DE69913631T2 - Inertgasabschirmvorrichtung für Kokillen zum Stranggiessen von Metall - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft das Stranggießen von Metallen wie Stahl. Genauer gesagt betrifft sie Vorrichtungen, die den Schutz des in der Kokille enthaltenen flüssigen Metalls gegen mögliche chemische Reaktionen mit der Umgebungsluft gewährleistet.
• Stahl-Stranggießanlagen weisen eine Kokille ohne Boden auf, deren Wände von innen intensiv mit umlaufendem Wasser gekühlt werden und die aus einem gut wärmeleitenden Metall wie Kupfer oder seiner Legierungen besteht. Der flüssige Stahl wird ständig aus einem über ihr angeordneten Gefäß, dem "Verteiler", in die Kokille gegossen und beginnt dort unter Bildung einer festen Kruste an den Kokilleninnenwänden zu erstarren. Das Produkt (Bramme, Vorblock oder Knüppel genannt, je nach seiner Form und seinen Abmessungen) wird kontinuierlich aus der Kokille gezogen und erstarrt vollständig außerhalb der Kokille, dank Kühlung von außen durch Bespritzen mit Wasser.
• Der in die Kokille eintretende flüssige Stahl muss vor der Umgebungsluft geschützt werden, um eine Erhöhung seines Stickstoffgehaltes und die Bildung von Oxideinschlüssen in seinem Inneren zu vermeiden. Dazu wird der aus dem Verteiler ausströmende Gießstrahl zumeist mit einem Rohr aus feuerfestem Material geschützt, dessen unteres Ende in das in der Kokille enthaltene Metallbad eintaucht. Weiters wird die freie Oberfläche des flüssigen Stahls in der Kokille gewöhnlich mit einem Pulver auf Oxidbasis, dem sog. "Abdeckpulver" bedeckt. Seine Funktionen sind vielfältig. Abgesehen vom Schutz des Stahls vor der Umgebungsluft stoppt es die Oberflächenstrahlung und mindert so die Wärmeverluste des Metalls. Und dadurch, dass es zwischen die erstarrte Kruste und die Kokille dringt, gewährleistet es eine Schmierung der Grenzfläche Kokille-Produkt, die es ermöglicht, dass das Abziehen des Strangs ohne Aufbrechen der erstarrten Kruste erfolgt. Dieses Abziehen wird zusätzlich durch senkrechte Schwingungen, eventuell auch Ultraschallschwingungen erleichtert, in welche die Kokille versetzt wird.
• Trotzdem gibt es Fälle, wo die Verwendung eines Abdeckpulvers nicht möglich ist, nämlich wenn das Gießprodukt kleinen Formats ist und wenn die Verwendung eines Schutzrohrs zur Bildung von "Brücken" aus erstarrtem Metall zwischen Rohr und Kokille führen könnte. Es muss dann mit einem der Umgebungsluft ausgesetzten Gießstrahl gegossen werden, dessen Auftreffen auf eine mit Abdeckpulver versehene Oberfläche ein Einschleppen von Pulver ins Metall, also eine schwere Verschmutzung des Produkts bewirken würde. Die Anwesenheit von Abdeckpulver muss also ausgeschlossen werden und die Schmierung der Grenzfläche Kokille-Produkt wird dann durch Zuführung von flüssigem Schmiermittel auf die Oberfläche des Metalls gewährleistet, und sogar auch durch die Kokillenwand hindurch, an verschiedenen Stellen der Grenzfläche zwischen Wand und erstarrter Kruste. Die Verbrennung des Öls reduziert zwar den Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft, kann aber den Schutz des Metalls vor Rückoxidationen nur unvollkommen gewährleisten.
• Diese Maßnahme muss dann durch eine Inertgasabschirmung der Umgebung der Metalloberfläche komplettiert werden. Diese Inertisierung erfolgt gewöhnlich durch Einblasen von Argon (oder Stickstoff beim Gießen von Stahlsorten, die hohe Gehalte an diesem Element zulassen) um den Gießstrahl herum und auf die freie Oberfläche des flüssigen Metalls. Um einen besseren Einschluss dieser Schutzatmosphäre zu realisieren, wird oftmals der Boden des Verteilergefäßes mit dem oberen Rand der Kokille über einen Balg aus faserartigem Feuerfestmaterial verbunden, der durch seine Weichheit die senkrechten Bewegungen der oszillierenden Kokille gestattet. Die Amplitude dieser Bewegungen kann einige Zehntel Millimeter erreichen. Es hat sich allerdings gezeigt, dass diese Schutzmethoden nicht vollständig zufriedenstellend sind und oftmals eine Rückoxidation des Metalls nicht ausreichend verhindern. Nur sehr selten wird in der Nähe der Oberfläche ein Sauerstoffgehalt von weniger als 3% gemessen, was noch zu hoch ist. Diese exzessive Oxidation des Metalls äußert sich in der Bildung von Oxideinschlüssen, von denen sich einige an der Oberfläche des Metalls absetzen und in regelmäßigen Abständen vom Bedienungspersonal manuell entfernt werden müssen. Wird jedoch ein Balg verwendet, der die Umgebung der Kokille vor der Außenatmosphäre isoliert, ist dieses Entfernen nicht möglich. Was die Einschlüsse betrifft, die sich nicht absetzen, bleiben sie im Innern des Metalls und verschlechtern seine Qualität.
• Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Inertgasabschirmung der Umgebung der Oberfläche des Flüssigmetallbades in einer Kokille vorzuschlagen, das wirksamer ist als existierende Vorrichtungen.
• Dazu betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Inertisierung des Raums, der die freie Oberfläche des in eine Kokille zum Stranggießen von Metallen gegossenen flüssigen Metalls umgibt, wobei die Kokille unter einem Verteiler angeordnet ist, nach Anspruch 1.
• Demnach besteht die Erfindung darin, zwischen dem Boden des Verteilers und dem oberen Rand der Kokille eine Ringdichtung einzufügen, die mit einem Druckgas gefüllt wird. Sie besteht aus einem wärmebeständigen und genügend gasdurchlässigen Material (vorzugsweise unter der Wirkung seiner natürlichen Porosität), damit das aus der Dichtung ausströmende Gas den durch die Dichtung, den Boden des Verteilers und den oberen Rand der Kokille begrenzten Raum ausfüllt, in dem sich der Gießstrahl und die freie Oberfläche des flüssigen Gießmetalls in der Kokille befinden. Diese Dichtung ist am Boden des Verteilers oder am oberen Rand der Kokille befestigt und muss im gasgefüllten Zustand eine Dicke aufweisen, die ausreicht, um den Raum zwischen Verteiler und Kokille auszufüllen, wenn dieser Raum seine maximale Breite aufweist (d. h. wenn sich die Kokille während ihres Schwingungszyklus in ihrer tiefsten Position befindet).
• Die Erfindung wird besser verständlich beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügte einzige Figur, die von vorn gesehen und im Querschnitt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt, die auf einer Metall-Stranggießmaschine installiert ist.
• Die einzige Figur zeigt schematisch den oberen Teil einer Anlage zum Stranggießen von Stahlknüppeln. Sie weist gewöhnlich ein Verteilergefäß 1 auf, das flüssigen Stahl 2 enthält und von dem nur der Boden 3 dargestellt ist. Der Boden 3 weist ein kalibriertes Rohr 4 auf, durch welches der flüssige Stahl 2 abfließt und einen Gießstrahl 5 bildet. Dieser tritt in den Innenraum einer bodenlosen Kokille 6 ein, deren Wände 7, 8, 9 von innen intensiv mit Wasser gekühlt werden, das in nicht gezeigten Kanälen zirkuliert. Der in der Kokille 6 enthaltene flüssige Stahl 2 erstarrt nach und nach an den Wänden 7, 8, 9 und bildet dabei die Außenschale 10 eines Gießproduktes 11, das mit nicht dargestellten, bekannten Mitteln aus der Kokille abgezogen wird. Bei seinem Austritt aus der Kokille 6 wird das Produkt 11 mittels Düsen 12, 13, 14, 15 mit Wasser bespritzt, um seine Kühlung zu beschleunigen. Eine Schmierölschicht 16 bedeckt die Oberfläche 17 des flüssigen Stahls 2 in der Kokille 6. Diese wird durch nicht dargestellte, bekannte Mittel in eine senkrechte Schwingbewegung gemäß dem Pfeil 18 versetzt. Die Amplitude dieser Schwingungen kann in der Größenordnung von einigen mm bis einigen cm und die Frequenz in der Größenordnung von einigen Hz liegen. Öl kann auch in bekannter Weise an verschiedenen Stellen der Grenzfläche zwischen Wand 7, 8, 9 und Schale 10 über (nicht dargestellte) Öffnungen zugeführt werden, die in den Wänden 7, 8, 9 ausgebildet sind.
• Die Stranggießanlage ist mit einer Inertgasabschirmvorrichtung versehen, die verhindert, dass der Gießstrahl 5 und die Oberfläche 17 des in der Kokille 6 enthaltenen flüssigen Stahls 2 einer reaktiven Atmosphäre wie z. B. Umgebungsluft ausgesetzt wird. Erfindungsgemäß umfasst diese Vorrichtung
• – eine ringförmige, aufblasbare Membran 19, die aus einem porösen weichen Feuerfestmaterial besteht und Temperaturen in der Größenordnung von etwa 800 bis 900°C aushalten kann.
• – einen röhrenförmigen metallischen Halterahmen 20, der im Innern der Membran 19 gelagert ist; er ist mit Rohren 21, 22 zur Zuführung eines neutralen Inertgases wie Argon oder Stickstoff in sein Inneres und mit Öffnungen 23, 34 von einigen mm Durchmesser versehen, durch die dieses neutrale Gas ins Innere der Membran 19 ausströmt, um ihr Aufblasen und dann die Inertisierung des Raums zu gewährleisten, der den Gießstrahl 5 und die Oberfläche 17 des in der Kokille 6 enthaltenen flüssigen Stahls 2 umgibt.
• – eine ringförmige Platte 25, an der die oberen Bereiche der Membran 19 und des Halterahmens 20 befestigt sind und die selbst am Boden 3 des Verteilers 1 so befestigt ist, dass die Membran 19 den Gießstrahl 5 umgibt.
• Nicht dargestellte, herkömmliche Mittel zum Einblasen eines neutralen Gases versorgen die Rohre 21, 22 unter solchen Mengen- und Druckbedingungen, dass ein Aufblasen der Membran 19 erfolgt, welches ihr eine torusähnliche Form verleiht. Die Dimensionen der Membran sind so berechnet, dass sie nach erfolgtem Aufblasen im komprimierten Zustand in der Art eines O-Rings den Raum zwischen dem Boden 3 des Verteilers 1 und dem oberen Rand 26 der Kokille 6 selbst dann ausfüllen kann, wenn sich die Kokille 6 und der Verteiler 1 beim Schwingungszyklus der Kokille 6 in ihrem maximalen Abstand voneinander befinden. Unter der Wirkung des Innendrucks, der in der Membran 19 herrscht, ist diese permanent in weichem, dichten Kontakt mit dem oberen Rand 26 der Kokille 6, der selbst durch die Schwingungen der Kokille 6 bewegt wird.
• Aufgrund des porösen Charakters der Membran 19 strömt ein Teil des Gases, mit dem sie gefüllt wird, in den durch die Membran 19, den Verteiler 1 und die Kokille 6 begrenzten Innenraum 27 ein und trägt dazu bei, dass seine Atmosphäre gegenüber dem Gießstrahl 5 und der Oberfläche 17 des flüssigen Stahls 2 in der Kokille inert wird. Wenn insbesondere auch für eine gute Dichtheit des Kontaktes zwischen der Platte 25 und dem Boden 3 des Verteilers 1 gesorgt wird, kann ein Sauerstoffgehalt von etwa 0,5% im Raum 27 erzielt werden, was niedrig genug ist, um die starken Rückoxidationen des flüssigen Metalls 2 dort zu beseitigen. Es wird nämlich keine Oxidbildung mehr an der Badoberfläche 17 beobachtet und eine regelmäßige Reinigung dieser Oberfläche 17 braucht nicht mehr vorgenommen zu werden.
• Man kann beispielsweise eine Membran 19 aus feuerfestem Filz auf Graphitbasis verwenden, die eine Porosität von etwa 70% und eine Dicke von 8 mm aufweist. Der Filz kann anfangs in Form eines handelsüblichen Bandes vorliegen, das man zu einer Röhre zusammenrollt, die entlang einer Mantellinie zugenäht oder zugeklebt wird und dann in sich zu einem Ring geschlossen wird. Um das Aufblasen der Membran 19 zu gewährleisten, werden 150 Nl/mn Stickstoff unter einem Druck von 1 bar eingeblasen. Dieses Gaseinblasen ermöglicht es auch, die Membran 19 ausreichend zu kühlen, um ihre thermische Beschädigung zu vermeiden.
• Optional kann die Membran 19 auf ihrem zur Außenseite des Raums 27 gerichteten Abschnitt mit einem gasdichten Material beschichtet werden, damit das gesamte Gas, das aus der Membran 19 austritt, auch tatsächlich in den Raum 27 eingeleitet wird.
• In einer Variante kann man der Platte 25 auch eine erhöhte Dicke verleihen und ein transparentes Fenster darin integrieren, durch das man einen visuellen Zugang zur Oberfläche 17 des flüssigen Metalls 2 in der Kokille haben kann, um den Einsatz einer Einrichtung zur Niveauregelung dieser Oberfläche 17 in einer Ausführung zu ermöglichen, welche eine Kamera oder eine beliebige andere Vorrichtung beinhaltet, die einen optischen Zugang zur Oberfläche 17 erfordert.
• Eine andere Variante würde darin bestehen, die Platte 25 nicht mehr am Boden 3 des Verteilers 1, sondern am oberen Rand 26 der Kokille 6 anzubringen.
• Selbstverständlich ist die Platte 25 nur ein beispielhaftes Befestigungsmittel für die Membran 19, wobei beliebige andere Befestigungsmittel einsetzbar sind, welche die gleiche Funktion erfüllen können.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat neben ihrer Wirksamkeit im Hinblick auf den Schutz des flüssigen Metalls den Vorteil, dass sie leicht anzubringen und zu benutzen ist. Sie ist insbesondere sehr tolerant gegenüber den gewöhnlich anzutreffenden leichten Veränderungen der Höhenposition des Verteilers 1 (einige mm).
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch in Gießanlagen benutzt werden, die anstelle einer oszillierenden Kokille eine Kokille aufweisen, die mittels Ultraschallsender in Bewegungen mit geringer Amplitude und hoher Frequenz versetzt wird, sowie bei Kokillen, bei denen sich solche Bewegungen mit den herkömmlichen Schwingungen überlagern. Sie kann auch bei Kokillen zur Anwendung kommen, die nach oben durch einen Aufbau aus feuerfestem Material verlängert sind, in dem der Schmelzspiegel gehalten wird.
• Es versteht sich von selbst, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch dann verwendet werden kann, wenn der Gießstrahl 5 selbst mit einem Rohr aus feuerfestem Material geschützt ist. Sie findet Anwendung beim Gießen von Produkten beliebiger Formate. Sie kann auch beim Stranggießen anderer Metalle als Stahl eingesetzt werden.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Inertisierung des die freie Oberfläche eines in eine Kokille zum Stranggießen von Metall gegossenen flüssigen Metalls umgebenden Raums, wobei die Kokille unter einem Verteiler angeordnet ist, aus dem ein die Kokille speisender Gießstrahl ausströmt, welche Vorrichtung eine aus einem gasdurchlässigen, flexiblen, feuerfesten Material gefertigte Ringmembran aufweist, die mit einem röhrenförmigen Halterahmen verbunden ist, welcher Mittel zur Befestigung der Membran in einer Position aufweist, in der sie den Gießstrahl umgibt, und mit einem Stutzen zur Einspeisung eines Inertisierungsgases in ihr Inneres sowie Austrittsöffnungen versehen ist, durch welche das Gas im Innern der Membran ausströmt, und dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Bildung einer flexiblen Ringdichtung, die den oberen Rand (26) der Kokille (6) mit dem Boden (3) des Verteilers (1) verbindet, – die Membran (19) im gefüllten Zustand eine Dicke aufweist, die größer ist als der maximale Abstand zwischen dem oberen Rand (26) der Kokille (6) und dem Boden (3) des Verteilers (1) während des Gießens; – der röhrenförmige Halterahmen (20) im Innern der Membran (19) gelagert ist; – und Mittel zum Einblasen des Inertisierungsgases in den Einspeisestutzen (21, 22) vorgesehen sind, die es ermöglichen, das Auffüllen der Membran (19) zu gewährleisten und sie im komprimierten Zustand in dichtem und gleichzeitigem Kontakt mit dem Boden (3) des Verteilers (1) und dem oberen Rand (26) der Kokille (6) zu halten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (19) aus einem feuertesten Filz auf Graphitbasis gefertigt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (19) auf ihrem zur Außenseite des die freie Oberfläche (17) des flüssigen Metalls (2) in der Kokille (6) umgebenden Raums (27) gerichteten Abschnitt mit einem gegen das Inertisierungsgas dichten Werkstoff beschichtet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Befestigung der Membran aus einer ringförmigen Platte (25) bestehen, welche ein Fenster aus einem transparenten Werkstoff aufweist, das einen optischen Zugang zur freien Oberfläche (17) des flüssigen Metalls (2) in der Kokille (6) verschafft.