DE68901655T2 - DEVICE FOR COOLING A METAL DURING THE MOLDING. - Google Patents
DEVICE FOR COOLING A METAL DURING THE MOLDING.Info
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines Metalls während des Gießens, um dieses Metall mit einer Überhitzung von nahezu 0ºC oder in pastöser Phase in eine Stranggußkokille zu gießen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a device for cooling a metal during casting in order to pour this metal into a continuous casting mold with a superheat of almost 0°C or in a pasty phase, according to the preamble of patent claim 1.
Die Bedeutung des Gießverfahrens mit einer Überhitzung von nahezu 0ºC oder in pastöser Form für das Stranggießen von Metallen, speziell von Stahl, ist bekannt. Bei einem solchen Verfahren wird der Stahl zwischen dem Gießgefäß und der Stranggußkokille auf eine Temperatur nahe Liquidustemperatur oder im Erstarrungsbereich dieses Stahls gekühlt. Man gewährleistet so zumindest die Beseitigung der Überhitzung des Stahls und ruft gegebenenfalls das Auftreten einer erstarrten Fraktion im Stahl hervor, deren Größe von der angewendeten Kühlung abhängt. Der Stahl weist so, zumindest wo er in die Kokille eintritt, einen Zustand auf, der es ermöglicht, feine und homogene Strukturen zu erhalten und die Seigerungen in den gegossenen Produkten zu reduzieren.The importance of the casting process with superheating close to 0ºC or in pasty form for the continuous casting of metals, especially steel, is well known. In such a process, the steel is cooled between the casting vessel and the continuous casting mold to a temperature close to the liquidus temperature or in the solidification range of this steel. This ensures at least the elimination of the overheating of the steel and, if necessary, the appearance of a solidified fraction in the steel, the size of which depends on the cooling used. The steel thus has, at least where it enters the mold, a state which makes it possible to obtain fine and homogeneous structures and to reduce segregation in the cast products.
Eine Vorrichtung zum Gießen eines Metalls mit einer Überhitzung von nahezu 0ºC oder in pastöser Phase ist insbesonders in der LU-A-86 688 (EP-A- 269180, auf der der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beruht) geoffenbart. Diese Vorrichtung umfaßt im wesentlichen eine vertikale Rinne, die außen mit Kühlmitteln versehen ist, und ein Verteilerorgan, das die Verteilung des gegossenen Metalls an der Innenwand dieser vertikalen Rinne gewährleistet.A device for casting a metal with a superheat of almost 0ºC or in a pasty phase is disclosed in particular in LU-A-86 688 (EP-A-269180, on which the preamble of claim 1 is based). This device essentially comprises a vertical trough provided with cooling means on the outside and a distributor element which ensures the distribution of the cast metal on the inner wall of this vertical trough.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine spezielle Vorrichtung vorzuschlagen, die es ermöglicht, die Kühlung des Metalls während des Gießens unter den besten Bedingungen auszuführen.The object of the present invention is to propose a special device that allows the cooling of the metal during casting to be carried out under the best conditions.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zum Kühlen eines Metalls beim Gießen in einer vertikalen Rinne mit einem auf der Innenwand der vertikalen Rinne im wesentlichen an deren Einlaß angeordneten Metallverteilerglied dadurch gekennzeichnet, daß sie eine um die vertikale Rinne herum angeordnete Einlaßkammer mit einer der Form der vertikalen Rinne im Abstand folgenden Vorderwand und eine um diese Einlaßkammer herum angeordnete und von dieser durch eine Zwischenwand getrennte Auslaßkammer umfaßt, wobei diese Auslaßkammer an der Rückseite von einer Außenwand begrenzt ist, und daß die Vorderwand mit mehreren auf die vertikale Rinne gerichteten Kanälen durchbrochen ist, daß ein Teil dieser Kanäle in die Einlaßkammer mündet, daß der andere Teil dieser Kanäle mit Röhren verbunden ist, die durch die Einlaßkammer und die Zwischenwand hindurchgehen und in die Auslaßkammer münden, daß die Einlaßkammer Mittel zur Zufuhr von Kühlflüssigkeit enthält und daß die Auslaßkammer Mittel zum Abzug von Kühlflüssigkeit enthält.According to the invention, a device for cooling a metal during casting in a vertical trough with a metal distributor member arranged on the inner wall of the vertical trough substantially at its inlet is characterized in that it comprises an inlet chamber arranged around the vertical trough with a shape following the shape of the vertical trough at a distance Front wall and an outlet chamber arranged around this inlet chamber and separated from it by an intermediate wall, this outlet chamber being delimited at the rear by an outer wall, and that the front wall is perforated with a plurality of channels directed towards the vertical channel, that some of these channels open into the inlet chamber, that the other part of these channels is connected to tubes which pass through the inlet chamber and the intermediate wall and open into the outlet chamber, that the inlet chamber contains means for supplying cooling liquid and that the outlet chamber contains means for removing cooling liquid.
Gemäß einer speziellen Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen die Mittel zur Zufuhr von Kühlflüssigkeit aus einer um die vertikale Rinne herum angeordneten und mit der Einlaßkammer über um die vertikale Rinne herum verteilte Kanäle in Verbindung stehenden Verteilerkammer.According to a specific variant of the device according to the invention, the means for supplying cooling liquid consist of a distribution chamber arranged around the vertical channel and communicating with the inlet chamber via channels distributed around the vertical channel.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Einlaßkammer und die Verteilerkammer zumindest teilweise eine gemeinsame Wand auf, welche die Verbindungskanäle durchsetzen.In a preferred embodiment, the inlet chamber and the distribution chamber have at least partially a common wall through which the connecting channels pass.
Gemäß einem interessanten Merkmal münden die in die Vorderwand der Einlaßkammer eingearbeiteten Kanäle in den zwischen der Vorderwand und der vertikalen Rinne eingeschlossenen Raum in einer zur Oberfläche der vertikalen Rinne normalen Richtung.According to an interesting feature, the channels machined into the front wall of the inlet chamber open into the space enclosed between the front wall and the vertical trough in a direction normal to the surface of the vertical trough.
Andere Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich bei der Lektüre der folgenden beispielsweisen Beschreibung. Diese Beschreibung bezieht sich auf eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, in welchen dieOther features and other advantages of the present invention will become apparent from reading the following description given by way of example. This description relates to a preferred embodiment of the device according to the invention, as shown in the accompanying drawings, in which the
Fig. 1 die Anordnung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in einer Anlage zum Gießen von Stahl in pastöser Phase zeigt undFig. 1 shows the arrangement of a cooling device according to the invention in a plant for casting steel in a pasty phase and
Fig. 2 in vergrößertern Axialschnitt die Kühlvorrichtung der Fig. 1 zeigt.Fig. 2 shows the cooling device of Fig. 1 in an enlarged axial section.
Diese beiden Figuren sind schematische Darstellungen, in welchen absichtlich nur die für das Verständnis der Erfindung notwendigen Elemente wiedergegeben sind. Analoge oder gleiche Elemente sind mit denselben Bezugsziffern versehen, und die Fließrichtungen der Kühlflüssigkeit sind durch Pfeile dargestellt.These two figures are schematic representations in which only the elements necessary for understanding the invention are intentionally shown. Analogous or identical elements are provided with the same reference numerals and the Flow directions of the coolant are shown by arrows.
In Fig. 1 ist schematisch eine Anlage zum Gießen von Stahl in pastöser Phase dargestellt, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kühlen des Stahls versehen ist. Eine solche Anlage ist derzeit Stand der Technik und wird hier nicht näher beschrieben. Es sei einfach erwähnt, daß sie eine Stranggußkokille 1, ein Gießrohr 2, mit dem z.B. eine Gießpfanne ausgestattet ist, eine in Strömungsrichtung vor der Kokille 1 angeordnete und durch ein rohrförmiges Element 7 verlängerte vertikale Rinne 3 aufweist; der vertikalen Rinne 3 geht ein feuerfester Körper 8 voraus, in welchem unter anderem eine von drei Armen gehaltene Platte 6 angeordnet ist, die die Verteilung des Metalls gewährleistet. Die vertikale Rinne 3 ist außen mit Kühlmitteln versehen, die einen Einlaß 4 und einen Auslaß 5 für die Kühlflüssigkeit aufweisen.Fig. 1 shows a schematic representation of a plant for casting steel in a pasty phase, which is provided with a device according to the invention for cooling the steel. Such a plant is currently state of the art and will not be described in detail here. It should simply be mentioned that it comprises a continuous casting mold 1, a pouring tube 2, with which a ladle is equipped, for example, a vertical channel 3 arranged in front of the mold 1 in the direction of flow and extended by a tubular element 7; the vertical channel 3 is preceded by a refractory body 8 in which, among other things, a plate 6 held by three arms is arranged, which ensures the distribution of the metal. The vertical channel 3 is provided on the outside with cooling means which have an inlet 4 and an outlet 5 for the cooling liquid.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ist in größerem Maßstab in Fig. 2 erläutert. Sie umfaßt eine Einlaßkammer 9, die die vertikale Rinne 3 umgibt und eine Vorderwand 10 hat, die in einem Abstand "e" der Form der vertikalen Rinne 3 folgt. Die Einlaßkammer 9 ist ihrerseits von einer Auslaßkammer 11 umgeben, die einerseits von einer Zwischenwand 12, die sie von der Einlaßkammer 9 trennt, und anderseits von einer Außenwand 13 begrenzt ist. Der Abstand "e" bildet die radiale Breite eines Ringraums 14, der zwischen der vertikalen Rinne 3 und der Vorderwand 10 besteht.The cooling device according to the invention is explained on a larger scale in Fig. 2. It comprises an inlet chamber 9 which surrounds the vertical channel 3 and has a front wall 10 which follows the shape of the vertical channel 3 at a distance "e". The inlet chamber 9 is in turn surrounded by an outlet chamber 11 which is delimited on the one hand by an intermediate wall 12 which separates it from the inlet chamber 9 and on the other hand by an outer wall 13. The distance "e" forms the radial width of an annular space 14 which exists between the vertical channel 3 and the front wall 10.
Eine mit einem Einlaß 4 für die Kühlflüssigkeit versehene Verteilerkammer 15 ist ebenfalls rund um die vertikale Rinne 3 angeordnet. Diese Verteilerkammer 15 kommuniziert mit der Einlaßkammer 9 über Kanäle 16, die in einem Teil der Wand eingearbeitet sind, die diesen beiden Kammern 9 und 15 gemeinsam ist. Die Auslaßkammer 11 ist mit einem Auslaß 5 für die Kühlflüssigkeit versehen.A distribution chamber 15 provided with an inlet 4 for the cooling liquid is also arranged around the vertical channel 3. This distribution chamber 15 communicates with the inlet chamber 9 via channels 16 which are machined in a part of the wall common to these two chambers 9 and 15. The outlet chamber 11 is provided with an outlet 5 for the cooling liquid.
Die Ein- und Auslaßkammer 9 und 11 sind an ihrem Unterteil durch separate Böden 17, 18 verschlossen, die verhindern, daß diese beiden Kammern in Kommunikation gelangen.The inlet and outlet chambers 9 and 11 are closed at their lower part by separate floors 17, 18, which prevent these two chambers from communicating.
Die Vorderwand 10 ist von mehreren Kanälen durchsetzt, die in den Ringraum 14 normal zur Oberfläche der vertikalen Rinne 3 münden. Ein Teil dieser Kanäle, Bezugszeichen 19, mündet mit dem anderen Ende im Inneren der Einlaßkammer 9, die so in Verbindung mit dem Ringraum 14 gesetzt wird. Die anderen Kanäle sind mit Röhren 20 verbunden, die die Einlaßkammer 9 und die Zwischenwand 12 dicht durchsetzen und in der Auslaßkammer 11 münden. Die Auslaßkammer 11 ist so direkt in Verbindung mit dem Ringraum 14.The front wall 10 is penetrated by several channels which lead into the annular space 14 normal to the surface of the vertical channel 3 One part of these channels, reference numeral 19, opens with the other end into the interior of the inlet chamber 9, which is thus connected to the annular space 14. The other channels are connected to tubes 20 which pass tightly through the inlet chamber 9 and the intermediate wall 12 and open into the outlet chamber 11. The outlet chamber 11 is thus directly connected to the annular space 14.
Die vertikale Rinne ist im allgemeinen kreiszylindrisch; daher sind die Kammern 9, 11 und 15 aus Symmetriegründen torisch. Außerdem sind die Kanäle vorzugsweise gleichmäßig in der Vorderwand 10 verteilt.The vertical groove is generally circular-cylindrical; therefore, the chambers 9, 11 and 15 are toric for reasons of symmetry. In addition, the channels are preferably evenly distributed in the front wall 10.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung funktioniert auf folgende Weise.The cooling device according to the invention functions in the following manner.
Der aus einem Gießrohr 2 (in Fig. 2 nicht dargestellt) kommende Stahlschmelzenstrom 21 fällt auf die Verteilerplatte 6, von wo er auf den feuerfesten Körper 8 und dann in einer dünnen Schicht 22 entlang der Innenseite der vertikalen Kupferrinne 3 fließt.The molten steel stream 21 coming from a pouring tube 2 (not shown in Fig. 2) falls onto the distributor plate 6, from where it flows onto the refractory body 8 and then in a thin layer 22 along the inside of the vertical copper trough 3.
Während er die vertikale Rinne 3 durchläuft, muß der Stahl 22 gekühlt werden, bis er den pastösen Zustand durch Bildung einer erstarrten Fraktion erreicht.While passing through the vertical trough 3, the steel 22 must be cooled until it reaches the pasty state by forming a solidified fraction.
Dazu wird eine Kühlflüssigkeit, die im allgemeinen Wasser ist, unter Druck durch den Einlaß 4 in die Verteilerkammer 14 eingeführt, von wo sie in die Einlaßkammer gelangt und die Kanäle 16 durchströmt. Durch die Kanäle 19 dringt die Kühlflüssigkeit in den Ringraum 14 ein, wo sie entlang der vertikalen Rinne 3 strömt, bevor sie durch die Röhren 20 ausgelassen wird. Die Kühlflüssigkeit gelangt dann in die Auslaßkammer 11, wo sie durch den Auslaß 5 entweicht.For this purpose, a cooling liquid, which is generally water, is introduced under pressure through the inlet 4 into the distribution chamber 14, from where it enters the inlet chamber and flows through the channels 16. The cooling liquid penetrates through the channels 19 into the annular space 14, where it flows along the vertical groove 3 before being discharged through the tubes 20. The cooling liquid then enters the outlet chamber 11, where it escapes through the outlet 5.
Die normal aus den Kanälen 19 austretenden Kühlflüssigkeitsströme und die geringe Länge des Wegs dieser Flüssigkeit zwischen einem Einlaßkanal 19 und den benachbarten Rückleitungsrohren 20 gewährleisten eine turbulende Strömung der Kühlflüssigkeit im Ringraum 14. Daraus resultiert ein hoher Wirkungsgrad der Kühlung der vertikalen Rinne 3 und des Stahls 22 bei einem geringen Durchsatz der Kühlflüssigkeit.The coolant flows normally emerging from the channels 19 and the short length of the path of this liquid between an inlet channel 19 and the adjacent return pipes 20 ensure a turbulent flow of the coolant in the annular space 14. This results in a high efficiency of cooling the vertical channel 3 and the steel 22 with a low throughput of the coolant.
Es ergibt sich daraus, daß die Zirkulation der Kühlflüssigkeit teilweise oder vollständig durch eine an den Auslaß angeschlossene Saugpumpe gewährleistet werden kann.It follows that the circulation of the coolant can be ensured partially or completely by a suction pump connected to the outlet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann Mittel zur Veränderung der geometrischen Charakteristika, z.B. der Breite "e" des Ringraums 14 oder des Durchmessers der Kanäle 19 bzw. der Röhren 20 in Abhängigkeit von gewünschten Fließgeschwindigkeiten für jeden speziellen Einsatz aufweisen.The device according to the invention can have means for changing the geometric characteristics, e.g. the width "e" of the annular space 14 or the diameter of the channels 19 or the tubes 20 depending on desired flow rates for each specific application.
Regelungsmittel können ebenfalls vorgesehen sein, um den Durchsatz der Kühlflüssigkeit in Abhängigkeit von der in jedem speziellen Fall anzuwendenden Kühlung zu verändern.Control means may also be provided to vary the flow rate of the cooling liquid depending on the cooling to be applied in each specific case.
Beispielsweise hat man einen Stahl mit 0,8 % C mit einem Durchsatz von 4,8 kg/s mittels einer in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung gegossen. Die Stahltemperatur im Gießrohr war 1510ºC. Der Stahl wurde auf eine Verteilerplatte aus feuerfestem Material und dann entlang der Innenwand einer vertikalen zylindrischen Kupferrinne 3 mit einer Länge von 350 mm und einem Durchmesser von 220 mm gegossen. Die Rinne 3 wurde mit Wasser gekühlt, das mit Umgebungstemperatur eingeleitet wurde und mit einem Durchsatz von 27 m³/h zirkulierte. Der Druckverlust in der Kühlvorrichtung war 3,5 kg/cm². Man erzielte eine Kühlungsflußdichte von 4,2 MW/m² bei einem Temperaturanstieg des Wassers von 7ºC.For example, a steel containing 0.8% C was cast at a flow rate of 4.8 kg/s using a device shown in Fig. 1. The steel temperature in the pouring tube was 1510ºC. The steel was cast onto a distribution plate made of refractory material and then along the inner wall of a vertical cylindrical copper trough 3 with a length of 350 mm and a diameter of 220 mm. The trough 3 was cooled with water introduced at ambient temperature and circulated at a flow rate of 27 m³/h. The pressure loss in the cooling device was 3.5 kg/cm². A cooling flux density of 4.2 MW/m² was obtained with a water temperature rise of 7ºC.
Zum Vergleich erforderte eine analoge Kühlung in einer üblichen Vorrichtung mit als laminarer Film fließendem Wasser einen Wasserdurchsatz von 60 m³/h, sie ergab einen Druckverlust von 12 kg/cm² und führte zu einer Kühlungsflußdichte von 3 MW/m².For comparison, analogous cooling in a conventional device with water flowing as a laminar film required a water flow rate of 60 m³/h, resulted in a pressure loss of 12 kg/cm² and resulted in a cooling flux density of 3 MW/m².
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht also die Erzielung einer wirksameren Kühlung mit einer geringeren Menge an Kühlflüssigkeit und unter einem weniger hohen Druck als in den bekannten Vorrichtungen.The device according to the invention thus makes it possible to achieve more effective cooling with a smaller quantity of cooling liquid and under a lower pressure than in the known devices.
Diese Vorrichtung kann außerdem einstückig ausgeführt werden oder aus mehreren, gegebenenfalls unabhängigen Elementen bestehen, die um die vertikale Rinne angeordnet sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.This device can also be made in one piece or consist of several, possibly independent, elements arranged around the vertical channel, without departing from the scope of the present invention.
In der vorhergehenden Beschreibung wurde prinzipiell eine Vorrichtung dargestellt und erläutert, in welcher die vertikale Rinne (3) kreiszylindrisch ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Art von vertikaler Rinne beschränkt; tatsächlich erstreckt sie sich auch auf eine Rinne, die einen Auslaßquerschnitt hat, der größer als ihr Einlaßquerschnitt ist, sowie auf eine Rinne, deren Querschnitt nicht kreisförmig, sondern z.B. oval ist.In the previous description, a device was shown and explained in principle in which the vertical The channel (3) is circular-cylindrical. However, the invention is not limited to this type of vertical channel; in fact, it also extends to a channel which has an outlet cross-section which is larger than its inlet cross-section, as well as to a channel whose cross-section is not circular but, for example, oval.
Außerdem bezieht sich diese Beschreibung speziell auf die Kühlung einer vertiakeln Rinne, die einer Stranggußkokille vorausgeht. Selbstverständlich verläßt man den Rahmen der Erfindung nicht, wenn man eine solche Vorrichtung verwendet, um die Kühlung der Stranggußkokille selbst oder irgendeiner anderen Form oder Kokille zu gewährleisten, die eine Kühlung brauchen.Furthermore, this description refers specifically to the cooling of a vertical channel preceding a continuous casting mold. Of course, it does not go beyond the scope of the invention to use such a device to ensure the cooling of the continuous casting mold itself or of any other mold or mold requiring cooling.
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