EP0449771B1 - Controlled feeding of molten metal into the moulds of an automatic continuous casting plant - Google Patents
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- EP0449771B1 EP0449771B1 EP91810170A EP91810170A EP0449771B1 EP 0449771 B1 EP0449771 B1 EP 0449771B1 EP 91810170 A EP91810170 A EP 91810170A EP 91810170 A EP91810170 A EP 91810170A EP 0449771 B1 EP0449771 B1 EP 0449771B1
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- B22D11/16—Controlling or regulating processes or operations
- B22D11/18—Controlling or regulating processes or operations for pouring
- B22D11/181—Controlling or regulating processes or operations for pouring responsive to molten metal level or slag level
Definitions
- the invention relates to a method and a device for feeding molten metal into the molds which are internally insulated in the upper region of an automatic continuous casting installation with an upstream casting furnace and a pouring channel system which comprises a distribution trough which feeds all molds at the same level with metal, the lower one in the In the inner ring area, a gas cushion preventing direct contact of the mold with the metal is maintained and oil is injected into its area.
- the invention further relates to an application of the method.
- metals are cast in the form of bars or bolts several meters long, which are used as primary material for various subsequent processing steps, such as for pressing, rolling or forging.
- the most important element of a continuous casting machine are the molds, which determine the cross section of the cast strand in conventional processes. Depending on the number of cast strands, a casting machine is equipped with a corresponding number of lowerable approach floors, which are firmly connected to a casting table.
- the molten metal flows, possibly with at least one filter switched on, through a channel system from the casting furnace into the casting machine, where it is distributed into the individual molds.
- the metal begins to solidify on the dried start-up floors.
- the approach floors are then cooled and lowered at such a speed that the solidus line of the solidified metal always remains within the mold frame.
- the casting process is uninterrupted within the specified length of a strand.
- hot top process was developed a long time ago, in which the metal flows into a distribution trough (hot top) that feeds all molds.
- the level control devices of all individual molds can be omitted and replaced by a central control element, which allows a quieter metal surface and a simplified casting process.
- the usual hot top casting process has been further developed by the formation of a gas cushion with automatic lubrication to a semi-continuous casting process, in which a direct contact between the liquid metal and the mold is prevented thanks to the air cushion and an oil film in the top area.
- US Pat. No. 4,157,728 describes a hot top continuous casting method of the type mentioned above, an annular air cushion being formed underneath the hot top. A slight overpressure is necessary for this. The overpressure is set manually using a screw.
- Air and oil are supplied in the same area, but separately.
- the present invention has for its object to provide a method and a device of the type mentioned, which allow further automation of the hot top casting process.
- the object is achieved according to the invention in that a common main line with distribution lines leads air or an inert gas with the same, low overpressure into all molds, and the relative pressure between a setpoint value, which is calculated as a function of the metal height measured via a level probe and an actual value measured in the main line with a transmitter is used for program-controlled control and monitoring, in that the control function is fulfilled by means of a processor by emitting a signal for the actuator of a common pressure control valve.
- air is generally used for reasons of cost, which is why the term air also includes inert gases in the following for the sake of simplicity.
- the height of the metal surface can be measured with a level probe known per se, but also with a laser sensor.
- the actual pressure measured in the main line shows no fluctuations due to the large diameter with small pressure losses.
- the external pressure which changes considerably depending on the weather, should not influence the casting process. According to a preferred embodiment of the invention, the influence of the variable external pressure is therefore automatically compensated for by known means by using a commercially available differential pressure meter.
- the oil required for lubrication is preferably injected in pulses into the area of the gas cushion. This means that the oil can be injected at a higher pressure without the overall consumption becoming too high.
- the outlet channels for the gas and the oil can be separate or combined into one channel.
- the pressure in the gas cushion must not exceed a certain maximum value, otherwise gas bubbles will form in the metallic melt. However, the pressure of the gas cushion must also not fall below a certain minimum value, otherwise the molten metal can penetrate into the gas supply channels.
- the minimum and maximum values for the pressure in the gas cushion are linear to the respective metallostatic pressure in the mold.
- the minimum pressure, which must not be fallen below, corresponds to a function of the density p, the acceleration due to gravity g, the metal level above the gas outlet openings, the interfacial tension of the melt in the insulation / mold area and the surface tension of the melt in the gas cushion area.
- the maximum pressure in the gas cushion which must not be exceeded, is a function of the density of the melt p, the acceleration due to gravity g and the depth of the undercut of the insulation.
- the object is achieved according to the invention in that it has a main line for the gas supply with a servo pressure valve and a transmitter on the system side and a computer comparing the actual pressure control variables of the transmitter and the control variable of the setpoint value, a manipulated variable for the actuator of the Pressure control valve triggering processor includes.
- the setpoint is determined arithmetically on the basis of the metal level measured, for example, with a laser sensor.
- the distribution lines branching off from the main line to the molds consist, for example, of rubber or a plastic with an external, reinforcing and protective metal fabric.
- the main line for the gas supply expediently has an inside diameter of 5-10 cm.
- the branching distribution lines preferably lead directly to the molds without secondary lines.
- the main line is preferably oversized, i.e. the sum of the cross section of all distribution lines is substantially below the cross section of the main line, preferably at least 20%. It has already been mentioned that the distribution lines do not have to be the same length.
- the cross-section here and the rest always means the inner cross-section.
- the lower edge of the insulation layer projecting above the mold is preferably undercut.
- the optimal value for this undercut has been found to be about 10 mm, which makes it easier to form a stable gas cushion.
- the undercut can take on any geometrical shape, it preferably runs as a cone-shaped bevel.
- An optionally removable laser sensor is expediently used as the level measuring device for determining the same metal level everywhere in the trough system and in the molds.
- the application of the method according to the invention lies primarily in the automation of the start-up and casting end as well as the quality control during the stationary phase of the continuous casting.
- the basic sketch shown in FIG. 1 of the hot top continuous casting known per se essentially comprises a pouring channel system 10, hot tops 12 made of refractory material, also called hot heads, molds 14, cast strands 16 and a casting table 18.
- the trough system 10 in which the metal flows at the same level in all channels in the direction of the arrow 20, comprises a distribution trough 22. This serves as a reservoir for liquid metal.
- the individual gutters merge into grooves 24 of the hot top 12.
- the grooves 24 also run in the transverse direction and merge into bores through the hot top 12 above the molds 14. This ensures that the metal level only has to be measured at one point. This level is the same in the entire casting machine within the measurement tolerances.
- a number of approach floors 28 corresponding to the number of molds 14 are arranged on the casting table 18, which is lowered in the direction of the arrow 26.
- FIG. 2 shows a hot top 12, a mold 14 and a cast metal strand 16 in detail.
- the hot top 12 conducts the molten metal 30 into the molds 14 via grooves 24.
- the hot top 12 is made of fire-resistant insulating material.
- the mold 14 consisting of three rings has an annular inner insulation 32 in the upper inner region, which prevents the contact of the molten metal 30 with the upper region of the mold 14.
- the insulation 32 has an undercut bevel 34 in the lower region.
- the insulation ring 32 which is made of a refractory material, is pressed onto the mold 14 by means of a pressure plate 36.
- An O-ring not shown, ensures the tightness between the mold 14 and the insulation ring 32.
- the inner surface of a lower mold ring 38 determines the diameter of the strand 16. Water 44 is sprayed onto the strand 16 via channels 42 from the ring-shaped water reservoir 40.
- a middle mold ring 46 contains an annular oil chamber delimited by the lower mold ring 38 with outlet channels 50, which open out directly below the inclined surface 34 of the insulation ring 32.
- the oil chamber 48 is fed via radial channels, not shown, which are recessed from the lower ring 38 or from the middle ring 46 and are delimited by the respective other ring.
- An upper mold ring 52 contains an annular air chamber 53 with radial puncture channels (not shown) between the middle and the upper mold ring.
- the air is conducted into the mold interior with a slight excess pressure, in the range of approximately 45 mbar, immediately below the bevel 34 of the insulation 32. This creates an annular air cushion 54. This alleviates the cold shock of the molten metal 30 striking the mold 14.
- the vertical distance between the common level 60 of the molten metal 30 in the channel system 10, the grooves 24 and the mold 14 and the transition from the bevel 34 of the insulation ring 32 to the mold 14, in the region of the air outlet channels, is referred to as the metal level H 1 .
- the metal level H 1 is in the range of 200 mm.
- the insulation 32 has a chamfer depth H 2 of approximately 10 mm.
- the sum of H 1 + H 2 is denoted by H.
- the pressure in the air cushion 54 must not fall below the metallostatic pressure in the depth H1, increased by the interface and surface tension, and must not exceed the depth H for the reasons mentioned above.
- curve B shows the values for the onset of blistering.
- Fig. 3 can be used in practice to read the optimum pressure to be used for a given metal level. As already mentioned, this is at or just below 50 mbar.
- Fig. 4 shows a main line 62 of the compressed air supply, which is passed through a pressure control valve 64. After branching off to a transmitter 66 for the actual pressure, distribution lines 68 leading from the main line 62 to the molds branch off.
- the number of distribution lines 68 corresponds to the number of molds in the casting machine, for example up to 36.
- a control variable is passed from the transmitter 66 to a processor 70. There, the control variable corresponding to the actual pressure is compared with a control variable calculated by a computer 72 for the target pressure dependent on the metal level. If there is a relative pressure, i.e. a pressure difference between the setpoint and actual pressure, the processor triggers a signal called the manipulated variable, which acts on the actuator 74 of the pressure control valve 64 and changes it depending on the sign and absolute value of the detected Ap.
- the actuator 74 can be a stepper motor or a DC motor, for example.
- a target value dependent on the metal level H 1 (FIG. 2) is continuously calculated, which is compared with the actual value of the air supply.
- the pressure in the air cushion is automatically adapted to a changed metal level by changing the pressure in the main line 62.
- the air flow V shown in FIG. 5 per unit of time and mold is plotted as a function of the casting time t.
- the air flow rate V A is relatively high. With the onset of the supply of liquid metal and increasing metal level, the air flow drops relatively steeply.
- a signal for lowering the casting table is triggered with a delay of about 5 seconds.
- a cold run K occurs shortly after the minimum target value V s of about 2 to 3 mbar has been reached. Due to poor strand quality, air can escape between the mold and your strand. After a short time, the quality is normal, the air flow drops again to the minimum setpoint V s .
- the metal level in the mold drops, and the air flow V rises correspondingly steeply.
- V 2 a signal for the end of casting is triggered.
- the regulator pressure in the present case in stationary normal operation 45 mbar, is indicated by a dashed line 76.
- the dotted line 78 shows the pressure curve after a length of 3 m in a main line with an inner diameter of 6 mm.
- Fig. 6 shows that the air flow Q corresponds to the sum of all air losses.
- the air flow is determined by a flow meter 80.
- the losses Q 1 to Q 4 are due to the condition of the system; they must be negligibly small in the case of functional systems.
- the air losses Q 5 and in particular Q 7 allow conclusions to be drawn about the quality of the cast strand.
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einspeisen von schmelzflüssigem Metall in die im oberen Bereich innenisolierten Kokillen einer automatischen Stranggiessanlage mit einem vorgeschalteten Giessofen und einem Giessrinnensystem, welches einen alle Kokillen auf gleichem Niveau mit Metall speisenden Verteilungstrog umfasst, wobei im unterhalb eines Innenrings liegenden Bereich ein den direkten Kontakt der Kokille mit dem Metall verhinderndes Gaskissen aufrechterhalten und in dessen Bereich Oel eingespritzt wird. Weiter betrifft die Erfindung eine Anwendung des Verfahrens.The invention relates to a method and a device for feeding molten metal into the molds which are internally insulated in the upper region of an automatic continuous casting installation with an upstream casting furnace and a pouring channel system which comprises a distribution trough which feeds all molds at the same level with metal, the lower one in the In the inner ring area, a gas cushion preventing direct contact of the mold with the metal is maintained and oil is injected into its area. The invention further relates to an application of the method.
Beim Stranggiessverfahren werden Metalle in Form von mehrere Meter langen Barren oder Bolzen gegossen, welche als Vormaterial für verschiedene nachfolgende Verarbeitungsschritte eingesetzt werden, wie z.B. zum Pressen, Walzen oder Schmieden.In the continuous casting process, metals are cast in the form of bars or bolts several meters long, which are used as primary material for various subsequent processing steps, such as for pressing, rolling or forging.
Das wichtigste Element einer Stranggiessmaschine sind die Kokillen, welche in konventionellen Verfahren den Querschnitt des gegossenen Strangs bestimmen. Eine Giessmaschine ist, je nach der Anzahl von gegossenen Strängen, mit entsprechend vielen, absenkbaren Anfahrböden ausgerüstet, welche fest mit einem Giesstisch verbunden sind.The most important element of a continuous casting machine are the molds, which determine the cross section of the cast strand in conventional processes. Depending on the number of cast strands, a casting machine is equipped with a corresponding number of lowerable approach floors, which are firmly connected to a casting table.
Während des Stranggiessens fliesst das schmelzflüssige Metall, ggf. unter Einschaltung wenigstens eines Filters, durch ein Rinnensystem vom Giessofen in die Giessmaschine, wo es in die einzelnen Kokillen verteilt wird.During the continuous casting, the molten metal flows, possibly with at least one filter switched on, through a channel system from the casting furnace into the casting machine, where it is distributed into the individual molds.
Während sich die Kokillen langsam mit der Schmelze füllen, beginnt das Metall an den getrockneten Anfahrböden zu erstarren. Die Anfahrböden werden anschliessend gekühlt und mit einer derartigen Geschwindigkeit abgesenkt, dass die Soliduslinie des erstarrten Metalls stets innerhalb des Kokillenrahmens bleibt. Die Stränge, deren Erstarrung durch Wasserkühlung beschleunigt wird, wachsen nach unten, in gleichem Masse, wie die Anfahrböden abgesenkt werden. Innerhalb der vorgegebenen Länge eines Strangs ist der Giessvorgang unterbrechungsfrei.As the molds slowly fill with the melt, the metal begins to solidify on the dried start-up floors. The approach floors are then cooled and lowered at such a speed that the solidus line of the solidified metal always remains within the mold frame. The strands, the solidification of which is accelerated by water cooling, grow downwards to the same extent as the approach floors are lowered. The casting process is uninterrupted within the specified length of a strand.
Einer der wesentlichen Nachteile von üblichen Stranggiessverfahren besteht darin, dass das Niveau in jeder einzelnen Kokille separat kontrolliert werden muss und dass lange Kokillen erforderlich sind. Die daraus resultierenden sekundären Effekte führen zu einer geringeren Oberflächenqualität.One of the main disadvantages of conventional continuous casting processes is that the level in each individual mold has to be checked separately and that long molds are required. The resulting secondary effects lead to a lower surface quality.
Deshalb ist schon vor längerer Zeit das sogenannte Hot Top-Verfahren entwickelt worden, bei welchem das Metall in einen alle Kokillen auf gleichem Niveau speisenden Verteilungstrog (Hot Top) fliesst. Die Niveaukontrollgeräte aller einzelnen Kokillen können weggelassen und durch ein zentrales Kontrollorgan ersetzt werden, welches eine ruhigere Metalloberfläche und einen vereinfachten Giessprozess erlaubt.For this reason, the so-called hot top process was developed a long time ago, in which the metal flows into a distribution trough (hot top) that feeds all molds. The level control devices of all individual molds can be omitted and replaced by a central control element, which allows a quieter metal surface and a simplified casting process.
Das übliche Hot Top-Giessverfahren ist durch die Ausbildung eines Gaskissens mit automatischer Schmierung zu einem halbkontinuierlichen Giessverfahren weiterentwickelt worden, bei welchem ein direkter Kontakt zwischen dem flüssigen Metall und der Kokille dank des Luftkissens und eines Oelfilms im obersten Bereich verhindert ist.The usual hot top casting process has been further developed by the formation of a gas cushion with automatic lubrication to a semi-continuous casting process, in which a direct contact between the liquid metal and the mold is prevented thanks to the air cushion and an oil film in the top area.
Die Druckluft zur Bildung des Gaskissens wird im oberen Teil der Kokille, unterhalb einer Innenisolation, eingeführt. Mit einem Gaskissen können, verglichen mit dem üblichen Hot Top-Giessverfahren, insbesondere im Zusammenwirken mit einem Oelfilm, folgende zusätzliche Vorteile erzielt werden:
- - Oberflächensegregationen und versteckte Kaltschweissstellen werden durch die milderen Kühlungsbedingungen weitgehend verhindert.
- - Segregation und Ausfliessen von Schmelze durch kleine Oeffnungen des bereits erstarrten Metallmantels werden durch die niedriger ausgebildete Kokille verhindert.
- - Reibung und Ausbrüche werden verhindert, weil die Kontaktoberfläche zwischen dem Metall und der Kokille wegen des Gaskissens kürzer und das Schmiermittel besser verteilt ist.
- - Surface segregation and hidden cold welds are largely prevented by the milder cooling conditions.
- - Segregation and outflow of melt through small openings in the already solidified metal jacket are prevented by the lower mold.
- - Friction and breakouts are prevented because the contact surface between the metal and the mold is shorter due to the gas cushion and the lubricant is better distributed.
Die US-PS 4 157 728 beschreibt ein Hot Top-Stranggiessverfahren der oben erwähnten Art, wobei ein ringförmig umlaufendes Luftkissen unterhalb des Hot Tops gebildet wird. Dazu ist ein leichter Ueberdruck notwendig. Die Einstellung des Ueberdrucks erfolgt manuell, mittels einer Schraube.US Pat. No. 4,157,728 describes a hot top continuous casting method of the type mentioned above, an annular air cushion being formed underneath the hot top. A slight overpressure is necessary for this. The overpressure is set manually using a screw.
Die Zufuhr von Luft und Oel erfolgt im selben Bereich, aber getrennt.Air and oil are supplied in the same area, but separately.
Weitere Verbesserungen des Verfahrens sind in letzter Zeit insbesondere in Richtung des sogenannten Air Slip-Verfahrens, wie in der US-PS 4 598 763 beschrieben, gesucht worden. Der obere Innenbereich einer Kokille wird mit einem offenporigen Grafitring ausgelegt. Luft und Oel können gemischt oder getrennt über die Poren des Grafitrings in den Kokilleninnenraum geführt werden. Grafit ist selbstschmierend, das Oel wird nicht in erster Linie als Schmiermittel, sondern als Porenfüller zugegeben. Wasser wird erst unterhalb des Grafitrings aufgespritzt.Further improvements in the method have recently been sought, in particular in the direction of the so-called air slip method, as described in US Pat. No. 4,598,763. The upper interior of a mold is covered with an open-pore graphite ring. Air and oil can be mixed or fed separately through the pores of the graphite ring into the mold interior. Graphite is self-lubricating, the oil is not added primarily as a lubricant, but as a pore filler. Water is only sprayed on below the graphite ring.
Mit einem Grafitring, durchströmt von Luft und Oel, kann eine sehr milde, also vorteilhafte Kühlung erzielt werden. Die Verwendung eines Grafitrings hat jedoch den Nachteil, für eine Automatisierung des entsprechenden Giessverfahrens aufwendig und kompliziert zu sein.With a graphite ring, through which air and oil flow, very mild, i.e. advantageous, cooling can be achieved. However, the use of a graphite ring has the disadvantage of being complex and complex for automating the corresponding casting process.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine weitergehende Automatisierung des Hot Top-Giessverfahrens erlauben.The present invention has for its object to provide a method and a device of the type mentioned, which allow further automation of the hot top casting process.
In bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine gemeinsame Hauptleitung mit Verteilungsleitungen Luft oder ein Inertgas mit dem gleichen, geringen Ueberdruck in alle Kokillen führt, und der Relativdruck zwischen einem in Funktion der über eine Niveausonde gemessenen Metallhöhe programmberechneten Soll-Wert und einem in der Hauptleitung mit einem Messumformer gemessenen Ist-Wert der programmgesteuerten Regelung und Ueberwachung dient, indem die Regelfunktion mittels eines Prozessors durch Abgabe eines Signals für den Aktuator eines gemeinsamen Druckregelventils erfüllt wird.With regard to the method, the object is achieved according to the invention in that a common main line with distribution lines leads air or an inert gas with the same, low overpressure into all molds, and the relative pressure between a setpoint value, which is calculated as a function of the metal height measured via a level probe and an actual value measured in the main line with a transmitter is used for program-controlled control and monitoring, in that the control function is fulfilled by means of a processor by emitting a signal for the actuator of a common pressure control valve.
Als Inertgase werden beispielsweise Stickstoff und/oder Argon eingesetzt. Aus Kostengründen wird jedoch in der Regel Luft eingesetzt, weshalb im Folgenden einfachheitshalber die Bezeichnung Luft auch inerte Gase einschliesst.For example, nitrogen and / or argon are used as inert gases. However, air is generally used for reasons of cost, which is why the term air also includes inert gases in the following for the sake of simplicity.
Die Höhe der Metalloberfläche kann mit einer Niveausonde an sich bekannter Bauart gemessen werden, aber auch mit einem Lasersensor. Der in der Hauptleitung gemessene Ist-Druck zeigt wegen des grossen Durchmessers bei kleinen Druckverlusten keine Schwankungen.The height of the metal surface can be measured with a level probe known per se, but also with a laser sensor. The actual pressure measured in the main line shows no fluctuations due to the large diameter with small pressure losses.
Der je nach Wetterlage beträchtlich ändernde Aussendruck sollte den Giessvorgang nicht beeinflussen. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird deshalb der Einfluss des variablen Aussendrucks mit bekannten Mitteln selbsttätig ausgeglichen, indem ein handelsüblicher Differentialdruckmesser verwendet wird.The external pressure, which changes considerably depending on the weather, should not influence the casting process. According to a preferred embodiment of the invention, the influence of the variable external pressure is therefore automatically compensated for by known means by using a commercially available differential pressure meter.
Beim Giessbeginn ist kein flüssiges Metall in der Kokille, das dem Gasdurchfluss Widerstand entgegen setzt. Mit einem Durchflussmesser wird ein erster höherer Wert eingestellt. Wenn das darauf in die Kokille geleitete flüssige Metall die Gasaustrittsöffnung erreicht, sinkt die Gasdurchflussmenge wegen dem sukzessive höher werdenden metallostatischen Widerstand. Wenn der Gasdurchfluss einen zweiten, tieferen Wert unterschreitet, wird nach kurzer Zeit das Absenken des Giesstisches mit den Anfahrböden für die gegossenen Stränge ausgelöst. Ohne Metall wird ein Luftdurchfluss von 12 - 15 NI/min als ersten Wert erreicht, als zweiter Wert zur Auslösung des Absenkens über die Durchflussmengendifferenz werden etwa 8 - 10 NI/min eingestellt. Einige Sekunden, zweckmässig etwa 5 sec, nach dem Erreichen dieses zweiten Werts beginnt das Absenken des Giesstischs. Die Durchflussregelung erfolgt mit dem Relativdruck, der Differenz zwischen dem Soll- und Ist-Wert für den Druck in der Hauptleitung.At the start of casting, there is no liquid metal in the mold that opposes the gas flow resistance. A first higher value is set with a flow meter. When the liquid metal that is then passed into the mold reaches the gas outlet opening, the gas flow rate drops because of the gradually increasing metallostatic resistance. If the gas flow falls below a second, lower value, the lowering of the casting table with the approach floors for the cast strands is triggered after a short time. Without metal, an air flow of 12 - 15 NI / min is reached as the first value, the second value for triggering the lowering via the flow rate difference is about 8 - 10 NI / min. A few seconds, expediently about 5 seconds, after this second value has been reached, the casting table begins to lower. The flow is controlled with the relative pressure, the difference between the setpoint and actual value for the pressure in the main line.
Wegen des geringen Gasdurchflusses durch die von der Hauptleitung abzweigenden Verteilungsleitungen spielt deren Länge keine Rolle, alle Kokillen werden unter gleichen Bedingungen versorgt.Because of the low gas flow through the distribution lines branching off from the main line, their length is irrelevant; all molds are supplied under the same conditions.
Die Versorgung aller Kokillen mit der gleichen Menge Oel dagegen war früher nur gewährleistet, wenn die einzelnen, zu den Kokillen führenden Oelleitungen ab Oelhauptleitung alle gleich lang waren. Dies ist heute kein Erfordernis mehr, mit bekannten Mitteln kann allen Kokillen pro Zeiteinheit, unabhängig vom Leitungswiderstand, die gleiche Menge Oel zugeführt werden.On the other hand, the supply of all molds with the same amount of oil was previously only guaranteed if the individual oil lines leading to the molds were all of the same length from the main oil line. This is no longer a requirement today, with known means the same amount of oil can be supplied to all molds per unit of time, regardless of the line resistance.
Das zur Schmierung notwendige Oel wird bevorzugt pulsweise in den Bereich des Gaskissens gespritzt. Damit kann das Oel mit höherem Druck eingespritzt werden, ohne dass der Gesamtverbrauch zu hoch wird.The oil required for lubrication is preferably injected in pulses into the area of the gas cushion. This means that the oil can be injected at a higher pressure without the overall consumption becoming too high.
Die Austrittskanäle für das Gas und das Oel können getrennt oder zu einem Kanal vereinigt sein.The outlet channels for the gas and the oil can be separate or combined into one channel.
Der Druck im Gaskissen darf einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten, sonst bilden sich in der metallischen Schmelze Gasblasen. Der Druck des Gaskissens darf jedoch auch einen bestimmten minimalen Wert nicht unterschreiten, sonst kann das schmelzflüssige Metall in die Gaszufuhrkanäle eindringen. Der minimale und der maximale Wert für den Druck im Gaskissen verlaufen linear zum jeweiligen metallostatischen Druck in der Kokille. Der minimale Druck, welcher nicht unterschritten werden darf, entspricht einer Funktion der Dichte p , der Erdbeschleunigung g, dem Metallstand oberhalb der Gasaustrittsöffnungen, der Grenzflächenspannung der Schmelze im Bereich Isolation/Kokille und der Oberflächenspannung der Schmelze im Bereich des Gaskissens. Der maximale Druck im Gaskissen, welcher nicht überschritten werden darf, ist eine Funktion der Dichte der Schmelze p, der Erdbeschleunigung g und der Tiefe der Hinterschneidung der Isolation.The pressure in the gas cushion must not exceed a certain maximum value, otherwise gas bubbles will form in the metallic melt. However, the pressure of the gas cushion must also not fall below a certain minimum value, otherwise the molten metal can penetrate into the gas supply channels. The minimum and maximum values for the pressure in the gas cushion are linear to the respective metallostatic pressure in the mold. The minimum pressure, which must not be fallen below, corresponds to a function of the density p, the acceleration due to gravity g, the metal level above the gas outlet openings, the interfacial tension of the melt in the insulation / mold area and the surface tension of the melt in the gas cushion area. The maximum pressure in the gas cushion, which must not be exceeded, is a function of the density of the melt p, the acceleration due to gravity g and the depth of the undercut of the insulation.
In bezug auf die Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass sie eine Hauptleitung für die Gaszufuhr mit anlagenseitig einem Servodruckventil und einem Messumformer sowie rechnerseitig einen die Ist-Druckregelgrössen des Messumformers und die Regelgrösse des Soll-Werts vergleichenden, eine Stellgrösse für den Aktuator des Druckregelventils auslösenden Prozessor umfasst.With regard to the device, the object is achieved according to the invention in that it has a main line for the gas supply with a servo pressure valve and a transmitter on the system side and a computer comparing the actual pressure control variables of the transmitter and the control variable of the setpoint value, a manipulated variable for the actuator of the Pressure control valve triggering processor includes.
Der Sollwert wird rechnerisch aufgrund des beispielsweise mit einem Lasersensor gemessenen Metallstandes bestimmt.The setpoint is determined arithmetically on the basis of the metal level measured, for example, with a laser sensor.
Die von der Hauptleitung abzweigenden Verteilungsleitungen zu den Kokillen bestehen beispielsweise aus Kautschuk oder einem Kunststoff mit einem aussenliegenden, verstärkenden und schützenden Metallgewebe.The distribution lines branching off from the main line to the molds consist, for example, of rubber or a plastic with an external, reinforcing and protective metal fabric.
Die Hauptleitung für die Gaszufuhr hat zweckmässig einen Innendurchmesser von 5 - 10 cm. Die abzweigenden Verteilungsleitungen führen bevorzugt direkt, ohne Sekundärleitungen, zu den Kokillen. Die Hauptleitung ist vorzugsweise überdimensioniert, d.h. die Summe des Querschnitts aller Verteilungsleitungen liegt wesentlich unter dem Querschnitt der Hauptleitung, vorzugsweise wenigstens 20%. Es ist bereits erwähnt worden, dass die Verteilungsleitungen nicht gleich lang sein müssen. Mit dem Querschnitt ist hier und im übrigen stets der Innenquerschnitt gemeint.The main line for the gas supply expediently has an inside diameter of 5-10 cm. The branching distribution lines preferably lead directly to the molds without secondary lines. The main line is preferably oversized, i.e. the sum of the cross section of all distribution lines is substantially below the cross section of the main line, preferably at least 20%. It has already been mentioned that the distribution lines do not have to be the same length. The cross-section here and the rest always means the inner cross-section.
Damit zwischen dem minimal und maximal zulässigen Druck im Gaskissen ein relativ grösserer Spielraum bleibt, wird der untere Rand der die Kokille überragenden Isolationsschicht vorzugsweise hinterschnitten. Als optimaler Wert für diese Hinterschneidung haben sich etwa 10 mm herausgestellt, was besser ermöglicht, ein stabiles Gaskissen zu bilden. Obwohl die Hinterschneidung jede geometrische Form annehmen kann, verläuft diese vorzugsweise als kegelmantelförmige Anschrägung.In order that there remains a relatively greater margin between the minimum and maximum permissible pressure in the gas cushion, the lower edge of the insulation layer projecting above the mold is preferably undercut. The optimal value for this undercut has been found to be about 10 mm, which makes it easier to form a stable gas cushion. Although the undercut can take on any geometrical shape, it preferably runs as a cone-shaped bevel.
Als Niveaumessgerät für die Festlegung des überall im Giessrinnensystem und in den Kokillen gleichen Metallniveaus wird zweckmässig ein ggf. demontierbarer Lasersensor verwendet.An optionally removable laser sensor is expediently used as the level measuring device for determining the same metal level everywhere in the trough system and in the molds.
Die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens liegt in erster Linie bei der Automatisierung des Anfahrens und des Giessendes sowie der Qualitätskontrolle während der stationären Phase des Stranggiessens.The application of the method according to the invention lies primarily in the automation of the start-up and casting end as well as the quality control during the stationary phase of the continuous casting.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele, welche auch Gegenstand von abhängigen Ansprüchen sind, näher erläutert. Es zeigen schematisch:
- - Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht einer Hot Top-Giessmaschine,
- - Fig. 2 einen teilweisen Vertikalschnitt durch den Kokillenbereich einer Hot Top-Giessmaschine,
- - Fig. 3 Kurven für den metallostatischen Druck in Funktion des Metallstandes,
- - Fig. 4 eine automatische Druckregelung,
- - Fig. 5 den Durchfluss von Luft während des Giessens, und
- - Fig. 6 den Durchfluss von Luft und die Luftverluste.
- 1 is a partial perspective view of a hot top casting machine,
- 2 shows a partial vertical section through the mold area of a hot top casting machine,
- 3 curves for the metallostatic pressure as a function of the metal level,
- 4 shows an automatic pressure control,
- 5 shows the flow of air during casting, and
- 6 shows the flow of air and the air losses.
Die in Fig. 1 dargestellte Prinzipskizze des an sich bekannten Hot Top-Stranggiessens umfasst im wesentlichen ein Giessrinnensystem 10, aus feuerfestem Material bestehende Hot Tops 12, auch Heissköpfe genannt, Kokillen 14, gegossene Stränge 16 und einen Giesstisch 18.The basic sketch shown in FIG. 1 of the hot top continuous casting known per se essentially comprises a pouring
Das Giessrinnensystem 10, in welchem das Metall mit gleichem Niveau in allen Rinnen in Richtung des Pfeils 20 fliesst, umfasst einen Verteilungstrog 22. Dieser dient als Reservoir für flüssiges Metall. Die einzelnen Giessrinnen gehen in Nuten 24 des Hot Tops 12 über. Entsprechend den angeordneten Kokillen 14 verlaufen die Nuten 24 auch in Querrichtung und gehen oberhalb der Kokillen 14 in Bohrungen durch den Hot Top 12 über. Damit ist gewährleistet, dass das Metallniveau nur an einer Stelle gemessen werden muss. Dieses Niveau ist in der ganzen Giessmaschine innerhalb der Messtoleranzen gleich.The
Auf dem in Richtung des Pfeils 26 abgesenkten Giesstisch 18 sind eine der Anzahl von Kokillen 14 entsprechende Anzahl von Anfahrböden 28 angeordnet.A number of
Fig. 2 zeigt einen Hot Top 12, eine Kokille 14 und einen gegossenen Metallstrang 16 im Detail.2 shows a hot top 12, a
Der Hot Top 12 leitet, wie in Fig. 1 dargestellt, das schmelzflüssige Metall 30 über Nuten 24 in die Kokillen 14. Der Hot Top 12 besteht aus feuerfestem Isoliermaterial.As shown in FIG. 1, the hot top 12 conducts the
Die aus drei Ringen bestehende Kokille 14 hat im oberen Innenbereich eine ringförmige Innenisolation 32, welche den Kontakt des schmelzflüssigen Metalls 30 mit dem oberen Bereich der Kokille 14 verhindert.The
Im unteren Bereich hat die Isolation 32 eine hinterschneidende Anschrägung 34. Der aus einem feuerfesten Material bestehende Isolationsring 32 wird mittels einer Druckplatte 36 auf die Kokille 14 gedrückt. Ein nicht dargestellter O-Ring gewährleistet die Dichtheit zwischen der Kokille 14 und dem Isolationsring 32.The
Die Innenfläche eines unteren Kokillenrings 38 bestimmt den Durchmesser des Strangs 16. Vom ringförmig ausgebildeten Wasserreservoir 40 wird über Kanäle 42 Wasser 44 auf den Strang 16 gespritzt.The inner surface of a
Ein mittlerer Kokillenring 46 enthält eine durch den unteren Kokillenring 38 begrenzte, ringförmige Oelkammer mit Austrittskanälen 50, welche unmittelbar unterhalb der Schrägfläche 34 des Isolationsrings 32 ausmünden. Die Oelkammer 48 wird über nicht gezeigte Radialkanäle gespeist, welche aus dem unteren Ring 38 oder aus dem mittleren Ring 46 ausgespart und durch den jeweils anderen Ring begrenzt sind.A
Ein oberer Kokillenring 52 beinhaltet eine ringförmige Luftkammer 53 mit nicht dargestellten radialen Stichkanälen zwischen dem mittleren und dem oberen Kokillenring.An
Die Luft wird mit einem geringen Ueberdruck, im Bereich von etwa 45 mbar, unmittelbar unterhalb der Abschrägung 34 der Isolation 32 in den Kokilleninnenraum geleitet. Dabei entsteht ein ringförmiges Luftkissen 54. Dieses mildert den Kälteschock des auf die Kokille 14 auftreffenden, schmelzflüssigen Metalls 30.The air is conducted into the mold interior with a slight excess pressure, in the range of approximately 45 mbar, immediately below the
Luft und Oel treten im selben Bereich, im ringförmigen Luft- bzw. Gaskissen 54, aus, im vorliegenden Fall getrennt.Air and oil emerge in the same area, in the annular air or
Zwischen dem schmelzflüssigen Metall 30 und dem erstarrten Teil 56 des Strangs 16 bildet sich, zwischen der Liquidusfläche L und der Solidusfläche S, ein pastöser Bereich 58 mit einem Gemisch von flüssiger und fester Phase.Between the
Die vertikale Distanz zwischen dem gemeinsamen Niveau 60 des schmelzflüssigen Metalls 30 im Giessrinnensystem 10, den Nuten 24 und der Kokille 14 und dem Uebergang der Anschrägung 34 des Isolationsrings 32 auf die Kokille 14, im Bereich der Luftaustrittskanäle, wird als Metallstand H1 bezeichnet. Der Metallstand H1 liegt im Bereich von 200 mm. Die Isolation 32 hat eine Anschrägungstiefe H2 von etwa 10 mm. Die Summe von H1 + H2 wird mit H bezeichnet.The vertical distance between the
Der Druck im Luftkissen 54 darf den metallostatischen Druck in der Tiefe H1, vermehrt um die Grenzflächen- und Oberflächenspannung, aus den oben erwähnten Gründen nicht unterschreiten und in der Tiefe H nicht überschreiten.The pressure in the
In Fig. 3 wird der metallostatische Druck in Funktion des Metallstandes H1 aufgetragen. Der metallostatische Druck p berechnet sich wie folgt:
- p = pgH1,
- p = pgH 1 ,
Die für optimale Giessbedingungen gemessenen Werte sind auf der Kurve A aufgetragen, welche geringfügig über der theoretischen Kurve C liegt. Der Abstand beträgt etwa 2 mbar.The values measured for optimal casting conditions are plotted on curve A, which is slightly above the theoretical curve C. The distance is about 2 mbar.
Schliesslich sind in Kurve B noch die Werte für die beginnende Blasenbildung eingetragen worden. Theoretisch beginnt die Blasenbildung, wenn in der obenstehenden Formel, unter Hinzufügung der bereits erwähnten Grenzflächen- und Oberflächenspannung, H anstelle von H1 in die obenstehende Formel eingesetzt wird, wobei H = H1 + H2 (Fig. 2).Finally, curve B shows the values for the onset of blistering. Theoretically, bubble formation begins when, in the above formula, with the addition of the interfacial and surface tension mentioned above, H is substituted for H 1 in the above formula, where H = H 1 + H 2 (Fig. 2).
Fig. 3 kann in der Praxis verwendet werden um bei gegebenem Metallstand den anzuwendenden optimalen Druck abzulesen. Dieser liegt, wie bereits erwähnt, bei oder knapp unter 50 mbar.Fig. 3 can be used in practice to read the optimum pressure to be used for a given metal level. As already mentioned, this is at or just below 50 mbar.
Fig. 4 zeigt eine Hauptleitung 62 der Druckluftspeisung, welche durch ein Druckregelventil 64 geführt wird. Nach der Abzweigung zu einem Messumformer 66 für den Ist-Druck zweigen von der Hauptleitung 62 zu den Kokillen führende Verteilungsleitungen 68 ab. Die Anzahl der Verteilungsleitungen 68 entspricht der Anzahl Kokillen in der Giessmaschine, beispielsweise bis 36.Fig. 4 shows a
Vom Messumformer 66 wird eine Regelgrösse zu einem Prozessor 70 geleitet. Dort wird die dem Ist-Druck entsprechende Regelgrösse mit einer von einem Computer 72 berechneten Regelgrösse für den vom Metallstand abhängigen Soll-Druck verglichen. Besteht ein Relativdruck, also eine Druckdifferenz zwischen dem Soll- und Ist-Druck, löst der Prozessor ein als Stellgrösse bezeichnetes Signal aus, welches auf den Aktuator 74 des Druckregelventils 64 einwirkt und dieses je nach Vorzeichen und Absolutwert des festgestellten Ap verändert. Der Aktuator 74 kann beispielsweise ein Schrittmotor oder ein Gleichstrommotor sein.A control variable is passed from the
Mit dieser automatischen Druckregelung wird laufend ein vom Metallstand H1 (Fig. 2) abhängiger Soll-Wert errechnet, der mit dem Ist-Wert der Luftspeisung verglichen wird. Der Druck im Luftkissen wird durch Aenderung des Drucks in der Hauptleitung 62 automatisch an einen veränderten Metallstand angepasst.With this automatic pressure control, a target value dependent on the metal level H 1 (FIG. 2) is continuously calculated, which is compared with the actual value of the air supply. The pressure in the air cushion is automatically adapted to a changed metal level by changing the pressure in the
Der in Fig. 5 dargestellte Luftdurchfluss V pro Zeiteinheit und Kokille ist in Funktion der Giesszeit t aufgetragen. Am Giessanfang t1 ist der Luftdurchfluss VA verhältnismässig hoch. Mit dem Einsetzen der Zufuhr von flüssigem Metall und steigendem Metallniveau fällt der Luftdurchfluss verhältnismässig steil ab. Beim Erreichen der Luftmenge V1 wird, mit einer Verzögerung von etwa 5 sec, ein Signal für das Absenken des Giesstischs ausgelöst. Im vorliegenden Fall tritt kurz nach dem Erreichen des minimalen Soll-Wertes Vs von etwa 2 bis 3 mbar ein Kaltlauf K auf. Wegen schlechter Strangqualität kann Luft zwischen der Kokille und dein Strang entweichen. Nach kurzer Zeit ist die Qualität normal, der Luftdurchfluss sinkt wieder auf den minimalen Sollwert Vs. Am Giessende, zur Zeit t2 sinkt das Metallniveau in der Kokille, der Luftdurchfluss V steigt entsprechend steil an. Beim Erreichen von V2 wird ein Signal für das Giessende ausgelöst.The air flow V shown in FIG. 5 per unit of time and mold is plotted as a function of the casting time t. At the start of casting t 1 , the air flow rate V A is relatively high. With the onset of the supply of liquid metal and increasing metal level, the air flow drops relatively steeply. When the air volume V 1 is reached, a signal for lowering the casting table is triggered with a delay of about 5 seconds. In the present case, a cold run K occurs shortly after the minimum target value V s of about 2 to 3 mbar has been reached. Due to poor strand quality, air can escape between the mold and your strand. After a short time, the quality is normal, the air flow drops again to the minimum setpoint V s . At the end of casting, at time t 2 , the metal level in the mold drops, and the air flow V rises correspondingly steeply. When V 2 is reached, a signal for the end of casting is triggered.
Mit einer gestrichelten Linie 76 ist der Reglerdruck, im vorliegenden Fall im stationären Normalbetrieb 45 mbar, angegeben. Die punktierte Linie 78 zeigt den Druckverlauf nach 3 m Länge in einer Hauptleitung mit 6 mm Innendurchmesser.The regulator pressure, in the present case in stationary normal operation 45 mbar, is indicated by a dashed
Aus Fig. 5 ist gut ersichtlich, dass bei geringerem Druck p in der Hauptleitung der Luftdurchfluss V grösser ist.5 that the air flow V is greater at a lower pressure p in the main line.
Fig. 6 zeigt, dass der Luftdurchfluss Q der Summe aller Luftverluste entspricht. Der Luftdurchfluss wird über einen Durchflussmesser 80 festgestellt.Fig. 6 shows that the air flow Q corresponds to the sum of all air losses. The air flow is determined by a
Die Verluste zwischen dem Durchflussmesser und der Kokille, in Leitungen, Kupplungen, Filtern, Ventilen, Druckreglern usw., werden mit Q1 bezeichnet, die Verluste in der Kokille selbst mit Q2.The losses between the flow meter and the mold, in lines, couplings, filters, valves, pressure regulators, etc. are denoted by Q 1 , the losses in the mold itself by Q 2 .
Im Bereich des Luftkissens 54 treten folgende Luftverluste auf:
- - Q3: Undichtigkeiten
zwischen dem Isolationsring 32 und der Kokille 14, - - Q4: Undichtigkeiten des Isolationsrings 32 (z.B. Risse),
- - Qs: Blasenbildung, wenn der Druck des Luftkissens über dem maximal zulässigen Druck liegt,
- - Q6: Reaktion der Luft mit der Schmelze und/oder dem Schmiermittel,
- - Q7: Undichtigkeiten zwischen der Kokille und dem gegossenen Strang (Oberflächenrauhigkeit des Strangs, Zustand der Kokillenwand).
- Q 3 : leaks between the
insulation ring 32 and themold 14, - Q 4 : leaks in the insulation ring 32 (for example cracks),
- - Qs: blistering when the pressure of the air cushion is above the maximum allowable pressure,
- Q 6 : reaction of the air with the melt and / or the lubricant,
- - Q 7 : leaks between the mold and the cast strand (surface roughness of the strand, condition of the mold wall).
Die Verluste Q1 bis Q4 sind durch den Zustand der Anlage bedingt, sie müssen bei funktionsfähigen Anlagen vernachlässigbar klein sein.The losses Q 1 to Q 4 are due to the condition of the system; they must be negligibly small in the case of functional systems.
Die Luftverluste Q5 und insbesondere Q7 lassen Rückschlüsse auf die Qualität des gegossenen Strangs zu.The air losses Q 5 and in particular Q 7 allow conclusions to be drawn about the quality of the cast strand.
Selbstverständlich können, wie erwähnt, anstelle der in den Beispielen aufgeführten Luft auch andere Gase, insbesondere Stickstoff oder Argon verwendet werden. Die wesentlichen Merkmale der Erfindung werden dadurch nicht beeinflusst, obwohl der Verlust Q6 verschwindet.Of course, as mentioned, other gases, in particular nitrogen or argon, can be used instead of the air listed in the examples. The essential features of the invention are not affected by this, although the loss Q 6 disappears.
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