DE2909990C2

DE2909990C2 - Verfahren zum direkten Kühlen eines Metallstranges beim Stranggießen

Info

Publication number: DE2909990C2
Application number: DE2909990A
Authority: DE
Inventors: Ho Murrysville Pa. Yu
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1978-03-13
Filing date: 1979-03-12
Publication date: 1984-10-18
Also published as: CA1135476A; NO790676L; NO158568B; US4166495A; IT7948289A0; FR2419782A1; CH628260A5; AU523852B2; IT1114570B; NO158568C; FR2419782B1; JPS5542903B2; JPS54155125A; DE2909990A1; BE905196Q; GB2016330A; AU4457479A; GB2016330B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum direkten Kühlen eines beim Stranggießen aus der Kokille austretenden Metallstranges, insbesondere aus Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen, bei dem eine Kühlflüssigkeit ständig auf den Strang aufgebracht und die Kühlleistung über die Zusammensetzung der Kühlflüssigkeit bedi: fs weise verändert wird.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der DE-OS 24 08 285 bekannt. Bei diesem Verfahren wird zum Kühlen des aus der Kokille austretenden Strapses ein Wasser-Luft-Gemisch verwendet. Das Kühlwasser gelangt zunächst ohne Luftbeimengung zur Einwirkung auf die Strangoberfläche. Erst danacn wird die Luft durch zusätzliche öffnungen nach Art einer Wasserstrahlpumpe vom Kühlwasser eingesogen und letzterem zugemischt. Der Einfluß der beigemischten Luft auf die Kühlleistung muß dabei verhältnismäßig gering bleiben. Es ist oft erwünscht, die Kühlleistung während des Gießens vorübergehend herabzusetzen. Die naheliegend erscheinende vorübergehende Verringerung der Kühlleistung durch Drosseln der Kühlwasscrmengc ist beim Stranggießen problematisch, weil das sorgfältig eingestellte Muster der Kühlwasserstrahlcn oder eines Kühlwasserschleiers möglichst nicht geändert werden sollte und wegen der beengten Platzverhältnisse im Strangführungsgerüst meistens auch gar nicht geändert werden kann.

In der US·PS 34 41 079 ist ein Verfahren zum direkten Kühlen von Metallsträngen beschrieben, das besonders auf den Beginn des Stranggießvorgangs abgestellt ist. In dieser Gießphase neigt der Stranganfang da:r.u, sich vorzuwölben oder anzuschwellen, so daß beim nachfolgenden Walzen Fehler und sogar Ausschuß entstehen können. Als Ursache für diese Erscheinung wurde erkannt, daß die auf den stalionären Gießvorgang abgestellte Kühlleistung für die Anlaufphase zu hoch ist. Zum Zwecke einer gesteuerten Kühlung wird bei diesem bekannten Verfahren das Kühlwasser in der Anlaufphase des Stranges intermittierend auf den Strang i'ufgebracht. Der wesentliche Nachteil liegt hierbei darin, daß durch die intermittierenden Kühlwasscrstrnhler. sich unterschiedliche thermische Erstarrungsmuster im Strang selbst ergeben können.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besieht darin, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei dem sich trotz wirtschaftlicher und wirkungsvoller Verringerung der Kühlleistung ein gleichmäßiges thermisches Erstarrungsmuster einstellt
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zustrom der Kühlflüssigkeit unabhängig von der jeweiligen Kühlleistung im wesentlichen gleich bleibt und daß für die Dauer einer verringerten Kühlleistung in der Kühlflüssigkeit vor deren Aufbringen auf to den Strang ein Gas unter Druck gelöst wird, das auf der Strangoberfläche eine wärmeisolierende Gasschicht bildet.

Die auf der Strangoberfläche sich bildende Gasschicht setzt die Kühlleisiung sehr wirksam herab.
Der Druck, die Richtung und die Geschwindigkeit der Kühlflüssigkeit bleiben während des gesamten Gießvorgangs unverändert Die Kühlflüssigkeit wird unabhängig davon, ob sie gelöstes Gas enthält oder nicht, gleichmäßig auf die Außenflächen des Stranges gegeben, ohne die Gestalt des Sprühmusters oder Schleiers auf dem Strang zu ändern. Diese Gleichmäßigkeit ist nicht nur sehr wirtschaftlich, sondern fördert auch gleichmäßige thermische Erstarrungsmuster und verbessert so die Qualität des gegossenen Stranges.
Vorteilhaft wird der Strang bei verringerter Kühlleistung langsamer abgezogen.

Das erfindungsgt-näße Kühl verfahren ist besonders vorteilhaft in der Anlaufphase des Stranges. Dabei ist der aus der Kokille austretende Strang ununterbrochen jo mit dem Kühlwasser in Berührung, und zwar mit einer durch die Gaszumischung einstellbaren, anfänglich geringen Kühlleistung. Der Stranganfang wird somit bei verringerter Kühlleistung gleichmäßig gekühlt, so daß Wölbungen am Stranganfang vermieden werden. Die Kühlleistung und damit die Wärmeabfuhr aus dem Strang werden nach der Anlaufphase erhöht, indem die Gasmenge reduziert wird, die in dem Kühlwasser in Lösung gebracht wird. Da das Abkühlen nicht unterbrochen wird, wird auch ein Durchbrennen der bereits erstarrten Strangschalc durch übermäßige Temperatur vermieden.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 die Durchführung des Kühlverfahrens beim Stranggießen nach der vorliegenden Erfindung; und

Fi g. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Teils der F i g.!.

Nach Fig. 1 sind ein Gießrohr 10 für die Metallschmelze 12, eine Kokille 14 und eine vertikal bewegliche Bodenplatte 18 vorgesehen, die die Kokille am Anfang des Gießvorgangs unten abschließt und mit ihrer Abwärtsbewegung die Geschwindigkeit bestimmt, mit der der Strang 16 unten aus der Kokille 14 austritt. Die Höhe h ist der Abstand des Schmelze-Spiegels vom unteren Rand 20 der Kokille 14. Eine Übergangszone 22 trennt die noch flüssige Metallschmelze vom schon erstarrten Teil des Stranges.

Die Kokille 14 weist einen Kühlmittelmantel 26 auf bo und besteht aus einem Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit H wie Aluminium oder Kupfer. Durch Zufuhr einer Kühlflüssigkeit wie Wasser zum Kühlmittelmantel 26 wird die innere Kokillenwand 24 gekühlt und damit die F.rstarrung der Metallschmelze eingeleitet. Unterh5 halb der Kokille 14 wird der Strang 16 direkt gekühlt, indem eine Kühlflüssigkeit unmittelbar auf seine Oberfläche aufgebracht wird. Die Kühlflüssigkeit für die direkte Kühlung kann ebenfalls Wasser sein, das dcrscl-

Jen Quelle entnommen wird wie das Kuhlwasser für die kokille 14. Bessere Einstellmöglichkeiten ergeben sich, ivenn man die Wasserversorgung für die Kokille von derjenigen für die direkte Kühlung trennt. Kühlwasser 15 wird unier Druck dem Kühlmittelmantel 26 zugeführt und tritt durch eine Vicl/.nhl von öffnungen 28 aus. Jie durch die untere innere Kante der Kokille 14 hindurch verlaufen. Die öffnungen 28 sind so angeordnet und beabstandet, daß das durch sie hindurchströmende Kühlwasser auf die Außenflächen des Stranges 16 gerichtet wird und dabei einen gleichmäßigen Wasserschleier 30 ausbildet Die Berührung des Kühlwassers mit dem Strang muß bei der direkten Kühlung einwandfrei sein, damit eine gleichmäßige Kühlleistung gewährleistet ist Daher müssen die Richtung, die Geschwindigkeit und der Druck des Kühlwassers stets verhältnismäßig konstant bleiben. Bei ungleichmäßiger Berührung wird der Wärmedurchgang ungleichmäßig; dann kann die Strangqualität leiden.

Wenn die Kühlleistung gleichmäßig verringert werden soll, wird daher im Kühlwasser für die direkte Kühlung ein Gas unter Druck gelöst. DiS Lösen kann in einer Absorptions- bzw. Mischvorrichtung 3?. wie beispielsweise einer Pumpe oder einem statischen Mischer stattfinden. Das Gas wird im Kühlwasser gelöst, bevor man dieses auf die Strangaußenflächen gibt. In einem System mit einer gemeinsamen Wasserversorgung, wie dem in Fig. 1 gezeigten, ist es vorteilhaft, das Gas im Kühlwasser zu lösen, bevor dieses der Kokille zugeführt wird.

Für das Verfahren nach der Erfindung sind alle diejenigen Gase geeignet, die in der Kühlflüssigkeit löslich sind und außer Lösung gehen, wenn der Druck abfällt. Ist die Kühlflüssigkeit Wasser, so sind beispielsweise die Gase Kohlendioxid, Luft, Stickstoff und Ofengas geeignet. Weiterhin kann ein Temperaturanstieg im Kühlwasser den Effekt haben. Gas aus der Lösung zu entlassen. Besonders gut ist Kohlendioxid geeignet; es ist verhältnismäßig billig und in Wasser bei niedrigem Druck von etwa 1 bis 4 bar sehr leicht löslich.

Die Kohl.ndioxidaufnahme wird in Volumeneinheiten gemessen. Bei Atmosphärendruck und einer Temperatur von 16⁰C nimmt ein gegebenes Wasservolumen ein gleiches Volumen Kohlendioxid auf. Die Löslichkeit des Kohlendioxids in Wasser ist dem Druck direkt proportional, nimmt aber mit steigender Temperatur ab.

Die F i g. 2 zeigt, wie das im Kühlwasser gelöste Gas wiede^r aus der Lösung austritt, wenn das Kühlwasser durch die Öffnungen 28 ausströmt, der Druck also abfällt. Dabei haftet ein Teil des freigesetzten Gases an der Außenfläche des austretenden Strangs 16 und bildet dort eine gleichmäßige Gasschicht 34, die den Wärmeübergang herabsetzt, den das Kühlwasser sonst bewirkt. Es hat sich herausgestellt, daß auf diese Weise bei Verwendung einer ausreichenden Menge gelösten Kohlendioxids im Kühlwasser der Wärmeübergang auf etwa ein Zehntel verringert werden kann. Die wärmeisolierende Gasschicht 34 erneuert sich fortwährend von selbst. Die der Strangoberfläche zugeführte Wassermenge ist zwar zu groß, als daß die Gasschicht 34 von der Wasserströmung unbeeinflußt bleiben könnte. Es muß daher damit gerechnet werden, daß die Gasschicht 34 fortwährend abgebaut wird. Sie wird aber im wesentlichen sofort wieder durch das im zuströmenden Kühlwasser gelöste und freigesetzte Gas ersetzt. Die Gasteilchen folgen dabei dem Weg des geringsten Widerstandes, so daß ein größerer Teil von ihnen aus dem System ausgewaschen /ird. Gasteilchen neigen aber auch da/u, an einer Oberfläche zu haften; aus diesem Grund liegt immer eine gleichmäßige Gasschicht 34 auf der Strangoberfläche, so lange Gas im Kühlwasser gelöst ist.

^ri Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit besonderem Vorteil dann an/uwenden. wenn die auf /u starker Kühlung bei C'iicUbegiiiu beruhenden Verformungen, d.h. Schwellung und Wölbung, am Stranganfang vermieden werden sollen. Hierzu muß man die Kühlwirkung der

ίο direkt auf den Strang aufgebrachten Kühlflüssigkeit zu Beginn des Stranggießvorgangs verringern. Dies läßt sich erreichen, indem man beispielsweise 0,0046 bis 0,0142 mVs Kohlendioxid im Kühlwasser löst Gewöhnlich ist die wärmeisolierende Gasschicht 34 nicht mehr erforderlich, nachdem etwa 50 bis 100 mm Stranglänge aus der Kokille ausgetreten sind. Um die Gasschicht 34 wieder zu beseitigen, braucht man nur die Gaszufuhr zu sperren. Das erfolgt vorteilhafter Weise allmählich, damit der Wärmeübergang zum Kühlwasser allmählich wieder ansteigt und damit Unstetigkeiten der Kühlwirkung vermieden werden. Eine typische Gaszufuhrrate von 0,0104 m'/s Kohlendioxid in ctw-.· 0.016 mVs Kühlwasser wird z. B. über einen Zeitraum ι on etwa zwei Minuten auf Null zurückgenommen. Nach weniger als etwa 250 mm Austrittslänge des Strangs, d. h. im Anfangsstadium des Gießvorgangs, wird dann im wesentlichen ke.^::. Kohlendioxid mehr im Kühlwasser gelöst.

Um die Strangschwellung beim Gießbeginn weiter zu verringern, kann man zusätzlich zum erfindungsgemäßen Kühlverfahren eine isolierende Zwischenlage 36 in Form einer üblichen Keramikfaserdecke oder dergleichen als Abdeckung von mindestens 50 bis 60% der Stirnfläche 38 des Stranges anbringen. Damit werden die Wärmeverluste durch die Bodenplatte 18 verringert.

Eine derartige Zwischenlage kann nicht in Berührung mit der Stirnfläche 38 des Stranges bleiben und einwandfrei arbeiten, wenn die Wölbung der Stirnfläche zu stark ist. Das gelöste Gas zum Abschwächen der Kühlung und die isolierende Zwischenlage 36 ergänzen dahereinander.

Die Erfindung soll an Hand der folgenden Beispiele wei'er erläutert werden.

Beispiel

Ein Strang wurde in einer vertikale" rechteckigen wassergekühlten Aluminiumkokille mit einer Breite von 1498.6 mm und einer Dicke von 508,0 mm hergestellt. Kühlwasser mit einer Temperatur von etwa 7 bis 1O⁰C

w wurde der Kokille und dem abwärts laufenden Strang in einer Menge von etwa 0,0158 mVs während des gesamten Gießvorgangs zugeführt. Der Werkstoff war die Legierung 3003 (Aluminium Association). Die Schmeke wurde der Kokille mit einer Temperatur von etwa 704⁰C zugeführt, und während des Gießvorgangs wurde eine niedrige Höhe h von etwa 38 mm aufrechterhalten. Die Gießgeschwindigkeit betrug anfangs etwa 0.85 mm/s. Kohlendioxid wurde im Kühlwasser mit einer Menge von 0,0104 mVs gelöst. Nach dem Austreten des Strangendes ..us der Kokille in einer Länge von etwa 90 mm bzw. nach etwa zwei Minuten wurde die Kohlendioxidzufuhr über weitere zwei Minuten allmählich verringert. Nachdem der Strang etwr. 190 mm weit aus der Kokille vorstand, enthielt das Kühlwasser im

b^r> wesentlichen kein Kohlendioxid mehr. Die Gießgeschwindigkeit wurde allmählich auf etwa 2,12 mm/s erhöhl. Wenn die direkte Wasserkühlung des Strangs beim Gießbeginn nicht abgeschwächt wurde, ergab sich

bei diesem Strang eine Vorwölbung der Stirnfläche von bis zu 114.3 mm. Im vorliegenden Beispiel betrug die Vorwölbung jedoch als Folge der verringerten Kühlleistung nur 10,05 mm.

j Beispiel 2

Es wurde die gleiche Verfahrensweise wie im Beispiel 1 durchgeführt; die Kokille halte aber eine Breite von 1676,4 mm und eine Dicke von 508 mm. Stränge mit to einem derart hohen Breite/Dicke-Verhälinis ließen sich ohne eine Verringerung der direkten Kühlung wegen der extrem starken Vorwölbung nicht mehr gießen. Im vorliegenden Beispiel ergab die abgeschwächte Kühlung nach der Erfindung eine Vorwölbung von weniger als 51 mm.

Beispiel 3

Es wurde wieder das Verfahren des Beispiels 2 durchgeführt. Zusätzlich wurde eine isolierende Zwischenlage 36 aus Keramikfaserinaterial auf der Bodenplatte 18 angeordnet, um die Wärmeverluste über die Bodenplatte zu verringern. Diese Zwischenlage deckte etwa 60% der Stirnfläche des gegossenen Strangs ab. Die Schwellung des Strangendes wurde auf diese Weise auf 6,35 bis 12.7 mm verringert. Ohne die isolierende Zwischenlage wurde an einem 508.0 ■ 1676.4 mm großen Strang aus der Aluminium-Legierung 3003 eine Schwellung bis zu 38 mm gemessen jo

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum direkten Kühlen eines beim Stranggießen aus der Kokille austretenden Metallstranges, insbesondere aus Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen, bei dem eine Kühlflüssigkeit ständig auf den Strang aufgebracht und die Kühlleistung über die Zusammensetzung der Kühlflüssigkeit bedarfsweise verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustrom der Kühlflüssigkeit unabhängig von der jeweiligen Kühlleistung im wesentlichen gleich bleibt und daß für die Dauer einer verringerten Kühlleistung in der Kühlflüssigkeit vor deren Aufbringen auf den Strang ein Gas unter Druck gelöst wird, das auf der Strangoberfläche eine wärmeisolierende Gasschicht bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strang bei verringerter Kühlleistung langsamer abgezogen wird.