DE3716510A1 - Vorrichtung zum richten eines bogenfoermigen gegossenen stahlstranges - Google Patents
Vorrichtung zum richten eines bogenfoermigen gegossenen stahlstrangesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum
Richten eines bogenförmig, mittels einer Gießrad-Ein
richtung oder einer Bogenstrangguß-Einrichtung
kontinuierlich gegossenen Stahlstranges nach dem Ober
begriff des Anspruchs 1.
Die Verformung von Festkörpern, ihre Deformation und da
mit auch ihr Biegeverhalten sind mathematisch erfaß
bar exakt nur im Gültigkeitsbereich des Hookeschen Ge
setzes. Voraussetzung hierfür ist, daß ein praktisch
ideal elastisches Verhalten des Körpers vorliegt, wofür
wiederum Bedingung ist, daß die Hysteresekurve des elasti
schen Materials einen gegen Null gehenden oder in der Nähe
von Null liegenden Flächeninhalt aufweist. Damit gilt auch
für elastische Festkörper das Hookesche Gesetz nur im Be
reich kleiner Kräfte und entsprechend kleiner Auslenkungen.
Bei größer werdenden Auslenkungen im quasi elastischen Be
reich sind zur mathematischen Erfassung des Materialver
haltens schon erhebliche Substitutionen und auf den jeweili
gen Fall beschränkte Randbedingungen zu berücksichtigen,
will man hier noch die Gültigkeit des Hookeschen Gesetzes
begrenzt anwenden. Bei noch größeren Deformationen bzw.
Kraftbeaufschlagungen im Fließbereich gelten die Gesetze
der Festkörperphysik nicht mehr. Hier können, wenn auch nur
unzulänglich, und wieder bei Vorgabe spezieller Randbedin
gungen, nur noch Kenntnisse und mathematische Verknüpfung aus
der Physik der flüssigen Kontinua Anwendung finden. Der pla
stische Bereich, unmittelbar vor dem Bruch des Festkörpers,
ist für die üblicherweise auftretenden praktischen Probleme
der Technik nur noch empirisch zu erfassen.
Noch unübersichtlicher liegen die Verhältnisse im Strang
guß, speziell im Bogenstrangguß, da hier im allge
meinen Biegekräfte auf ein Strangmaterial auszuüben
sind, welches entlang seiner äußeren erstarten Haut
durchaus elastische Eigenschaften aufweisen kann,
während es zumindest in seinem inneren Bereich noch
den Gesetzen der Verformung von Flüssigkeiten unterliegt,
und in den Übergangsbereichen zwischen Festkörper- und
Flüssigkeitsverhalten plastische und/oder quasi plastische,
aber auch quasi elastische Verhaltensweisen zeigt.
Bei Stranggießanlagen mit Senkrechtbiegeanordnung, bei
der der aus der Kokille senkrecht austretende Strang
im vertikalen Lauf gekühlt wird, bis er vollständig er
starrt ist, kann die für die Berechnung der Bahn des
Stranges und damit die erforderliche Anordnung der Biege
rollen und Richtrollen anwendbare Gesetzmäßigkeit noch
weitgehend aus dem Hookeschen Gesetz vorgegeben werden,
weil hier mittels relativ geringer Kräfte bei den gege
benen großen Biegeradien nur geringe Deformationen vor
zunehmen sind, und zwar auf ein Strangmaterial, welches
bereits weitgehend elastische Eigenschaften aufweist.
Insbesondere bei Gießrädern, aber auch bei bestimmten
Bogenkokillen mit kleinem Bogenradius ist die Berech
nung einer idealen Bogenführung innerhalb der Biege
zone bis hin zum gerade gerichteten Strang jedoch schwieri
ger. Es wird bei hinlänglich elastischer Verhaltensweise
des Stranges für die Berechnung der Bogenführung auf Ge
setzmäßigkeiten zurückgegriffen, die aus der Belastung
eines einseitig eingespannten Balkens, aber auch der
gleichmäßigen Belastung des zweiseitig fixierten Balkens
bekannt sind. Entsprechend der letztgenannten beiden Grenz
fälle werden dann in der Praxis für die Anordnung von Richt
und Biegerollen sowie gegebenenfalls entsprechenden Gegen
rollen auch Verhältnisse geschaffen, die sich an diese
beiden mathematischen Modellversuche weitgehend an
lehnen.
Hierbei ist es für das Geraderichten von Strangguß
material beim Gießen von Stahl mittels eines Gieß
rades bisher nur bekannt, Biege- und Richtrollen in
Anlehnung an das Modell des einseitig eingespannten
Balkens hinsichtlich ihres auf den Strang auszuübenden
Biegemomentes zu berechnen.
Bei der Stragführung für eine Stranggieß-Anlage zum
kontinuierlichen Gießen von Stahl mit Rollen zum Stützen
und Führen sowie mit kraftübertragenden Rollenpaaren zum
Umlenken des nach unten aus der Kokille austretenden Stran
ges in die Horizontale ist es jedoch auch schon bekannt, min
destens zwei Biegemomente auf den Strang durch im Ab
stand zueinander angeordnete Rollenpaare zu übertragen
(DE-AS 23 41 563). Diese bekannte Ausführungsform kenn
zeichnet sich im Bereich der Biegezone durch eine Viel
zahl von den Strang zwischen sich zwangsführenden Rollen,
so daß die von den genannten Rollenpaaren in den Strang
eingeleiteten Drehmomente nicht zum freien Biegen zwischen
diesen führen können, sondern vielmehr die Zwangsführung
durch die Vielzahl der dazwischen liegenden Rollenpaare
eine unausweichlich vorgeschriebene Biegekurve definiert,
dergestalt, daß die von den Biege- bzw. Richtrollen im
Bereich der Übergangskurve hervorgerufene Dehnungs
änderung des Stranges im Maximum ihres bei Null beginnen
den und endenden sprungstellenfreien Verlaufes den Wert
von 0,0025%/mm beim Biegen und 0,0030%/mm beim Rich
ten nicht überschreitet.
Bei allen bekannten Strangführungen wird in der Biege
zone für den Fall, daß das Biegen und Richten an einem
Strang vorgenommen wird, der einen noch flüssigen Kern
aufweist, und demgegenüber eine nur verhältnismäßig
dünne Strangschale, progressiv gerichtet, wobei der
Krümmungsradius in mehreren Stufen jeweils allmählich
vergrößert wird. Da es beim Biegen und Richten auf
den Verlauf der Dehnungsänderung ankommt, die beim über
schreiten empirisch ermittelbarer Maximalwerte zu Rissen
führt, was insbesondere auch darauf zurückzuführen ist,
daß bei Stahl in der Übergangsphase von seinem flüs
sigen in den festen Aggregatzustand der Verformungs
widerstand abhängig ist von der Verformungsgeschwindig
keit, ist damit zumindest von der Problemstellung her
ein mathematischer Ansatz möglich.
Von der Möglichkeit der Vorausberechnung einer optimalen
Biegekurve innerhalb der Biegezone hergesehen, wird aller
dings eine Berechenbarkeit noch verworrener, wenn der ge
gossene Strang in hohen Temperaturbereichen etwa über
1000°C, also dort, wo auch die erstarrende Außenhaut des
Stranges noch nicht definiert von einem quasi plastischen
in einen quasi elastischen Zustand übergeht, bei kleinem
Radium zu richten ist. Richtstrecken in derart hohen
Temperaturbereichen und in einem so frühen Zustand des
Stranggusses sind beispielsweise gegeben, wenn eine Gieß
rad-Einrichtung oder eine Strangguß-Anlage mit bogen
förmiger Kokille im Direktverbund mit einem Walzwerk be
trieben werden soll, bei energetischer Minimierung des
Verfahrensablaufes. Hierfür ist es erforderlich, daß
die Temperatur des gegossenen Stranges so hoch wie mög
lich gehalten werden muß, andererseits sind bei zu hohen
Temperaturen definierte Verarbeitungsmöglichkeiten prak
tisch kaum einzuhalten. Das bezüglich seines Spannungs
verhaltens undefinierte Strangmaterial beginnt in diesen
Bereichen schon bei geringfügiger Spannungsbelastung
zu fließen und sich dabei eher wie eine inkompressible
Flüssigkeit zu verhalten als ein den Gesetzen der Me
chanik der starren Kontinua unterliegender Festkörper.
Wendet man auf einen bogenförmig gegossenen Stahl
strang in dem hier interessierenden Temperaturbereich
die bisher üblichen Richtverfahren unter Einsatz von
Biegerollen, Richtrollen und Gegenrollen an, dann ist
zu erkennen, daß das weiche Strangmaterial bereits deut
lich vor der Anordnung der Richtrolle in einem Maße zu
fließen beginnt, daß es in diesem Bereich sichtbarer durch
sackt und damit statt der allmählichen Vergrößerung des
Biegeradius sogar gegenüber der Anfangsbiegung stärker
werdende Biegeabschnitte zu verzeichnen sind. Die damit
bei den bisher üblichen geometrischen Auslegungen inner
halb einer Biegezone, bei welcher der Biegeradius tangen
tial in die Ausfördergerade übergeht, angenommenen Be
dingungen, bedürfen somit der Verbesserung. Wenn sich der ge
nannte Kreisbogenteilkreis vor der Richtrolle derart ab
flacht, daß unter der Biegerolle, dort wo in an sich be
kannter Weise Ausförderrollen vorgesehen werden können,
eine die Spannungsverhältnisse im Strang ungünstig beein
flussende Doppelbiegung oder auch Überbiegung des Stran
ges beobachtet werden, muß oder sollte von der bisher
bekannten Lehre zum technischen Handeln abgewichen werden.
Zusätzliche Überbiegungen führen zwangsläufig zu einer
erheblichen Erhöhung der Gefahr der Rißbildung und da
mit zu geminderter Qualität.
Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe
zugrunde liegt, für ein Verfahren der gattungsgemäßen Art
den bogenförmig gegossenen Strang so zu führen, daß Doppel
biegungen vermieden werden, wobei für den Hochtemperatur
strang auf eine Minimierung der Fließgeschwindigkeit und
der ausgeübten Spannungen zu achten ist.
Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale
erreicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen dieser
Aufgabenlösung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Da bei den hier interessierenden hohen Temperaturbereichen,
bei denen das Richten des bogenförmig gegossenen Stranges
erfolgt, die Fließgeschwindigkeit praktisch über die ge
samte Richtstrecke konstant ist, ist es besonders vorteil
haft, jeweils nur und ausschließlich am Anfang und am Ende
der Richtstrecke ein Biegemoment auf den Strang auszuüben,
und zwar unmittelbar hinter der Austrittsstelle des Stranges
aus der Gießeinrichtung zum einen, und dort wo der Strang
von einem noch endlichen Krümmungsradius in eine Gerade
übergeht. Hierbei können je nach Anwendungsfall im Bereich
der Richtstrecke zwischen diesen beiden, beispielsweise
durch Rollenpaare definierbaren Biegemomenten weitere aus
schließlich entlang der Außenseite des Stranges vorge
sehene Führungsrollen in Stellung gebracht sein, die ihrer
seits jedoch nicht in unmittelbaren kraftschlüssigen Ein
griff mit dem Strang selbst gelangen.
Anhand der beiliegenden Zeichnungen soll die vorliegende
Erfindung weiter erläutert werden und insbesondere auch
ein Ausführungsbeispiel für eine in gleichlange Abschnitte
unterteilte Richtstrecke gegeben werden.
Es zeigt
Fig. 1 die schematische Darstellung eines Gieß
rades mit Ist-/Soll-Biegeverlauf der Richt
strecke.
Fig. 2 eine Darstellung gemäß Fig. 1, zur Ver
deutlichung der zu vermeidenden Doppel
biegungen
Fig. 3 und Fig. 4 Darstellungen zur Berechnung von Biege
radien bei Vorgabe zweier Biegemomente
(Kräftepaare)
Fig. 5 eine weitere schematische Darstellung
für das in der Beschreibung angegebenen
Rechenbeispieles
Bei den schematischen Darstellungen von Fig. 1 und Fig. 2 handelt
es sich um eine Vorrichtung zum Richten eines mittels eines
Gießrades 1 durch den kontinuierlichen Zufluß von flüssigem
Stahl in Pfeilrichtung 2 hergestellten Stranges 5, 6. Der
das Gießrad 1 verlassende Strang entlang der durchgezeichneten
Linie 6, soll den Ist-Verlauf desselben zwischen dem Gieß
rad 1, welches hier die Funktion der sonst üblichen Gegen
rollen übernimmt, und der Richtrolle 3 einerseits, wie der
Biegerolle 4 andererseits andeuten. Demgegenüber zeigt die
strichpunktierte Linie 5 einen Strangverlauf, der sich infolge
des vorhandenen ferrostatischen Druckes durch das bei den hier
interessierenden Temperaturen vorgegebene plastische Ver
halten ergäbe, wenn keine Korrektur über die Richt-, Gegen
druck- und Biegerollen vorgenommen würde.
Der ferrostatische Druck, und damit das Fließen des Stranges
über die gesamte Richtstrecke führt, wie in Fig. 2 weiter
ausgeführt ist, zu dem in der Fachwelt bekannten Doppel
biegen des Stranges 6, was über einen weiteren Ausförderrollen
gang 7 ausgeglichen werden soll, ohne daß die durch das Über
biegen entstandenen zusätzlichen Risse im quasi festen Strang
mantel vermieden werden können.
Fig. 3 zeigt schematisch das hier erfindungsgemäß angewandte
Biegeverfahren, bei dem bei den hier vorliegenden sehr
hohen Temperaturen des das Gießrad verlassenden Stranges
die Fließgeschwindigkeit eine Funktion der Biegespannung
ist, bei praktisch konstanter Fließgeschwindigkeit als
Folge des konstanten Biegemomentes zwischen den Rollen
paaren, Gegenrolle 1′ (=Gießrad) und Richtrolle 3 einer
seits sowie dem Biegerollenpaar 4, 4′ andererseits repräsen
tiert, durch die Kräftepaare Q₁, Q₂ sowie Q₄ und Q₃. Die Länge
L zwischen den Kräftepaaren, die die Biegezone begrenzen, ist
hier als Länge der Richtstrecke a angegeben. Kennzeichnend
für die Länge a ist somit infolge des bzw. der durch die
Kräftepaare aufgebauten Biegemomentes (Biegemomente) neben
der konstanten Biegespannung, das vorhandene konstante Fließ
verhalten. Ein konstantes Fließverhalten über die Länge a
führt wie Fig. 4 schematisch zeigt, entlang der inneren
Seele des zu richtenden Stranges zu einer konstanten Dehnung,
und entlang der äußeren Seele zu konstanter Stauchung entlang
der Richtstrecke während die neutrale innere Seele oder Faser
in bekannter Weise weder eine Stauchung noch Dehnung durch
den Richtvorgang erfährt.
In Fig. 4 sind die Innenseele oder -faser mit s i , die Außen
seele bzw. -faser mit s a und die neutrale Faser mit a' bezeich
net, der Gießradius ist R m , die Dicke des Stranges zwischen
den Pfeilen d₁ und d₂ ist D in Krümmungsrichtung.
Aus der über die ganze Länge a konstanten Dehnung läßt sich
die diesem Richtverfahren entsprechende Biegelinie zumindest
näherungsweise bestimmen, indem die Krümmungsradien der Biege
linie Abschnittsweise aus der Dehnung berechnet werden. Die Ge
samtdehnung der Innen- bzw. Außenfasern beim Richten vom Gieß
radius R m (bezogen auf Strangmitte) in eine Gerade, ergibt sich
aus
nach dem Richten ist s i =a=s a =a′.
Die Gesamtdehnung der Innenfaser (umgekehrt gleich der
Stauchung der Außenfaser) ist:
Teilt man die Länge a der Biegezone in n Teilstücke, so wird
die Innen- bzw. Außenfaser des Stranges mit der Länge a um
den Betrag Δ s i/n gedehnt. Bezieht man diese Dehnung auf ein
Strangstück mit der Länge n des Teilstückes, so beträgt sie
aus dieser Dehnung des Stranges pro Teilstück ergibt sich,
unter Berücksichtigung des Radius des vorgehenden Teilstückes
R n-1 der Radius R n des Teilstückes nach folgendem Rechengang:
Die Länge der Innenfaser des Teilstückes n vor den dem Richten ist
Die Länge der Innenfaser des Teilstückes n vor den dem Richten ist
Die Länge der Innenfaser des Teilstückes n nach dem
Richten ist
Die Dehnung der Innenfaser im Teilstück n ist:
daraus folgt
mit
ergibt sich hieraus für R n
Mit dieser Beziehung läßt sich der Krümmungsradius für die
Biegelinie mit konstanter Dehnung Abschnittweise, beginnend
mit R n-1=Gießradius R m berechnen. Beachtenswert ist dabei,
daß diese Biegelinie nicht von der Strangdicke beeinflußt wird,
denn diese ist in der Gleichung für die Abschnittsradien nicht
enthalten.
Als Beispiel für die Berechnung der Krümmungsradien einer
Biegelinie wird ein Gießrad, wie in Fig. 5 dargestellt mit
einem Gießradius von R m =1500 mm und einer Länge der Biege
zone von a=1500 mm gewählt. Für die Berechnung der Krümmungs
radien wird die Länge der Biegezone in n=sechs Abschnitte
unterteilt; vergleiche auch Fig. 6.
Die Berechnung ergibt sich dann:
oder allgemein mit:
Wird also ein Gießrad mit den geometrischen Daten, gemäß
vorstehender Rechnung für diese Biegezone konstruiert,
so wird der Strang zwischen Rolle 2 und Rolle 3 ohne jegliche
Überbiegung mit konstanter Dehngeschwindigkeit gerichtet.
Hierbei werden lokale Spannungsspitzen, wie sie beim Rich
ten über eine oder mehrere Richtrollen stattfinden, ver
mieden, was die Gefahr von Rißbildungen auf ein Minimum redu
ziert.
Claims (1)
- Vorrichtung zum Richten eines bogenförmig, mittels einer Gießrad-Einrichtung oder einer Bogenstrangguß Einrichtung kontinuierlich gegossenen Stahl stranges, bei der der Strang zwischen einer kreis bogenförmigen, die Gieß-Einrichtung verlassenden Konfiguration und einer gradlinig gerichteten Ausbildung von mehreren Richtstellen mit Rollen, wie Richt-, Biege-, Führungs-, Gegenrollen und/ oder entsprechenden Rollenpaaren, geführt ist, wobei mindestens zwei auf den Strang Biegemomente auftragende Rollenpaare vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das erste ein Biegemoment übertragende Rollenpaar gleichzeitig das in Bewegungsrichtung des Stranges liegende erste Rollenpaar ist und unmittelbar hinter der Aus trittsstelle des Stranges aus der Gieß-Einrichtung liegt bzw. vom Gießrad (der Bogenkokille) selbst und einer zugehörigen Richtrolle gebildet ist, daß das zweite Rollenpaar den Übergang des Stranges von einem noch endlichen Krümmungsradius in eine Gerade (Krümmungsradius unendlich) vorgebend, am Ende der Biegezone angeordnet ist, daß zwischen diesen beiden Rollenpaaren lie gende weitere Rollen ausschließlich als entlang der Außenseite des Stranges lokalisierte Führungs rollen ausgebildet sind, die die Biegezone in n-Teilabschnitte unterteilend, für den Strang eine Biegekurve vorgeben, die für jeden Teilabschnitt n ausgehend vom Krümmungsradius R m mit zunehmenden Werten bis hin zum Krümmungsradius R∞, der Gleichung genügen, wobei R m der Gießradius des Stranges, mit dem dieser aus der Gießeinrichtung (Gießrad bzw. Bogenkokille) austritt und R∞ der Radius des gradlinig gerichteten Stranges ist, und wobei die Temperatur des Stranges für die Biegezone so ein gestellt ist, daß der Strang in dieser bei prak tisch konstanter Fließgeschwindigkeit ein annähernd rein plastisches Verhalten zeigt.
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