillendurchmessern — z.B. von 1000mm und darüber — bisher aus Gründen der Gestaltfestigkeit für notwendig gehalten wurden, müssen mit Kühlbohrungen versehen werden, um die Kühlflüssigkeit wieder näher an die Innenfläche der Kokillenwand heranzubringen

Die Herstellung solcher Kokillen ist somit nicht nur wegen der erforderlichen großen Kupfermenge, sondern auch wegen der nicht unerheblichen Bohrarbeiten für die Kühlbohrungen sehr kostspielig. Außerdem ist die Lebensdauer von dickwandigen Kokillen wegen des Auftretens von Verzugserscheinungen meist unbefriedigend. Da Temperatursteigerungen mit einer Zunahme des Volumens verbunden sind, ist der Innenbereich der Kokillenwand beim Erhitzen bestrebt, sich auszudehnen. Dieses Ausdehnen wird aber durch den relativ kalten, äußeren Wandbereich behindert. Dies führt dazu, daß der erhitzte Bereich, dessen Fließgrenze erheblich niedriger als jene des kaltgebliebenen Bereiches ist, plastisch verformt u. zw. gestaucht wird. Bei der anschließenden Abkühlung verursacht dann der von Haus aus kalt gebliebene Bereich, der nun das Zusammenziehen des gestauchten Bereiches behindert, Zugspannungen, die nur bis zur Fließgrenze, die mit abnehmender Temperatur ansteigt, durch plastische Verformungen abgebaut werden können.

bo Durch wiederholtes Erhitzen und Abkühlen werden die Verformungen erfahrungsgemäß immer stärker und können zu speziellen Verzugserscheinungen führen. Bei einteiligen Gleitkokillen, in denen die heiße Schlackenschicht immer im gleichen Bereich der Kokillenwand zur Wirkung kommt, erfolgt in dieser heißesten Zone ein Einziehen. Bei Plattenkokillen kommt es in dieser Zone an den Stoßstellen der Kokillenplatten zu Spaltbildungen.

Die Reparatur einteiliger dickwandiger Kokillen ist durch Aufweiten mit Dornen möglich, wodurch aber zusätzliche Spannungen in den Kokillenwerkstoff eingebracht werden, die erfahrungsgemäß die Lebensdauer der Kokille vermindern, oder durch spanabhebende Bearbeitung, vor allem bei Plattc-nkokillen, deren Möglichkeiten wegen der damit verbundenen Materialabtragung jedoch Grenzen gesetzt sind.

Um bei Plattenkokillen das Austreten von Meiallschmelzen oder flüssiger Schlacke wegen Spaltbildung zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, zwischen je zwei benachbarte Platten ein Zwischenstück mit einem etwa T-förmigen Querschnitt anzuordnen, dessen Steg sich zwischen den beiden Platten befindet und dessen Flansch die Randbereiche der Platteninnenflächen überdeckt. Diese Zwischenstücke sind durch Schrauben an der die Platten umgebenden Halterung befestigt. Durch Anordnung von Tellerfedern zwischen den Köpfen oder Muttern der Schrauben und der Außenfläche der Halterung wird ein elastisches Anpressen der Zwischenstückflansche an die Plattenrandbereiche erzielt und hierdurch die Ausbildung zusätzlicher Spannungen durch unterschiedliche Volumsänderungen beim Erwärmen und Abkühlen weitgehend vermieden.

Auch bei dieser kostspieligen Kokillenkonstruktion besteht wie bei allen bisher bekanntgewordenen Ausführungsfomen die Schwierigkeit, daß in axialer Richtung das Ausdehnen und Zusammenziehen der Kupferteile durch starre Verbindungen derselben mit den Stahlteilen behindert wird. Solche Verbindungen führen auch in den einzelnen Kokillensegmenten, die z. B. an die Stahlkonstruktion angeschraubt sind, zu Spannungen und in weiterer Folge zu Verzugserscheinungen.

Bei Rohrkokillen, auch bei solchen mit dünnwandigen Rohren, besteht in erhöhtem Maße die Verzugsgefahr, wenn die im Millimeterbereich liegenden Längenänderungen in axialer Richtung durch Verbindungen mit der Stahlkonstruktion behindert werden.

Gleitkokillen zur Herstellung von Umschmelzblökken mit in wesentlichen kreisförmigem Querschnitt gelangen mit einem bevorzugten Durchmesser bis zu etwa 1500 mm zum Einsatz.

Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, bei einer flüssigkeitsgekühlten Gleitkokille der eingangs erwähnten Art unter Meidung von Kühlbohrungen eine ausreichende Wärmeabfuhr durch die Kühlflüssigkeit zu ermöglichen und außerdem eine wesentliche Behinderung des Ausdehnens und Zusammenziehens in radialer Richtung beim Erwärmen und Abkühlen hintanzuhalten. Zudem soll sich die erfindungsgemäße Gleitkokille durch geringe Herstellungskosten und eine hohe Lebensdauer auszeichnen.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt ein Kuptereinsatz aus einem dünnwandigen Rohr mit parallel zur Rohrachse in etwa radialer Anordnung und im wesentlichen gleichbleibenden Abständen voneinander außen angeschweißten Versteifungsrippen sowie mit Flanschen an den Rohrenden, wobei der untere Flansch mit dem Stahlmantel zur Führung der Kühlflüssigkeit fest und flüssigkeitsdicht verbunden sowie der obere Flansch bei Längenänderungen des Kupfereinsatzes in etwa axialer Richtung an der Dichtfläche eines Stahlflansche.s glcitbar ist. Dazu hat sich ein Kupfereinsat/ aus einem nahtlosen oder geschweißten Rohr als besonders günstig erwiesen, dessen Wanddicke bis zu Kokillendurchmesscrn von etwa 1500 mm höchstens 25 mm beträgt.

Durch Verwendung solcher dünnwandiger Rohre wird die Gefahr des Auftretens von Verzugserscheinungen, vor allem die Gefahr des Einziehens im Bereich der heißesten Zone, erheblich vermindert Außerdem werden im Vergleich zu den bisher üblichen Wanddikken von 60 bis 70 mm bei Kokillen mit Durchmessern von etwa 1000 mm und darüber erhebliche Kupfermengen eingespart. Die erforderliche Gestaltfestigkeit erhalten die dünnwandigen Rohre durch parallel zur

to Rohrachse in gleichbleibenden Abständen voneinander außen angeschweißten Versieüungsrippen in radialer Anordnung, deren Anzahl mit zunehmender Kokillengröße erhöht werden kann.

Die Dicke dieser Rippen, deren Querschnitt vorzugsweise rechteckig ist, soll höchstens die Hälfte der Dicke des Kupferrohres betragen. Die Rippenbreite muß so bemessen sein, daß die Ausdehnung in radialer Richtung beim Erhitzen des Kupferrohres durch den die Rippen umgebenden Stahlmantel zur Führung der Kühlflüssigkeit nicht behindert wird. Die versteifende Wirkung der Rippen kann durch die Querschnittsform derselben in bekannter Weise beeinflußt und insbesondere verstärkt werden.

Wenn es bei dieser Konstruktion zu einem Einziehen im Bereich der heißesten Zone kommen sollte, wäre hierdurch die Verwendbarkeit der Kokille nicht beeinträchtigt. Durch dieses Einziehen würde lediglich — bei Betrachtung im Querschnitt — aus der den Rohrquerschnitt bildenden Kreisringfläche ein Vieleck entstehen, dessen Eckpunkte durch die Querschnittsbereiche der außen an das Rohr angeschweißten Versteifungsrippen markiert sind.

Die Versteifungsrippen bestehen aus Kupfer und werden hinsichtlich ihrer Länge durch die verschiede-

i> nen dicken Flansche an den Rohrenden begrenzt, die ebenfalls aus Kupfer sind und zweckmäßig durch Schweißen mit dem Rohr verbunden werden. Der dünne Flansch am unteren Rohrende ist mit dem zylinderischen, die Versteifungsrippen umgebenden Stahlmaniel

AO fest und flüssigkeitsdicht verbunden. Der dickere Flansch am oberen Rohrende kann hingegen beim Ausdehnen und Zusammenziehen des Rohres in axialer Richtung an der Innenfläche des Stahlmantels gleiten, so daß eine Gefahr zur Bildung von Verzugserscheinungen

·)> als Folge der Blockierung solcher Längenänderungen nicht besteht. In die gleitende Zylinderfläche des oberen Flansches sind Dichtungsrillen zur Aufnahme von Dichtungen eingearbeitet, die das Austreten von Kühlflüssigkeit zwischen Flansch und Stahlmantel

Ί" verhindern. Die Dicke dieses Flansches soll höchstens das4fache(100 mm), die Dicke des mit dem Stahlmantel fest verbundenen Flansches am unteren Rohrende höchstens das 2fache (50 mm) der Wanddicke des Kupferrohres betragen. Durch diese Empfehlungen, zu

"> denen auch der Vorschlag zur Begrenzung der Dicke der Versteifungsrippen mit höchstens der Hälfte der Rohrwanddicke gehört, soll eine Armierung der dünnwandigen Rohre mit zu großen Kupfermaßen vermieden werden, die wieder Verzugserscheinungen

w) zur Folge haben könnten.

Weitere Vorteile. Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibu^i? eines bevorzugten Ausführungsbcispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in schematischer

hi Darstellung in

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kokille mit Kupfercinsatz zum Herstellen von LJmschmelzblöcken;

Fig. 2 einen teilweisen Längsschnitt durch den Kupfereinsalz;

Fig.3 einen Teilschnitt durch den Kupfereinsatz in Querrichtung nach Linie 111 in F i g. 2.

Ein Kupfereinsatz für eine Kokille mit z. B. 1000 mm > Durchmesser besteht aus einem dünnwandigen Rohr 1, an das außen sechzehn Versteifungsrippen 2 in gleichbleibenden Abstanden voneinander und in radialer Anordnung parallel zur Rohrachse angeschweißt sind. Die Länge dieser Versteifungsrippen 2 wird durch u> einen Flansch 3 am unteren Rohrende und einem Flansch 4 am oberen Rohrende begrenzt.

Ein Stahlmantel zur Führung des Kühlwassers besteht aus einem die Versteifungsrippen 2 umgebenden Stahlzylinder 5 mit einem unteren Stahlflansch 6 und einem oberen Stahlflansch 7, unter dem sich ein Sammelkanal 8 für Kühlwasser befindet. Auf den oberen Stahlflansch 7 ist ein Ringkanal 9 für die Ableitung des Kühlwassers aus der Kokille aufgesetzt.

Die in F i g. 1 durch einen gemäß Pfeil χ angedeutete 2« Einbringrichtung des Kühlwassers in den durch die Versteifungsrippen 2 in Bereiche unterteilten Raum zwischen dem aus Kupfer bestehenden Rohr 1 und dem Stahlzylinder 5 erfolgt mit Hilfe einer Zuleitung 10. Aus dieser tritt das Kühlwasser durch Spalte im Stahlzylinder 5 in die von den Versteifungsrippen 2 begrenzten Bereiche ein und steigt in letzteren mit annähernd gleicher Geschwindigkeit auf. Dies wird durch die besondere Gestaltung der Zuleitung 10 ermöglicht, deren Höhe über den gesamten Umfang des Stahlzylinders 5 konstant ist, deren Breite jedoch mit der Entfernung von der Wasseranspeisung, z. B. spiralförmig, abnehmen kann. Ein teilweiser Austausch von Kühlwasser zwischen benachbarten Bereichen ist selbstverständlich möglich.

Das aufsteigende Kühlwasser tritt in den Sammelkanal 8 ein und geht gemäß Pfeil y in F i g. 1 von hier aus durch Durchlässe 12 im Stahlflansch 7 in den auf diesem aufgesetzten Ringkanal 9, von dem es aus der Kokille abgeleitet wird, wie durch Pfeil ζ in der F i g. 1 angedeutet.

Zum Herstellen einer festen Verbindung zwischen Kupferteil und Stahlteil der Kokille ist der Stahlflansch 6 mit Schrauben 13 an den unteren Flansch 3 aus Kupfer angeschraubt. Um diese Verbindung flüssigkeitsdicht zu gestalten, ist in den kupfernen Flansch 3 eine Rille zur Aufnahme einer Ringdichtung 14 eingearbeitet.

Ein Austritt von Kühlwasser zwischen der Innenfläche des Stahlflansches 6 und dem an dieser Fläche bei axialen Längenänderungen des Kupfereinsatzes gleitenden Flansch 4 wird durch ringförmig angeordnete Dichtungen 15 verhindert, welche die gleitende Zylinderfläche dieses Flansches 4 unterteilen.

Das Wesentliche der Erfindung ist, daß der Kupfereinsatz dieser Kokille aus einem dünnwandigen Rohr 1 mit parallel zur Rohrachse in radialer Anordnung und in gleichbleibenden Abständen voneiander außen angeschweißten Versteifungsrippen 2 sowie aus Flanschen 3, 4 an den Rohrenden besteht, wobei der untere Flansch 3 mit dem Stahlmantel zur Führung der Kühlflüssigkeit fest und flüssigkeitsdicht verbunden ist, der obere Flansch 4 jedoch bei I .ängenänderungen des Kupfereinsatzes in axialer Richtung an der Dichtfläche des Stahlflansches 7 zu gleiten vermag.

Ergänzend sei noch darauf hingewiesen, daß die sich durch den Sammelkanal 8 (Fig. 1) ergebende Schulter auf dem Stahlzylinder 5 zum Anbringen von Vorrichtungen für das Einhängen der Kokille in die Konstruktion der Anlage verwendet werden kann, wenn diese als Gleitkokille arbeiten soll.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Flüssigkeitsgekühlte Gleitkokille, insbesondere für Elektroschlacke-Umschmelzanlagen, mit zumindest einem Kupfereinsatz samt Stahlmantel, gekennzeichnet durch einen Kupfereinsatz aus einem dünnwandigen Rohr (1) mit parallel zur Rohrachse in etwa radialer Anordnung und im wesentlichen gleichbleibenden Abständen voneinander außen angeschweißten Versteifungsrippen (2) sowie mit Flanschen (3,4) an den Rohrenden, wobei der untere Flansch (3) mit dem Stahlmantel zur Führung der Kühlflüssigkeit fest und flüssigkeitsdicht verbunden sowie der obere Flansch (4) bei Längenänderungen des Kupfereinsatzes in etwa axialer Richtung an der Dichtfläche eines Stahlflansches (7) gleitbar ist.

2. Gleitkokille nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kupfereinsatz aus einem nahtlosen oder geschweißten Rohr (1), dessen Wanddicke bis zu Kokillendurchmessern von etwa 1500 mm höchstens 25 mm beträgt.

3. Gleitkokille nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch einen Kupfereinsatz mit Versteifungsrippen (2) mit rechteckigem Querschnitt, deren Dicke höchstens die Hälfte der Wanddicke des Rohres (1) beträgt und deren Länge durch die Flansche (3,4) an den Rohrenden begrenzt ist.

4. Gleitkokille nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Kupfereinsatz mit einem Flansch (3), dessen Dicke höchstens das 2fache, und durch einen Flansch (4), dessen Dicke höchstens das 4fache der Wanddicke des Rohres ^ 1) beträgt.

5. Gleitkokille nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Stahlmantel aus einem Stahlzylinder (5) mit einem Stahlflansch (7) am oberen und einem Stahlflansch (6) am unteren Zylinderende, der mit Schrauben (13) an den Flansch (3) des Rohres (1) außerhalb einer Ringdichtung (14) angeschraubt ist.

6. Gleitkokille nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Kupfereinsatz mit einem Flansch (4), dessen Zylinderfläche durch ringförmig angeordnete Dichtungen (15) unterteilt und an der Innenfläche des Stahlflansches (7) bei Längenänderungen des Kupfereinsatzes in etwa axialer Richtung gleitbar ist.