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Verfahren und Vorrichtung zum Strangguß von Rohren oder Hohlknüppeln
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aus Metall sowie zur Energierückgewinnung Beschreibung 1. Einleitung
Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, die es gestatten, Rohre
oder Hohiknüppel in einem kontinuierlichen Strang zu gießen. Weiterhin wird beschrieben,
wie generell beim Strangguß von Hohl- und Vollsträngen im Bereich der Primär- und
Sekundärkühlung Energie auf hohem Temperaturniveau rückgewonnen werden kann.
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Darüberhinaus wird kurz auf die Bedeutung des Verfahrens im Hinblick
auf Qualität und Kosten eingegangen.
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Die Beschreibung enthält die folgenden Problembereiche: - Stranggießen
von Rohren oder Hohlknüppeln mit Kokille und Innendorn (Kap. 3.1.) - Rückgewinnung
von Energie im Bereich der Primärkühlung beim Strangguß von Hohl- und Vollsträngen
(Kap. 3.2.) - Qualitätsverbesserung durch direktes Gießen von Hohlkörpern (Kap.
3.3.) - Rückgewinnung von Energie im Bereich der Sekundärkühlung beim Strangguß
von Hohl- und Vollsträngen (Kap. 3.4.) - Qualitätsverbesserung durch geregeltes
Abkühlen im Bereich der Sekundärkühlung (Kap. 3.5.) - Senkung der Produktionskosten
beim Hohlstrangguß (Kap. 3.6.) - Erhöhung des Ausbringens beim Hohlstrangguß (Kap.
3.7.)
2. Strangguß von Metallen In diesem Kapitel soll kurz auf
den Stand der Technik beim Strangguß mit Kokille und Innendorn eingegangen sowie
das Problem der Energierückgewinnung behandelt werden.
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Unter Strangguß bzw. Stranggießen versteht man das kontinuierliche
Vergießen von NE-Metallen sowie Eisen und Stahl aus einer Pfanne direkt zu Knüppeln
oder Vorbrammen. Die Formgebung geschieht durch eine gekühlte Kokille und beim Hohlstrangguß
zusätzlich durch einen ebenfalls gekühlten Innendorn.
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Die ersten Versuche, Stahl und Buntmetalle kontinuierlich zu vergießen
wurden schon 1857 von Henry Bessemer unter der Bezeichnung "Gießwalzen" durchgeführt.
Später wurden von Junghans im Jahr 1927 die grundlegenden Versuche zunächst mit
Buntmetall ausgeführt, da hier die niedrigeren Schmelztemperaturen und höheren Wärmeleitfähigkeiten
als bei Stahl einfachere Versuchsbedingungen schafften. 1949 gelang es dann, den
ersten einwandfreien Stahlstrang herzustellen; den entscheidenden Durchbruch brachte
die oszillierende Kokille. Ein weiterer wichtiger Schritt in dieser Technologie
stellt das Horizontalgußverfahren dar. Ober Ab-Abmessungen und Leistungen derzeit
betriebener Stranggußanlagen gibt die einschlägige Literatur ausgiebig Information.
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Seit Beginn der ersten Oberlegungen zum Stranggießen bestand natürlich
immer der Wunsch, nicht nur Vormaterial wie Vorbramme oder Knüppelhalbzeug zu gießen,
sondern schon dem Strang eine dem späteren Fertigprodukt ähnliche Form zu geben.
Hinzuweisen ist dabei auf das US Patent 87.862 von John McCloskey 1, der sich damit
schon 1869 ein Verfahren zum Stranggießen von Rohrluppen patentieren ließ.
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In neuerer Zeit wurden weitere Versuche zum Gießen von Hohl körpern
auch aus Stahl unternommen; hierbei sind neben dem Schleuderguß auch Vorschläge
zum Strangguß von Hohl körpern ohne und mit Dorn gemacht worden 2,3. Insbesondere
ist hier auf das dornlose Verfahren von Tarmann und Poppmeier 2 hinzuweisen, welches
die entstehende Strangschale als kommunizierendes Gefäß verwendet.
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Darüberhinaus sollen drei Patentanmeldungen auf dem Gebiet des Stranggießens
eines Hohl körpers erwähnt werden. Es wird zum einen vorgeschlagen, einen rotierenden
Innendorn zu verwenden [41, zum zweiten die Schmelze durch einen Ringspalt abzuziehen
5, und schließlich ein Steigrohrsystem einzusetzen, aus dem nach oben der Hohlkörper
abgezogen wird 6.
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Es existiert jedoch bis jetzt keine industrielle Anlage, in der Stahl
in eine Kokille mit Innendorn zu einem Hohlstrang gegossen wird.
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Bei der Abkühlung des Stranges im Bereich der Primär- und Sekundärkühlung
wird hauptsächlich Wasser eingesetzt. Die Primärkühlung erfolgt derart, daß die
Kokille von Wasser durchströmt und somit auf der gewünschten Temperatur gehalten
wird. Die weitere Abkühlung im Bereich der Sekundärkühlung erfolgt mit Spritzwasser.
Bei dieser Technologie ist kaum eine Energierückgewinnung möglich.
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3. Beschreibung des Verfahrens und der Vorrichtung Es soll in diesem
Kapitel kurz auf die wesentlichen Punkte des vorgeschlagenen Verfahrens und der
Vorrichtung eingegangen werden.
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3.1. Stranggießen von Rohren oder Hohlknüppeln mit Kokille und Innendorn,
Figur 1 Das größte Problem beim Gießen von Hohlsträngen mittels Kokille und Innendorn
ist der Transport einer hohen Energiestromdichte im Innendorn.
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Hier kann das Prinzip des Wärmerohres (Heat Pipe) in idealer Weise
eingesetzt werden. Das Wärmerohr transportiert durch einen kontinuierlichen Verdampfungs-Kondensationsprozeß
eines geeigneten Wärmeträgers in einem abgeschlossenen System große Energiemengen
bei kleinem Temperaturabfall und geringen Abmessungen [7]. Der Transportmechanismus
im Wärmerohr nutzt einen Phasenwechsel (flüssig-gasförmig) aus, und kann damit Energieströme
von der Größenordnung transportieren, wie sie beim Erstarren von Metall auftreten,
wobei die Abmessungen gering bleiben.
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Beim Einsatz eines Wärmeträgers, der keinen Phasenwechsel erleidet,
wie dies bei der konventionellen Wasserkühlung der Fall ist, müssen sehr viel größere
Abmessungen der Wärmetransporteinrichtung in Kauf genommen werden.
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Das geschmolzene Metall fließt aus einem Verteiler (1) in die Kokille
(2), in der konzentrisch der Innendorn (3) angeordnet ist. Der Innendorn wird nun
ganz oder teilweise durch Wärmerohre gekühlt oder ist als solches ausgebildet und
führt die Energie aus dem Innendorn heraus. Hierdurch bildet sich unterhalb des
Gießspiegels (4) am Innendorn die innere Strangschale (5). Die äußere Strangschale
(6) erstarrt an der Kokillen wand. Beide Strangschalen umschließen den noch flüssigen
Kern (7) und ermöglichen so den kontinuierlichen Weitertransport des gesamten Stranges.
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Die Form des Innendornes und der Kokille berücksichtigt zum einen
die Schrumpfung des Stranges durch die Erstarrung und zum anderen die unter Umständen
sich anschließende Biegung des Stranges nach Verlassen der Kokille im Bereich der
Sekundärkühlung zu Weiterverarbeitung. Diese einerseits konische andererseits gebogene
Form der Kokille und des Innendorns ist in Figur 1 nicht gezeichnet, bei der Kokille
entspricht sie aber konventionellen Stranggußanlagen beim Senkrechtguß. Oblicherweise
führt die Kokille eine oszillierende Auf- und Abbewegung durch,
um
Anbackungen zu vermeiden. Diese wird auch auf den Innendorn zu übertragen sein,
wobei Gleich- und Gegentakt zwischen Kokille und Innendorn denkbar sind.
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Beim Horizontalguß liegen sinngemäß Kokille und Innendorn horizontal;
hier entfällt die anschließende Biegung des Stranges zur Weiterverarbeitung, so
daß die Form der Kokille und des Innendorns nur die Schrumpfung des Stranges berücksichtigen
muß.
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3.2. Rückgewinnung von Energie im Bereich der Primärkühlung beim Strangguß
von Hohl- und Vollsträngen Man kann nun auch die Kokille durch Wärmerohre ganz oder
teilweise kühlen oder sie als Wärmerohr ausführen. Damit eröffnet sich die Möglichkeit,
beim Hohlstrangguß Energie auf hohem Temperaturniveau aus dem Innendorn und der
Kokille, beim Vollstrangguß nur aus der Kokille rückzugewinnen. Das Wärmerohr übernimmt
den Transport der Energie zu einem Abhitzesystem, in dem z.B. hochgespannter Wasserdampf
erzeugt wird.
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Entsprechendes gilt für den Horizontal guß.
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3.3. Qualitätsverbesserung durch direktes Gießen von Hohl körpern
Das Vergießen von Metallen durch eine Kokille mit Innendorn führt zur Ausbildung
der äußeren und inneren Strangschale. Damit ist auch eine deutliche Qualitätsverbesserung
des Fertigproduktes verbunden, da nun auch die Innenseite des Hohl stranges gekühlt
wird und eine gezielte Kristallisation beim Erstarren einsetzt. Im Gegensatz zu
anderen Rohrherstellungsverfahren, die von einem vollen Querschnitt ausgehen, und
bei denen der innere Bereich die schlechteste Qualität auf Grund geringer Abkühlungsgeschwindigkeit
und Einschlüssen aufweist (Lochpreßverfahren, Lochwalzverfahren), hat also auch
die Innenseite das gewünschte Kristall gefüge.
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3.4. Rückgewinnung von Energie im Bereich der Sekundärkühlung beim
Strangguß von Hohl- und Vollsträngen Nach dem Stand der Technik erfolgt die weitere
Abkühlung des die Kokille verlassenden Stranges durch Spritzwasser. Umgibt man nun
den Strang
stattdessen mit Kühl flächen, die ganz oder teilweise
durch Wärmerohre gekühlt werden, so kann auch im Bereich der Sekundärkühlung Energie
rückgewonnen werden. Die Kühl flächen können dabei den Strang berühren und/oder
auch in geringer Entfernung angebracht sein.
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3.5. Qualitätsverbesserung durch geregeltes Abkühlen im Bereich der
Sekundärkühlung Wenn man mit den in Kapitel 3.4. erwähnten Kühl flächen die Abkühlung
des Stranges geregelt durchführt wobei auch unter Umständen stellenweise eine Energiezufuhr
notwendig ist, läßt sich die Skundärkühlung bis auf die Weiterverarbeitungstemperatur
individuell und optimal auf den Werkstoff abstimmen. Hierdurch wird eine abermalige
Qualitätsverbesserung errej'L.
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3.6. Senkung der Produktionskosten bei der Rohr- oder Hohiknüppelherstellung
Da durch das Vergießen direkt zu einem Hohl körper der Verfahrensschritt Lochpressen
oder Lochwalzen entfällt, werden die Produktionskosten erheblich gesenkt.
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3.7. Erhöhung des Ausbringens bei der Rohr- oder Hohlknüppelherstellung
Da wie im Kapitel 3.6. beschrieben der Verfahrensschritt Lochpressen oder Lochwalzen
eingespart wir, fallen auch keine Material verl uste hierbei an. Damit erhöht sich
das Ausbringen merklich,.