EP1103323A2 - Verfahren und Vorrichtung zum Stranggiessen von Stahl - Google Patents
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- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
- B22D11/16—Controlling or regulating processes or operations
- B22D11/22—Controlling or regulating processes or operations for cooling cast stock or mould
Definitions
- the invention preferably relates to a method and a device for continuous casting of steel by means of a cooled plate of certain thickness Copper mold.
- Continuous casting with traveling molds and standing molds preferably continuous casting with oscillating stand molds of thin slabs with a Thickness between 150 mm and 40 mm, but also of slabs, blooms and Sticks with square as well as round format moves more and more too high casting speeds of up to 10 m / min.
- Figures 2a and b reflect the state of the art, that with increasing casting speed due to the decreasing slag film thickness (6) the distance between the recrystallization temperature (14) of the cold rolled Copper of, for example, 600 ° C. and the copper plate skin temperatures on the steel side (9), but also on the water side (10) is reduced, so that the service life (15) of the copper plates sinks.
- the cooling water (3) of the mold can run the risk of boiling exceed and a gas film (16), the so-called Leidenfrost, between the copper plate wall (11) and the flowing water column (17) build up, whereby the Heat transfer is massively disturbed, and the heat flow (1) is non-uniform across the mold width and mold height. This in turn leads to a additional strain on the strand shell (5), but also on the copper plate (7).
- the invention is therefore based on the object of a method and a device to create, with which the copper plate skin temperature changes with changing Keeping the casting speed constant.
- FIG. 1 schematically shows the section through a mold 23 for a casting speed 8 through v c 1 (partial image a) and v c 2 (partial image b).
- the steel flows from an immersion spout 2.1 and guides its energy 1 along a heat potential gradient 1.2 into the mold cooling water 3 through the media of liquid steel 4, strand shell 5, slag film 6 and copper plate 7.
- With increasing casting speed 8.2 it drops the slag film thickness 6.1 and the strand shell thickness 5.1 and the copper plate skin temperature 9, 10 increases and the mold load 1.1, expressed as MW / m 2 .
- the partial images a and b show that the mold load increases with increasing casting speed v c 2 8.2> v c 1 8.1, expressed as mold temperature 9, 10 and as MW / m 2 .
- the partial image a in FIG. 2 shows the thinning slag film thickness 6.1 in mm and the increasing mold load 1.1 in MW / m 2 .
- sub-picture b represents a constant amount of cooling water Q H2O • in l / min 18 or the constant water speed in m / sec 19, a constant copper plate thickness 7.1 and the copper plate skin temperatures 9, 10 both on the steel side and on the water side via the casting speed 8.
- FIG. 4 shows a mold water cooling circuit 21, which is characterized by the inventive Solution of a controllable heat exchanger 22, which in the sense of the figures 2c and 3 is driven, a control of the mold skin temperatures 9, 10 enables.
- the adjustable heat exchanger to control the mold water inlet temperature 13 represents the process parameter, which is a function of the casting speed 20 ensures a constant mold skin temperature on the steel side 9.
- the figure also shows the plate mold 23 for the production of slabs with the connection of the mold water circuit 21, consisting of a mold pump 24.1 and a water pressure bladder accumulator 24.2 for regulating the amount of water 18 and the water pressure 12 in a conventional design.
- the idea essential to the invention arises in the design of the heat exchanger 22 and introduction into the mold cooling water circuit 21 as a controlled variable for the mold water inlet temperature 13.
- To regulate the mold water temperature 13 serves the control area 22.1 of the heat exchanger 22 and the Cooling capacity e.g. an open cooling tower 25, which controls the water temperature 25.1 and the amount of cooling water 25.2.
- the heat exchanger 22 has a large cooling water inlet area from approx. 10 to 45 ° C and the inlet temperature over a Control loop is linked to the mold.
- the heat exchanger up to 10 ° C as the minimum water inlet temperature to operate if e.g. a natural water reservoir with average annual temperatures of, for example, 7 ° C is present. In this case, however Make sure that no condensation water forms before pouring on the copper walls of the mold. This can be done by radiators or preheating of the mold cooling water can be avoided until the start of pouring.
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Stranggießen von Stahl mittels einer gekühlten, Platten (7) bestimmter dicke aufweisenden Kokille wird die Kokillenkühlwassereinlauftemperatur geregelt und mit steigender Gießgeschwindigkeit abgesenkt. Die Kokillenplatten (7) bestehen aus Kupfer mit einer Dicke von 40 bis 5 mm, der Kokillenwasserdruck (22) ist zwischen 5 und 30 bar und die Kokillenwassergeschwindigkeit (18) zwischen 5 bis 15 m/sec regelbar und die Kokillenkühlwassereinlauftemperatur ist zwischen 10° und 45°C wählbar. <IMAGE>
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stranggießen vorzugsweise
von Stahl mittels einer gekühlten, Platten bestimmter Dicke aufweisenden
Kupferkokille.
Das Stranggießen mit Wanderkokillen und Standkokillen, vorzugsweise jedoch
das Stranggießen mit oszillierenden Standkokillen von Dünnbrammen mit einer
Dicke zwischen 150 mm und 40 mm, aber auch von Brammen, Vorblöcken und
Knüppeln mit quadratischem als auch rundem Format, bewegt sich mehr und
mehr zu hohen Gießgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/min.
Es stellt sich in den letzten Jahren zunehmend heraus, daß bei der Steigerung der
Gießgeschwindigkeit auf bisher 5 bis 10 m/min die Kokillenbelastung und damit
die Standzeit der Kupferplatten unverändert ein zentrales Thema der Entwicklung
darstellt.
Betrachtet man die Situation des Wärmestroms in der Kokille von der Kokillenmitte
bzw. Mittenebene parallel zu den Breitseiten im Falle von Brammen zum Kokillenkühlwasser,
so durchläuft der Energiestrom die Medien
- flüssiger Stahl, λ ≅ 50 W/m • K
- Tauchausguß, λ ≅ 10 W/m • K (im Bereich des SEN, wenn vorhanden)
- flüssiger Stahl, λ ≅ 50 W/m • K
- Strangschale, λ ≅ 50 W/m • K
- Gießschlackenfilm, λ ≅ 1 W/m • K
- Kupferplatte, λ ≅ 360 W/m • K
Das Kokillenkühlwasser im Bereich der Kühlschlitze auf der Rückseite der Kupferplatte
weist folgende physikalische Merkmale auf:
- Wassergeschwindigkeit zwischen 6 bis 14 m/sec
- Wasserdruck P zwischen 5 bis 25 bar
- Wassereinlauftemperatur zwischen 20 und 45 °C
Diese Wasserwerte werden während des Gießens konstant gehalten und nicht als
Regelgrößen für die Optimierung des Prozesses online herangezogen.
Bei der Steigerung der Gießgeschwindigkeit von z. B. vc 1 = 4 m/min auf vc 2 = 6
m/min verringert sich der Schlackenschmierfilm, womit die Belastung der Kupferplatten
ausgedrückt als Kupferhauttemperatur sowohl auf der Stahlseite als auch
auf der Wasserseite ansteigt. Dieser Temperaturanstieg wird durch den dünneren
Schlackenfilm, verbunden mit der geringeren Isolation der Strangschale und dem
damit höheren Wärmestrom, ausgedrückt als MW/m2 Kokillenbelastung, verursacht.
Verbunden mit der steigenden Wärmebelastung der Kokille und den damit ansteigenden
Haupttemperaturen der Kupferplatte auf der Strangschalenseite und Wasserseite
sind
- eine konstante Kupferplattendicke von z.B. 20 mm
- ein konstanter Wassereinlaufdruck in die Kokille und
- eine konstante Kokillenkühlwassereinlauftemperatur.
Die den Stand der Technik wiedergebenden Figuren 2a und b machen deutlich,
daß mit steigender Gießgeschwindigkeit durch die sinkende Schlackenfilmdicke
(6) der Abstand zwischen der Rekristallisationstemperatur (14) des kaltgewalzten
Kupfers von bspw. 600 °C und den Kupferplattenhauttemperaturen stahlseitig (9),
aber auch wasserseitig (10) geringer wird, wodurch die Standzeit (15) der Kupferplatten
sinkt.
Gleichzeitig kann das Kühlwasser (3) der Kokille Gefahr laufen, den Siedepunkt zu
überschreiten und einen Gasfilm (16), der sog. Leidenfrost, zwischen der Kupferplattenwand
(11) und der strömenden Wassersäule (17) aufzubauen, wodurch der
Wärmeübergang massiv gestört wird, und sich der Wärmestrom (1 )ungleichförmig
über die Kokillenbreite und Kokillenhöhe ausbildet. Dies wiederum führt zu einer
zusätzlichen Belastung der Strangschale (5), aber auch der Kupferplatte (7).
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zu schaffen, mit denen sich die Kupferplattenhauttemperatur mit sich ändernder
Gießgeschwindigkeit konstant halten läßt.
Eine unerwartete Lösung, die für den üblichen Fachmann nicht als selbstverständlich
anzusehen ist, wird in den Patentansprüchen beschrieben. Die in den unabhängigen
Ansprüchen 1 und 9 angegebenen Merkmale erlauben es, hohe variable
Gießgeschwindigkeiten bis 15 m/min ohne Nachteile auf die Kokillenbelastung
vorzusehen, weil eine damit ansonsten unvermeidlich einhergehende, schädliche
Erhöhung der Temperatur der Kupferplatten vermieden wird.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
nachstehenden Erläuterungen von in den Zeichnungen schematisch dargestellten
Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
- Figur 1a, b
- schematisch den Fluß des Wärmestroms von der Kokillenmitte 2 zu den Breitseiten einer Brammen- bzw. Dünnbrammenkokille 7 für zwei unterschiedliche Gießgeschwindigkeiten vc 1 (Teilbild a) auf vc 2 (Teilbild b),
- Figur 2
- aufgeteilt in die Teilbilder a, b und c,
Teilbilder a und b, den Stand der Technik als Schlackenfilmdicke (6) bzw. Hauttemperatur (9, 10) der Kupferplatte sowie der Kokil-lenstandzeit (15) bei konstanter Wassereinlauftemperatur Tin H2O (13), konstantem Wasserdruck Pin H2O (12), konstanter Wassermenge Qin H2O (18) oder konstanter Wassergeschwindigkeit in m/s (19) und konstanter Kupferplattendicke 7.1 über die Gießgeschwindigkeit (8) dargestellt, Teilbild c, die erfinderische Lösung gegenüber Fig. 2b vergleichend und beispielhaft über die Gießgeschwindigkeit (8) dargestellt, - Figur 3
- den Zusammenhang zwischen der Kokillenhauttemperatur (9) und/oder (10) in Abhängigkeit von der Einlauftemperatur des Kokillenkühlwasser (13) bei konstantem Qin H2O (18), Pin H2O (12), Kupferdicke 7.1 für die Gießgeschwindigkeiten vc 1 < vc 2, und
- Figur 4
- einen Kokillenkühlwasserkreislauf (21) mit angeschlossenem Wärmetauscher (22).
In Fig. 1 wird schematisch der Schnitt durch eine Kokille 23 für eine Gießgeschwindigkeit
8 durch vc 1 (Teilbild a) und vc 2 (Teilbild b) dargestellt. Zwischen der
Brammenmitte 2 parallel zur Strangbreite strömt aus einem Tauchausguß 2.1 der
Stahl und führt seine Energie 1 entlang eines Wärmepotentialgefälles 1.2 in das
Kokillenkühlwasser 3 durch die Medien flüssiger Stahl 4, Strangschale 5, Schlak-kenfilm
6 und Kupferplatte 7. Mit steigender Gießgeschwindigkeit 8.2 sinkt die
Schlackenfilmdicke 6.1 sowie die Strangschalendicke 5.1 und steigt die Kupferplattenhauttemperatur
9, 10 sowie die Kokillenbelastung 1.1, ausgedrückt als
MW/m2.
Die Teilbilder a und b lassen erkennen, daß die Kokillenbelastung mit steigender
Gießgeschwindigkeit vc 2 8.2 > vc 1 8.1, ausgedrückt als Kokillenhauttemperatur 9,
10 sowie als MW/m2, ansteigt.
Das Teilbild a der Fig. 2 stellt in Abhängigkeit von der Gießgeschwindigkeit 8 die
dünner werdende Schlackenfilmdicke 6.1 in mm sowie die ansteigende Kokillenbelastung
1.1 in MW/m2 dar.
Das Teilbild b stellt für eine konstante Wassereinlauftemperatur Tin H2O 13, einen
konstanten Wasserdruck Pin H2O 12, der den Siedepunkt von Wasser bestimmt,
eine konstante Kühlwassermenge QH2O • in l/min 18 bzw. die konstante Wassergeschwindigkeit
in m/sec 19, eine konstante Kupferplattendicke 7.1 und die Kupferplattenhauttemperaturen
9, 10 sowohl auf der Stahlseite als auch auf der Wasserseite
über die Gießgeschwindigkeit 8 dar.
Das Bild macht deutlich, daß mit steigender Gießgeschwindigkeit die Temperaturen
der Kupferplatten 9, 10 ansteigen und gleichzeitig der Abstand zur Rekristallisationstemperatur
14 des kaltgewalzten Kupfers und damit die Standzeit der
Kupferplatten abnimmt.
Aus Teilbild c von Figur 2 wird die erfinderische Lösung in ihrer physikalischen
Wirkung ersichtlich. Bei konstantem Wasserdruck Pin H2O 12, konstanter Wassermenge
QH2O • 18 und Kupferplattendicke 7.1 wird mit Senkung der Wassereinlauf-temperaturen
12 bei steigender Gießgeschwindigkeit 8 die Kupferplattenhauttemperatur
9, 10 konstant gehalten, und es stellt sich eine konstante und verbesserte
Standzeit der Kupferplatten 15 ein.
In Figur 3 ist die Kupferplattenhauttemperatur auf der Wasserseite 10 oder Stahlseite
9 über die Wassereinlauftemperatur 13 für die Gießgeschwindigkeit vc 1 8.1 <
vc 2 8.2 bei konstantem Wasserdruck Pin H2O 12, konstanter Wassermenge QH2O •
18 und Kupferplattendicke 7.1 aufgetragen. Das Bild macht deutlich, daß die
Hauttemperatur 9, 10 bei steigenden Gießgeschwindigkeiten von vc 1 8.1 auf vc 2
8.2 mit sinkender Wassertemperatur 13 konstant gehalten werden kann.
Die Figur 4 gibt einen Kokillenwasserkühlkreislauf 21 wieder, der durch die erfinderische
Lösung eines regelbaren Wärmetauschers 22, der im Sinne der Figuren
2c und 3 gefahren wird, eine Kontrolle der Kokillenhauttemperaturen 9, 10 ermöglicht.
Der regelbare Wärmetauscher zur Kontrolle der Kokillenwassereinlauftemperatur
13 stellt den Prozeßparameter dar, der in Funktion von der Gießgeschwindigkeit
20 eine konstante Kokillenhauttemperatur stahlseitig 9 sicherstellt. Die Figur
zeigt darüber hinaus die Plattenkokille 23 für die Erzeugung von Brammen mit
der Anbindung des Kokillenwasserkreislaufs 21, bestehend aus Kokillenpumpe
24.1 und einem Wasserdruck-Blasenspeicher 24.2 zur Regelung der Wassermenge
18 und des Wasserdrucks 12 in üblicher Bauweise.
Der erfindungswesentliche Gedanke stellt sich in der Auslegung des Wärmetauschers
22 und Einbringung in den Kokillenkühlwasserkreislauf 21 als Regelgröße
für die Kokillenwassereinlauftemperatur 13 dar. Zur Regelung der Kokillenwassertemperatur
13 dient der Regelbereich 22.1 des Wärmetauschers 22 sowie die
Kühlleistung z.B. eines offenen Kühlturmes 25, der eine Kontrolle der Wassertemperatur
25.1 sowie der Kühlwassermenge 25.2 zuläßt.
Weiter ist dargestellt, daß der Wärmetauscher 22 einen großen Kühlwassereinlaufbereich
von ca. 10 bis 45 °C abdeckt und die Einlauftemperatur über einen
Regelkreis mit der Kokille verknüpft ist.
Es ist auch möglich, den Wärmetauscher bis 10 °C als minimale Wassereinlauftemperatur
zu betreiben, wenn z.B. ein natürliches Wasserreservoir mit Jahres-durchschnittstemperaturen
von bspw. 7 °C vorhanden ist. In diesem Fall muß allerdings
darauf geachtet werden, daß vor dem Angießen kein Kondenswasser an
den Kupferwänden der Kokille entsteht. Dies kann durch Strahler oder auch Vorwärmung
des Kokillenkühlwassers bis zum Gießstart vermieden werden.
Es wird erreicht, daß die Kokillenkühlwassereinlauftemperatur 13 entsprechend
der Gießgeschwindigkeit 8 und der gewünschten Kupferplattentemperatur 8, 9
geregelt wird (siehe Funktionen Kupferhauttemperatur = f(vc);Figur 2c und Kupferhauttemperatur
= f(TinH2O), Figur 3.
Dies führt insgesamt zu einer stabilen und kontrollierten Wärmeabfuhr in der Kokille
mit gleichzeitig einer optimalen und kontrollierten Strangschalenbelastung und
Kokillenbelastung auch bei unterschiedlichen Gießgeschwindigkeiten zwischen 2
bis 12 m/min. Hierdurch wird eine fehlerfreie Strangoberfläche, eine maximale Ko-killenstandzeit
und die sichere Darstellung von Gießgeschwindigkeiten von maximal
15 m/min, vorzugsweise 12 m/min ermöglicht.
Claims (12)
- Verfahren zum Stranggießen von Stahl mittels einer gekühlten, Platten bestimmter Dicke aufweisenden Kupferkokille,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kokillenkühlwassereinlauftemperatur geregelt und mit steigender Gießgeschwindigkeit abgesenkt wird. - Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kokillenwasserdruck und/oder die Kokillenwassermenge und/oder die Kokillenwassergeschwindigkeit geregelt wird bzw. geregelt werden. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kokille oszilliert wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die aus vier Kupferplatten bestehende Kokille (23) vorzugsweise zum Gießen von Brammen, Medium- und Dünnbrammen genutzt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei konstantem Wasserdruck, konstanter Wassermenge, konstanter Wassergeschwindigkeit und konstanter Kupferplattendicke die Kühlwassereinlauftemperatur mit steigender Gießgeschwindigkeit funktional abgesenkt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei konstanter Kupferplattendicke der Wasserdruck, die Wassermenge bzw. die Wassergeschwindigkeit sowie die Kühlwassereinlauftemperatur mit sich ändernder Gießgeschwindigkeit funktional über einen Regelkreis angepaßt werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, .
daß bei sich ändernder Gießgeschwindigkeit die Kupferplattenhauttemperatur (9,10) auf der Basis einer Steuerung oder Regelung über die Änderung der Kokillenwassertemperatur konstant gehalten wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kokillenkühlwassertemperatur durch wenigstens einen in das Regelkonzept eingebundenen Wärmetauscher oder eine Mischvorrichtung geregelt wird. - Vorrichtung zum Stranggießen von Stahl mittels einer gekühlten, Platten bestimmter Dicke aufweisenden Kupferkokille (23), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kokillenplatten (7) aus Kupfer mit einer Dicke von 40 bis 5 mm bestehen, der Kokillenwasserdruck (12) zwischen 5 und 30 bar regelbar ist, die Kokillenwassergeschwindigkeit (18) zwischen 5 bis 15 m/sec regelbar ist, und daß die Kokillenkühlwassereinlauftemperatur (13) zwischen 10 und 45 °C wählbar ist. - Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kokille aus vier Kupferplatten (23) besteht und vorzugsweise zur Erzeugung von Brammen, Medium- und Dünnbrammen der Abmessungen 40 bis 300 mm Dicke und 600 bis 3.200 mm Breite einsetzbar ist. - Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlwasserversorgung bei vorgegebenem Wasserdruck (12), vorgegebener Wassermenge (18) bzw. Wassergeschwindigkeit (19) und Kupferplattendicke (7.1) die Kühlwassereinlauftemperatur (13) zur Konstanthaltung der Kupferplattentemperatur (9, 10) bei steigender Gießgeschwindigkeit (8) funktional (26, 27) von 45 °C auf mindestens 10 °C wenigstens ein Wärmetauscher, auslegbar mit einem entsprechenden Regelbereich (22.1), und ein offener oder geschlossener Wasserkühlturm (25 bzw. 25.3) ein natürliches oder anderes Wasserreservoir (25.4) zugeordnet sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Einsatz eines geschlossenen oder offenen Wasserkühlturms (25, 25.3) und/oder eines natürlichen oder anderem Wasserreservoirs (25.4) das kalte und warme Rücklaufwasser entsprechend den gewünschten Einlauftemperaturen (13) mit einer Mischvorrichtung einstellbar ist.
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