EP1445045A1 - Verfahren und Einrichtung zum Stranggiessen von flüssigen Metallen, insbesondere von flüssigen Stahlwerkstoffen - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zum Stranggiessen von flüssigen Metallen, insbesondere von flüssigen Stahlwerkstoffen Download PDF

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EP1445045A1
EP1445045A1 EP04002082A EP04002082A EP1445045A1 EP 1445045 A1 EP1445045 A1 EP 1445045A1 EP 04002082 A EP04002082 A EP 04002082A EP 04002082 A EP04002082 A EP 04002082A EP 1445045 A1 EP1445045 A1 EP 1445045A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
immersion
area
copper plates
cooling water
spout
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04002082A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erwin Dr. Wosch
Werner Dr. Rahmfeld
Lothar Parschat
Rolf-Peter Dr. Heidemann
Fritz-Peter Prof. Dr. Pleschiutschnigg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SMS Siemag AG
Original Assignee
SMS Demag AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1445045A1 publication Critical patent/EP1445045A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • 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
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/055—Cooling the moulds

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the continuous casting of liquid Metals, especially of liquid steel materials, by pouring the Pouring material into a submerged spout made of water-cooled copper plates formed and oscillating continuous casting mold down to a constant Casting level and if necessary up to a funnel end between the broadside copper plates enough and at least partially with its outer shape the inner shape of the Copper plates is approximated.
  • the continuous casting molds are designed for a constant cooling capacity in width and also in thickness, expressed in W / m 2 . This can be explained by an arrangement as cooling water channels or cooling water bores across the width and constant water speed in each cooling water channel.
  • the invention has for its object by a more uniform cooling of the Metal melt to achieve a more uniform formation of the strand shell, the Development under the premise of the thermal treatment of continuous casting mold and diving spout must stand as a unit.
  • the object is achieved according to the invention in that during the cooling in the area of the heat flow shadow of the immersion nozzle, the heat transfer coefficient ⁇ [W / m 2 • K] is partially reduced such that an isotherm lying in a horizontal height plane is one on the circumference uniform strand shell generated. This takes into account the effect of the immersion pouring in the continuous casting mold. Previous differences in cooling in the heat flow shadow and outside the heat flow shadow no longer occur. This results in a more uniform cooling of the casting metal over the circumference via the isotherm, so that a more uniform strand shell growth is achieved.
  • a further development of the concept of the invention further consists in the fact that the isotherms running in the vertically superimposed and parallel horizontal contour lines on the inner shape of the broadside copper plate each functionally on the full circumference of the inner shape by partially changing the heat transfer coefficient ⁇ [W / m 2 • K] from the beginning of the immersion spout to the middle of the immersion spout and that at the same time this isotherm is supported by a partial water cover over cooling channels at different distances.
  • the lowering of the heat transfer coefficient ⁇ takes place here in combination with the water cover and leads to the advantages mentioned.
  • Another possible variation is achieved in that the isotherm by reducing the amount of water and / or the water speed in the Copper plates of the continuous casting mold is produced opposite the immersion nozzle.
  • Another configuration as a further variation can be used in that that the isotherm is due to a section-wise change in the thickness of the copper plates and / or an applied nickel or chrome layer is generated. This Measure is both on the constructive as well as on an economical construction the continuous casting mold directed.
  • the design options are directed towards a variant that is alternative or additionally the isotherm by expanding a funnel with the funnel provided thin slab or thick slab continuous casting mold in the area of influence of the diving spout is generated or supported.
  • This variant is also one under constructive or economic considerations possibility of a correspondingly higher copper use.
  • the device achieves the object of the invention by designing the cooling water channels or cooling water bores in the broadside copper plates over the length of the area of influence of the immersion spout for such a reduced cooling water speed by means of changed flow channel cross sections and / or for partial water coverage that the heat transfer coefficient ⁇ [ W / m 2 • K] in the area of the immersion pouring shadow is smaller than in the area outside the shadow.
  • This takes into account the effect of the immersion spout. This can compensate for the isolating effect of the immersion nozzle.
  • the resultant compared to the broadside copper plates and the immersion spout The area of influence in the mold plate is limited by the fact that the cooling water channels or the cooling water holes in the area of influence of the immersion spout reduced in cross-section by means of inserts or conical rods becomes.
  • the lateral transitions of the area of influence of the immersion spout can low and graded.
  • cooling water channels or the cooling water holes in the Area of influence of the immersion spout in the sense of a partially reduced water cover are executed. This consists of increasing the distances between the Cooling water channels or the cooling water holes and / or a reduction the flow cross-sectional areas (F).
  • this measure can still go so far be designed so that the broadside copper plates on the hot side with a Nickel or chrome layer is provided.
  • the heat transfer coefficient ⁇ can also be achieved by another alternative or additional measure be lowered that the broadside copper plates in the area of influence of the immersion spout with a given funnel with an expansion of the funnel are provided.
  • the 1 is an example of a continuous casting mold of any casting cross section Unit from a diving spout 1 with a thin slab casting mold 2, the consist of two broad-side copper plates 2a and two narrow-side copper plates 2b, intended.
  • the copper plates 2a either have slot-shaped cooling water channels 3 or round cooling water holes 4.
  • the diving spout 1 is up to immersed under a casting level 5 which is constantly regulated during the casting. In the event that the continuous casting mold 2 has a funnel 6 with a funnel end 6a, the immersion spout 1 extends to the corresponding depth.
  • the liquid Steel material 7 flows through the lateral openings 8 in the arrow directions 9 in the side rooms 10 and around the outer shape 1 a of the immersion spout 1 also in between the outer shape 1a and the broadside copper plate 2a remaining space 11.
  • On the mold level 5 is a by pouring mold powder Slag layer 13 formed to protect against oxidation (Fig. 2).
  • the copper plates 2a and 2b are formed by inflow at the entrance 14a and at the exit 14b flowing cooling water formed, its direction of flow (entrance 14b and exit 14a) can also be reversed.
  • Fig. 3 the position of the immersion spout 1 of seen the side showing the openings 8.
  • the copper plates 2a form the funnel 6, in which the diving spout 1 is set at an unchangeable height.
  • the Cooling in the cooling water channels 3 causes a steadily progressing solidification of the casting material from the outside, which initially becomes a uniform thickness Strand shell 15 leads.
  • the recooling of the heated cooling water, the quantities and speeds are in that receiving the copper plates 2a Water box 19 carried out or set.
  • 3A and 3C are the cooling water channels 3 as cooling water slots and as cooling water bores 4.
  • Fig. 3B the media are shown, the heat flow at different Resistance must penetrate.
  • the liquid steel material 7 (St) the steel in the immersion spout 1 (St / C), the slag lubrication film (SL), and the copper plate 2 is taken into account.
  • the invention then acts in such a way that an isotherm running in the vertical contour lines 18, which are presupposed vertically one above the other and in parallel, on the inner mold 2c extends over the entire circumference 20 of the inner mold 2c due to the partial change in the heat transfer coefficient ⁇ [W / m 2 • K] Beginning of the immersion pouring influence (the outer regions) up to the middle 1b is generated, at the same time this isotherm by a partial water covering 17 (see FIGS. 4 and 5) via cooling channels 3; 4 is supported.
  • FIG. 5 shows an additional measure, on the basis of which this isotherm by partial water cover 17 over differently spaced Cooling channels 3; 4 is supported.
  • the water cover 17 is again arithmetically determined by equating the ⁇ values for the immersion pouring material, the Copper plate 2, the slag SL on the one hand with the values of the immersion spout 1, the ceramic, the casting material 7, the slag SL and the copper plate Cu.
  • the cooling slots is approx. - 0.034. Consequently are (Fig. 5) in the shadow area of the immersion spout 1 fewer cooling water slots to be arranged at a greater distance.
  • FIG. 6 Another alternative (Fig. 6) provides that the isotherm is separated by a section changed thickness 2d of the copper plate 2a is generated.
  • the ⁇ values for the casting material steel (St), the slag (SL) and for copper (Cu) equated to the ⁇ values for the pouring material (St / C), the pouring ceramic (Ref), the casting material steel (St), the slag (SL) and the copper plate (Cu). From this, a theoretical copper thickness is calculated in the shadow area of the Immersion spout of - 725 mm as resistance to the strand shell in the shadow area not too hypothermic.
  • the effects of cooling without (left half) and with (right half) the lowering of the heat transfer coefficient ⁇ can be seen.
  • the cooling capacities KW are the same with regard to the same design of the cooling water slots 3 or the cooling water bores 4.
  • the cooling water channels 3 that are outside the immersion spout influence with the inserts 24 (FIG. 12) or with the conical rods 22 and work with a heat transfer coefficient ⁇ 1. The same applies to the Cooling water holes 4 with the conical rods 22nd

Abstract

Ein Verfahren zum Stranggießen von flüssigen Metallen, insbesondere von flüssigen Stahlwerkstoffen (7) durch Eingießen in einen Tauchausguss (1), der in der Stranggießkokille (2) bis unter einen Gießspiegel (5) und ggfs. bis zu einem Trichterende (6a) zwischen den Breitseitenplatten (2a) reicht, strebt an, durch eine gleichmäßigere Kühlung der Metallschmelze eine gleichmäßigere Bildung der Strangschale zu erzielen, wobei die Entwicklung unter der Prämisse der thermischen Behandlung von Stranggießkokille und Tauchausguss als Einheit steht und schlägt als Lösung vor, dass während der Abkühlung in dem Bereich des Wärmestrom-Schattens des Tauchausgusses (1) die Wärmeübergangszahl α[W/m<2>•K] derart abgesenkt wird, dass eine jeweils in einer horizontalen Höhenebene liegende Isotherme eine auf dem Umfang (20) gleichmäßige Strangschale (15) erzeugt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Stranggießen von flüssigen Metallen, insbesondere von flüssigen Stahlwerkstoffen, durch Eingießen des Gießwerkstoffs in einen Tauchausguss, der in einer aus wassergekühlten Kupferplatten gebildeten und oszillierenden Stranggießkokille bis unter einen konstanten Gießspiegel und ggfs. bis zu einem Trichterende zwischen den Breitseiten-Kupferplatten reicht und zumindest teilweise mit seiner Außenform der Innenform der Kupferplatten angenähert ist.
Die Anordnung eines solchen Tauchausgusses beeinflusst in erheblichem Maß die Qualität des sich in der Stranggießkokille bildenden Gießstranges. Ein damit verbundener Nachteil sind die Abmessungen, die wegen der Haltbarkeit für eine hohe Anzahl von Schmelzen oder seine Standfestigkeit bei Dauerbetrieb erforderliche dicke Wandungen voraussetzen. Diese Wandungen stellen einen Isolator für die Abführung der Wärme in die Kokillenplatten dar. Außerdem betragen die Zwischenräume zwischen der Tauchausguss-Wandung und der Kokillenplatte nur noch ca. 25 mm. Die Folge der Isolierung ist eine ungleichmäßige Wärmeabfuhr im Einflussbereich des Tauchausgusses, im Vergleich zu dem Bereich außerhalb des Tauchausguss-Schattens, so dass in der Mitte der Breitseiten-Kupferplatten die Strangschale schneller wächst, d.h. es wird dort mehr Energie in Form von Erstarrungswärme abgegeben, da die Überhitzungsenergie durch die Isolation des Tauchausgusses ein Defizit aufweist. Die Folgen einer solch schnellen Unterkühlung wurden bisher unterschätzt. In Extremfällen muss davon ausgegangen werden, dass der erkaltende Gießstrang im Wärmestrom-Schatten des Tauchausgusses "kalt gezogen" wird. So kann jetzt angenommen werden, dass dieses Abkühlverhalten zu unsymmetrischen, verzogenen, profilverzerrten, in der Dicke nicht gleichmäßigen Strängen und Spannungen und damit zu Längsrissen in der Strangschale sowie auch zu inneren Fehlern führt, die sich später bei der Weiterverarbeitung des Materials als große Nachteile darstellen. Wirtschaftliche Schäden in Form von Längsrissen können ferner an besonders empfindlichen Stahlsorten entstehen. So sind besonders peritektische Stahlgüten mit raum- oder flächenzentrierten Kristallgittern gefährdet. Die unterschiedliche Kühlung verursacht schließlich solche Spannungen im Gießstrang, dass die entstehenden Risse , die sogar mittels besonderen Flämm-Maschinen beseitigt werden mussten.
Normalerweise sind die Stranggießkokillen, insbesondere für dünne und dicke Brammen, für eine konstante Kühlkapazität in der Breite sowie auch in der Dicke, ausgedrückt in W / m2 , konstant ausgelegt. Dies erklärt sich über eine Anordnung als Kühlwasserkanäle oder Kühlwasserbohrungen über die Breite und konstante Wassergeschwindigkeit in jedem Kühlwasserkanal.
Das eingangs bezeichnete Verfahren ist aus der WO 02/16061 A1 bekannt. Dieses Verfahren schlägt vor, die Breite der Kühlwasserkanäle in Gießrichtung in Abhängigkeit vom Wärmestromprofil über die Kokillenhöhe vom Kokilleneingang zum Kokillenausgang zu reduzieren. Diese Maßnahme stellt zwar einen Schritt in die richtige Richtung dar, kann aber noch weiterentwickelt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine gleichmäßigere Kühlung der Metallschmelze eine gleichmäßigere Bildung der Strangschale zu erzielen, wobei die Entwicklung unter der Prämisse der thermischen Behandlung von Stranggießkokille und Tauchausguss als Einheit stehen muss.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass während der Abkühlung in dem Bereich des Wärmestrom-Schattens des Tauchausgusses die Wärmeübergangszahl α [W/m2 • K] partiell derart abgesenkt wird, dass eine jeweils in einer horizontalen Höhenebene liegende Isotherme eine auf dem Umfang gleichmäßige Strangschale erzeugt. Dadurch wird die Wirkung des Tauchausgusses in der Stranggießkokille berücksichtigt. Bisherige Unterschiede der Abkühlung im Wärmestrom-Schatten und außerhalb des Wärmestromschattens treten nicht mehr auf. Dadurch wird über die Isotherme eine gleichmäßigere Abkühlung des Gießmetalls über den Umfang erzielt, so dass ein gleichmäßigeres Strangschalenwachstum erreicht wird.
Eine Weiterentwicklung des Erfindungsgedankens besteht ferner darin, dass die in vertikal übereinander und parallel vorausgesetzten horizontalen Höhenlinien auf der Innenform der Breitseiten-Kupferplatte jeweils auf dem vollen Umfang der Innenform verlaufenden Isothermen durch partielle Änderung der Wärmeübergangszahl α [ W / m2 • K ] funktional jeweils vom Beginn des Tauchausguss-Einflusses bis zur Mitte des Tauchausgusses erzeugt wird und dass gleichzeitig diese Isotherme durch eine partielle Wasserbedeckung über unterschiedlich beabstandete Kühlkanäle unterstützt wird. Das Absenken der Wärmeübergangszahl α erfolgt hier in Kombination mit der Wasserbedeckung und führt zu den genannten Vorteilen.
Eine weitere Variationsmöglichkeit wird ferner dadurch erzielt, dass die Isotherme durch Reduzieren der Wassermenge und / oder der Wassergeschwindigkeit in den Kupferplatten der Stranggießkokille gegenüber dem Tauchausguss erzeugt wird.
Eine andere Ausgestaltung als weitere Variation kann dahingehend eingesetzt werden, dass die Isotherme durch eine abschnittsweise veränderte Dicke der Kupferplatten und / oder einer aufgebrachten Nickel- oder Chromschicht erzeugt wird. Diese Maßnahme ist sowohl auf die konstruktive als auch auf eine wirtschaftliche Bauweise der Stranggießkokille gerichtet.
Die Ausgestaltungsmöglichkeiten richten sich weiter auf eine Variante, dass alternativ oder zusätzlich die Isotherme durch eine Trichteraufweitung einer mit dem Trichter versehenen Dünnbrammen- oder Dickbrammen-Stranggießkokille im Einflussbereich des Tauchausgusses erzeugt oder unterstützt wird. Auch diese Variante ist eine unter konstruktiven oder wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu prüfende Möglichkeit eines entsprechend höheren Kupfereinsatzes.
Vorrichtungstechnisch löst die Einrichtung die Erfindungsaufgabe dadurch, dass in den Breitseiten-Kupferplatten auf die Länge des Einflussbereichs des Tauchausgusses die Kühlwasserkanäle oder Kühlwasserbohrungen auf eine derart abgesenkte Kühlwassergeschwindigkeit mittels veränderten Strömungskanal-Querschnitten und / oder auf eine partielle Wasserbedeckung ausgelegt sind, dass die Wärmeübergangszahl α [W/m2 • K] im Bereich des Tauchausguss-Schattens kleiner als im Bereich außerhalb des Schattens ist. Dadurch wird die Wirkung des Tauchausgusses berücksichtigt. Die isolierende Wirkung des Tauchausgusses kann dadurch ausgeglichen werden.
Die sich gegenüber den Breitseiten-Kupferplatten und dem Tauchausguss ergebende Einfluss-Fläche wird in der Kokillenplatte dadurch eingegrenzt, dass die Kühlwasserkanäle oder die Kühlwasserbohrungen im Einflussbereich des Tauchausgusses mittels Einlegestücken oder konischen Stangen im Strömungsquerschnitt reduziert wird.
Dabei können die seitlichen Übergänge des Einfluss-Bereiches des Tauchausgusses niedrig und gestuft ausgeführt sein.
Eine Alternative oder eine Zusatzmaßnahme zu Wassergeschwindigkeits- Änderungen besteht darin, dass die Kühlwasserkanäle oder die Kühlwasserbohrungen im Einflussbereich des Tauchausgusses im Sinn einer partiell verminderten Wasserbedeckung ausgeführt sind. Diese besteht aus einer Vergrößerung der Abstände der Kühlwasserkanäle oder der Kühlwasserbohrungen und / oder einer Verkleinerung der Strömungsquerschnittsflächen (F).
Eine andere Alternative oder Zusatzmaßnahme ist ferner dadurch gegeben, dass die Dicke der Breitseiten-Kupferplatten im Einflussbereich des Tauchausgusses partiell vergrößert ausgeführt ist.
Diese Maßnahme kann, um sehr hohen Kupferdicken zu entsprechen, noch dahingehend ausgeführt sein, dass die Breitseiten-Kupferplatten auf der Heißseite mit einer Nickel- oder Chromschicht versehen ist.
Die Wärmeübergangszahl α kann aber auch durch eine andere Alternative oder Zusatzmaßnahme gesenkt werden, dass die Breitseiten-Kupferplatten im Einflussbereich des Tauchausgusses bei gegebenem Trichter mit einer Aufweitung des Trichters versehen sind.
Zur Erläuterung des Verfahrens ist eine Zeichnung beigefügt, die die vorausgesetzten Anlagenteile, Vorrichtungen u. dgl. darstellt.
Es zeigen:
Fig. 1
einen horizontalen Schnitt durch eine symmetrische Hälfte einer Stranggießkokille mit Tauchausguss als Einheit,
Fig. 2
den zu Fig. 1 gehörenden vertikalen Mittenschnitt durch die Stranggießkokille mit dem Tauchausguss,
Fig. 3A
einen Teil-Querschnitt durch die Kupferplatte mit Kühlwasserkanälen,
Fig. 3B
einen vertikalen Teilschnitt durch den Gießspiegelbereich mit den einzelnen Medien-Längen (-Dicken),
Fig. 3C
eine alternative Ausführungsform der Kühlwasserkanäle als Kühlwasserbohrungen,
Fig. 4
einen Bereich der anzupassenden Wärmeübergangszahl α als Funktion der Wassergeschwindigkeit,
Fig. 5
eine an den Strömungs-Schattenbereich des Tauchausgusses angepasste Wasserbedeckung,
Fig. 6
eine an den Schattenbereich des Tauchausgusses angepasste Kupferplattendicke,
Fig. 7
einen horizontalen Halbschnitt durch eine Trichteraufweitung in der Stranggießkokille,
Fig. 8
ein Wärme-Übergangs-Diagramm zwischen der Kupferplatte und Kühlwasser,
Fig. 9
einen senkrechten Schnitt mit Blickrichtung auf die Heißseite einer Breitseiten-Kupferplatte mit einem Horizontalschnitt des Gießstrangs im Zustand am Kokillenausgang,
Fig. 10
die Ansicht auf die Breitseiten-Kupferplatte in der Ebene der Kühlwasserkanäle oder Kühlwasserbohrungen,
Fig. 10A
einen senkrechten Schnitt durch die Breitseiten-Kupferplatte der Fig. 10 im Einflussbereich des Tauchausgusses und außerhalb,
Fig. 11
einen horizontalen Schnitt A-A durch die Breitseiten-Kupferplatte im Einflussbereich des Tauchausgusses und
Fig. 12
einen horizontalen Schnitt B-B durch die Breitseiten-Kupferplatte außerhalb des Einflussbereichs des Tauchausgusses.
Als Beispiel für eine Stranggießkokille beliebigen Gießquerschnitts ist in Fig. 1 eine Einheit aus einem Tauchausguss 1 mit einer Dünnbrammen-Stranggießkokille 2, die aus zwei Breitseiten-Kupferplatten 2a und zwei Schmalseiten-Kupferplatten 2b bestehen, vorgesehen. Die Kupferplatten 2a weisen entweder schlitzförmige Kühlwasserkanäle 3 oder runde Kühlwasserbohrungen 4 auf. Der Tauchausguss 1 ist bis unter einen während des Gießens konstant geregelten Gießspiegel 5 eingetaucht. Für den Fall, dass die Stranggießkokille 2 einen Trichter 6 mit einem Trichter-Ende 6a aufweist, reicht der Tauchausguss 1 in die entsprechende Tiefe. Der flüssige Stahlwerkstoff 7 strömt durch die seitlichen Öffnungen 8 in den Pfeilrichtungen 9 in die Seitenräume 10 und um die Außenform 1 a des Tauchausgusses 1 herum auch in den zwischen der Außenform 1a und der Breitseiten-Kupferplatte 2a verbleibenden Zwischenraum 11. Auf dem Gießspiegel 5 wird durch Aufgeben von Gießpulver eine Schlackenschicht 13 zum Schutz gegen Oxidation gebildet ( Fig. 2). Die Kupferplatten 2a und 2b werden durch am Eingang 14a einfließendes und am Ausgang 14b abfließendes Kühlwasser gebildet, dessen Fließrichtung ( Eingang 14b und Ausgang 14a) auch umgekehrt werden kann. In Fig. 3 ist die Lage des Tauchausgusses 1 von der Seite gesehen, die die Öffnungen 8 zeigt. Die Kupferplatten 2a bilden den Trichter 6, in den der Tauchausguss 1 auf einer unveränderbaren Höhe eingestellt ist. Die Abkühlung in den Kühlwasserkanälen 3 bewirkt eine stetig fortschreitende Erstarrung des Gießwerkstoffes von außen her, die zunächst zu einer gleichmäßig dicken Strangschale 15 führt. Die partielle Änderung der Wärmeübergangszahl α und ggfs. die veränderte Wassergeschwindigkeit 16 zusammen mit der partiellen Wasserbedeckung 17 durch das am Eingang 14a einfließende und am Ausgang 14b abfließende Kühlwasser bewirken auf den verschiedenen Höhenlinien 18 auf dem vollen Umfang 20 der Innenform 2c eine zum Wärmestrom-Schatten des Tauausgusses 1 angepasste Wärmeabfuhr. Die Rückkühlung des erwärmten Kühlwassers, die Mengen und Geschwindigkeiten werden in dem die Kupferplatten 2a aufnehmenden Wasserkasten 19 durchgeführt bzw. eingestellt. In den Fig. 3A und 3C sind die Kühlwasserkanäle 3 als Kühlwasserschlitze und als Kühlwasser-Bohrungen 4 dargestellt.
In Fig. 3B sind die Medien dargestellt, die die Wärmeströmung bei jeweils unterschiedlichen Widerständen durchdringen müssen. Hierbei werden (von rechts nach links gesehen) der flüssige Stahlwerkstoff 7 (St), der Stahl im Tauchausguss 1 (St/C), der Schlackenschmierfilm (SL), und die Kupferplatte 2 berücksichtigt.
Die Erfindung wirkt sodann derart, dass eine in vertikal übereinander und parallel vorausgesetzte horizontale Höhenlinien 18 auf der Innenform 2c jeweils auf den vollen Umfang 20 der Innenform 2c verlaufende Isotherme durch die partielle Änderung der Wärmeübergangszahl α [W/m2 • K] funktional jeweils vom Beginn des Tauchausguss-Einflusses ( den äußeren Bereichen) bis zur Mitte 1b erzeugt wird, wobei gleichzeitig diese Isotherme durch eine partielle Wasserbedeckung 17 ( vgl. die Fig. 4 und 5) über unterschiedlich beabstandete Kühlkanäle 3; 4 unterstützt wird.
Die Erfindung beruht auf einer Analogie zum Ohm'schen Gesetz aus der Elektrotechnik, in der die Spannung U = Widerstand R • der Stromstärke J ist. Dabei wird metallurgisch die Summe aller Teilwiderstände in mehreren Stoffen mit unterschiedlichen spezifischen Leitfähigkeiten λ [W / m • K] ermittelt. Der Gesamtwiderstand ergibt sich zu R i = (l/λ • F ), mit l = Länge [m] und F = Fläche [ m2 ], wobei der Medienwiderstand R i mit den in der Bezugszeichenliste angegebenen natürlichen Leitfähigkeitwerten λ berechnet wird.
Die angewendete Grundgleichung setzt l/λ gleich, einerseits für
  • Stahl (einer Dünnbramme) (St)
  • der Schlacke (SL)
  • dem Kupfer (Cu)
  • dem Kühlwasser und andererseits mit
  • Stahl im Tauchausguss (St/C)
  • der Keramik (Ref)
  • dem Stahl im Verfahren (St)
  • der Schlacke (SL)
  • dem Kupfer (Cu)
  • und dem Kühlwasser.
Die sich daraus errechnete Isotherme gilt für eine Änderung der Wärmeübergangszahl α bzw. einer anzusetzenden Wassergeschwindigkeit, und führt bspw. zu einem Wert α Wasser = 1/ -1,5 = - 0,666, d.h. es findet eine Absenkung auf ein α von ca. 2/3 anstelle 1,000 statt.
Nach einer alternativen Lösung kann eine solche in einer Höhenebene verlaufende Isotherme ergänzend durch Reduzieren der Kühlwassermenge und / oder der Kühlwasser-Geschwindigkeit 16 in den Kupferplatten 2a der Stranggießkokille 2 in dem Zwischenraum 11 gegenüber dem Tauchausguss 1 erzeugt werden (Fig. 4). Nach der vorstehend schon beschriebenen Berechnungsmethode wird die Wärmeübergangszahl α auf den Wert - 0,666 von 1,000 gesenkt.
In Fig. 5 ist dazu noch eine Zusatzmaßnahme gezeigt, aufgrund deren diese Isotherme durch partielle Wasserbedeckung 17 über unterschiedlich beabstandete Kühlkanäle 3; 4 unterstützt wird. Die Wasserbedeckung 17 wird rechnerisch wiederum ermittelt durch Gleichsetzung der λ -Werte für den Tauchausguss-Werkstoff, die Kupferplatte 2, der Schlacke SL einerseits mit den Werten des Tauchausgusses 1, der Keramik, des Gießwerkstoffes 7, der Schlacke SL und der Kupferplatte Cu. Damit beträgt die Wasserbedeckung durch Änderung der Kühlschlitze ca. - 0,034. Somit sind (Fig. 5) im Schattenbereich des Tauchausgusses 1 weniger Kühlwasserschlitze mit größerem Abstand anzuordnen.
Eine weitere Alternative (Fig. 6) sieht vor, dass die Isotherme durch eine abschnittsweise veränderte Dicke 2d der Kupferplatte 2a erzeugt wird. Dazu werden wiederum die λ - Werte für den Gießwerkstoff Stahl (St), die Schlacke (SL) und für Kupfer (Cu) gleichgesetzt den λ - Werten für den Ausgusswerkstoff (St/C), der Ausguss-Keramik (Ref), dem Gießwerkstoff Stahl (St), der Schlacke (SL) und der Kupferplatte (Cu). Daraus errechnet sich eine theoretische Kupferdicke im Schattenbereich des Tauchausgusses von - 725 mm als Widerstand, um die Strangschale im Schattenbereich nicht zu unterkühlen.
Eine weitere Alternative für eine geringere Wärmeabfuhr im Schattenbereich des Tauchausgusses 1 gegenüber Bereichen der Kupferplatten 2 ergibt sich durch die Gestaltung gemäß Fig. 7. Danach ist vorgesehen, dass alternativ oder zusätzlich die Isotherme durch eine Trichteraufweitung 21 einer mit dem Trichter 6 versehenen Dünnbrammen- oder Dickbrammen-Stranggießkokille 2 im Einflussbereich des Tauchausgusses 1 erzeugt oder dadurch unterstützt wird. Die Berechnung erfolgt ebenfalls durch den vorgegebenen Berechnungsansatz mit den λ - Werten für Stahl (St) , Schlacke (SL) und Kupferplatte (Cu) einerseits, die den λ - Werten für Stahl im Tauchausguss (St/C), der Keramik (Ref), dem Gießwerkstoff (St), der Schlacke (SL) und der Kupferplatte (Cu) gleichgesetzt werden. Aus der Gleichung errechnet sich l = - 100 mm, so dass der Zwischenraum 11 auf beiden Seiten des Tauchausgusses 1 auf ca. 50 mm aufgeweitet wird.
Aus Fig. 8 ist der Wärme-Übergang von der Kupferplatte 2a; 2b auf das Kühlwasser dargestellt. Das Diagramm zeigt, dass mit zunehmender Kühlwasser-Geschwindigkeit 16 die Wärmeübergangszahl α [W / m2 • K] ansteigt. Der Wasser-Standard WS liegt bei 46 , αS = normiert als "1". Bei Wasser im Zentrum des Tauchausguss-Schattens mit αZ = 0,66 • αS ergibt sich eine Kühl-Wasser-Geschwindigkeit von ca. 7 m/sec, die außerhalb des Einfluss-Bereichs des Tauchausgusses 1 auf 12 m / sec ansteigt.
Gemäß Fig. 9 sind die Wirkungen der Kühlung ohne (linke Hälfte) und mit (rechte Hälfte) der Absenkung der Wärmeübergangszahl α ersichtlich. Im allgemeinen sind in den Breitseiten-Kupferplatten 2a die Kühlungskapazitäten KW gleich im Hinblick auf gleiche Ausführung der Kühlwasserschlitze 3 oder der Kühlwasserbohrungen 4. Ohne die erfindungsgemäßen Kühlungsmaßnahmen ergibt sich jeweils außen eine Strangoberflächentemperatur SN1 und eine gleiche Strangoberflächentemperatur SN2, die beide einen Wert α = 1 aufweisen. Ebenso liegen die Strangoberflächentemperaturen T N1 und T N2 bei α = 1 außerhalb des Tauchausguss-Schattens. Jedoch liegen die Strangschalendicke SZ1 und die Strangschalentemperatur T Z1 links bei α = 1 und die Strangschalendicke S Z2 und die Strangschalentemperatur T Z2 bei α < 1. Dementsprechend wird die Strangschalenerstarrung im Einflussbereich des Tauchausgusses 1 auch gleichmäßig.
Somit ergeben sich folgende Ergebnisse:
  • a) Die Strangoberflächentemperatur T N1 > T Z1 außerhalb des Tauchausguss-Schattens.
  • b) Die Strangschalentemperatur T Z2 ist gleich der Strangoberflächentemperatur
  • c) T N2 außerhalb des Tauchausguss-Schattens.
  • c) Die Strangoberflächentemperatur S N1 (außerhalb des Tauchausguss-Einflusses) ist kleiner als Strangschalendicke S Z1 (innerhalb des Tauchausguss-Einflusses).
  • d) Die Strangschalendicke S Z2 ( innerhalb des Einflusses des Tauchausgusses ) ist gleich der Strangoberflächentemperatur S N1 ( außerhalb des Einflusses des Tauchausgusses).
  • e) Die Kühlkapazität KW N ist bei α = 1 gleich der Kühlkapazität KW Z .
  • f) Die Kühlkapazität KW Z ist bei α = 0, 66 kleiner der Kühlkapazität KW N .
    • In Fig. 10 in Verbindung mit den Fig. 10A, 11 und 12 werden die vorrichtungstechnischen Maßnahmen deutlich. Gemäß Fig. 10A sind Einlegestücke 23 und 24 zur Änderung der Strömungsgeschwindigkeit in die Kühlwasserkanäle 3 eingefügt. Entsprechende konische Stangen 22 befinden sich in den Kühlwasserbohrungen 4. In Fig. 10A sind die im Einflussbereich des Tauchausgusses 1 befindlichen Kühlwasserkanäle 3 für Kühlwassergeschwindigkeiten 16 ausgelegt bei einem α = 0,66.
    Die außerhalb des Tauchausguss-Einflusses befindlichen Kühlwasserkanäle 3 sind mit den Einlegestücken 24 versehen ( Fig. 12) oder mit den konischen Stangen 22 und arbeiten bei einer Wärmeübergangszahl α = 1. Entsprechendes gilt für die Kühlwasserbohrungen 4 mit den konischen Stangen 22.
    Der hier wesentliche Bereich des Einflusses des Tauchausgusses 1 ( Fig. 11) zeigt einen stufenförmigen Anstieg von Einlegestücken 23 bis zum Bereich außerhalb des Tauchausguss-Einflusses mit den Einlegestücken 24 und mit Werten für α = 0, 66 bis α = 1,0.
    Bezugszeichenliste
    1
    Tauchausguss
    1a
    Außenform
    1b
    Mitte
    2
    (Dünnbrammen-) Stranggießkokille
    2a
    Breitseiten-Kupferplatte
    2b
    Schmalseiten-Kupferplatte
    2c
    Innenform
    2d
    veränderte Dicke
    3
    schlitzförmiger Kühlwasserkanal
    4
    Kühlwasserbohrung
    5
    Gießspiegel
    6
    Trichter
    6a
    Trichter-Ende
    7
    (flüssiger) Stahlwerkstoff
    8
    seitliche Öffnung
    9
    (Strömungs- oder) Pfeilrichtung
    10
    Seitenraum
    11
    Zwischenraum
    12
    Schlackeschmierfilm
    13
    Schlackeschicht
    14a
    Eingang
    14b
    Ausgang
    15
    Strangschale
    16
    Wassergeschwindigkeit
    17
    partielle Wasserbedeckung
    18
    Höhenlinie
    19
    Wasserkasten
    20
    Umfang der Innenform
    21
    Trichteraufweitung
    1. Fortsetzung Bezugszeichenliste
    22
    konische Stange
    23
    Einlegestück
    24
    Einlegestück
    T N1
    Strangoberflächentemperatur außerhalb des Tauchausguss-Schattens bei α=1
    T N2
    Strangoberflächentemperatur außerhalb des Tauchausguss-Schattens bei α<1
    T Z1
    Strangschalentemperatur im Tauchausguss-Schatten bei α = 1
    T Z2
    Strangschalentemperatur im Tauchausguss-Schatten bei α < 1
    S N1
    Strangoberflächentemperatur außerhalb des Tauchausguss-Schattens bei α = 1
    S N2
    Strangoberflächentemperatur außerhalb des Tauchausguss-Schattens bei α = 1
    S Z1
    Strangschalendicke innerhalb des Tauchausguss-Schattens bei α = 1
    S Z2
    Strangschalendicke innerhalb des Tauchausguss-Schattens bei α < 1
    KW
    Kühlkapazität [ W / m2 ]
    α
    Wärmeübergangszahl [W/m2 • K ]
    ws
    Wasser-Standard
    αS
    Wärmeübergangszahl / Standard = 1 (normiert)
    αZ
    im Zentrum des Tauchausguss-Schattens
    wZ
    Wasser im Zentrum des Tauchausgusses
    U
    Potentialdifferenz, Stahltemperatur und Wassertemperatur
    R
    Widerstand in allen Medien
    Ri
    Widerstand im Einzel-Medium
    J
    Wärmestrom in [ W / m2 ]
    λ
    spezifische Wärmeleitfähigkeit in [ W / m • K]
    l
    Dicke der spezifischen Medien zwischen Brammenmitte und Kokillenwasserkühlung in [ mm ]
    St
    flüssiger Stahlwerkstoff
    St/C
    Stahl im Tauchausguss
    2. Fortsetzung Bezugszeichenliste
    Ref
    Keramik; Feuerfest
    SL
    Schlackenschmierfilm
    Cu
    Kupferplatte zwischen Stahlwerkstoff und Kühlwasser
    F
    Strömungsquerschnittsfläche
    λSt/C
    = 50W/m • K
    λRef
    = 10W/m • K
    λSt
    = 50W/m • K
    λSL
    = 10W/m • K
    λCu
    = 300 W/m • K

    Claims (12)

    1. Verfahren zum Stranggießen von flüssigen Metallen, insbesondere von flüssigen Stahlwerkstoffen, durch Eingießen des Gießwerkstoffs in einen Tauchausguss (1), der in einer aus wassergekühlten Kupferplatten (2a; 2b) gebildeten Stranggießkokille (2) bis unter einen konstanten Gießspiegel (5) und ggfs. bis zu einem Trichterende (6a) zwischen den Breitseiten-Kupferplatten (2a) reicht und zumindest teilweise mit seiner Außenform (1a) der Innenform (2c) der Kupferplatten (2a) angenähert ist,
      dadurch gekennzeichnet, dass während der Abkühlung in dem Bereich des Wärmestrom-Schattens des Tauchausgusses (1) die Wärmeübergangszahl α [W/m2 • K] partiell derart abgesenkt wird, dass eine jeweils in einer horizontalen Höhenebene liegende Isotherme eine auf dem Umfang (20) gleichmäßige Strangschale (15) erzeugt
    2. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass die in vertikal übereinander und parallel vorausgesetzten horizontalen Höhenlinien (18) auf der Innenform (2c) der Breitseiten-Kupferplatte (2) jeweils auf dem vollen Umfang (20) der Innenform (2b) verlaufenden Isothermen durch partielle Änderung der Wärmeübergangszahl α [W/m2 • K ] funktional jeweils vom Beginn des Tauchausguss-Einflusses bis zur Mitte (1b) des Tauchausgusses (1) erzeugt wird und dass gleichzeitig diese Isotherme durch eine partielle Wasserbedeckung (17) über unterschiedlich beabstandete Kühlkanäle (3; 4) unterstützt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Isotherme durch Reduzieren der Wassermenge und / oder der Wassergeschwindigkeit (16) in den Kupferplatten (2a) der Stranggießkokille (2) gegenüber dem Tauchausguss (1) erzeugt wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Isotherme durch eine abschnittsweise veränderte Dicke (2d) der Kupferplatten (2a) und / oder einer aufgebrachten Nickel- oder Chromschicht erzeugt wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass alternativ oder zusätzlich die Isotherme durch eine Trichteraufweitung (21) einer mit dem Trichter (6) versehenen Dünnbrammen- oder Dickbrammen-Stranggießkokille (2) im Einflussbereich des Tauchausgusses (1) erzeugt oder unterstützt wird.
    6. Einrichtung zum Stranggießen von flüssigen Metallen, insbesondere von Stahlwerkstoffen, mit einer Stranggießkokille (2) und einem unter einen konstanten Gießspiegel (5) eingestellten Tauchausguss (1), der ggfs. bis zu einem Trichterende (6a) zwischen den Breitseiten-Kupferplatten (2a) reicht und im wesentlichen mit seiner Außenform (1 a) der Innenform (2c) der Kupferplatten (2a) angenähert ist,
      dadurch gekennzeichnet, dass in den Breitseiten-Kupferplatten (2a) auf die Länge des Einflussbereichs des Tauchausgusses (1) die Kühlwasserkanäle (3) oder Kühlwasserbohrungen (4) auf eine derart abgesenkte Kühlwassergeschwindigkeit mittels veränderbaren Strömungskanalquerschnitten (F) und / oder auf eine partielle Wasserbedeckung ausgelegt sind, dass die Wärmeübergangszahl α [ W / m2 • K ] im Bereich des Tauchausguss-Schattens kleiner als im Bereich außerhalb des Schattens ist.
    7. Einrichtung nach Anspruch 6,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwasserkanäle (3) oder die Kühlwasserbohrungen (4) im Einflussbereich des Tauchausgusses (1) mittels Einlegestücken (23; 24) oder konischen Stangen (22) im Strömungsquerschnitt reduziert sind.
    8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Einlegestücke (23) im Einflussbereich des Tauchausgusses (1) niedrig und gestuft ausgeführt sind.
    9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwasserkanäle (3) oder die Kühlwasserbohrungen (4) im Einflussbereich des Tauchausgusses (1) im Sinn einer partiell verminderten Wasserbedeckung ausgeführt sind.
    10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (2d) der Breitseiten-Kupferplatten (2a) im Einflussbereich des Tauchausgusses (1) partiell vergrößert ausgeführt ist.
    11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Breitseiten-Kupferplatten (2a) auf der Heißseite mit einer Nickel- oder Chromschicht versehen ist.
    12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Breitseiten-Kupferplatten (2a) im Einflussbereich des Tauchausgusses (1) bei gegebenem Trichter (6) mit einer Aufweitung (25) des Trichters (6) versehen sind.
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