EP2576101A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von heissdampf in einer stranggiessmaschine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von heissdampf in einer stranggiessmaschine

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EP2576101A1
EP2576101A1 EP11720445.3A EP11720445A EP2576101A1 EP 2576101 A1 EP2576101 A1 EP 2576101A1 EP 11720445 A EP11720445 A EP 11720445A EP 2576101 A1 EP2576101 A1 EP 2576101A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mold
strand
steam
cooling
continuous casting
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11720445.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Chimani
Vladimir Danov
Susanne Hahn
Martin Kautz
Franz Ramstorfer
Thomas Schaden
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.)
Primetals Technologies Austria GmbH
Original Assignee
Siemens VAI Metals Technologies GmbH Austria
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens VAI Metals Technologies GmbH Austria filed Critical Siemens VAI Metals Technologies GmbH Austria
Publication of EP2576101A1 publication Critical patent/EP2576101A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/18—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters
    • F01K3/185—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters using waste heat from outside the plant

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for generating superheated steam in a
  • the invention relates to a method for producing superheated steam in a continuous casting machine, comprising
  • Evaporation chamber of the mold is evaporated by means of nucleate boiling to saturated steam;
  • Circular process is formed, in particular that the cooling medium after the relaxation, and optionally a subsequent condensation, is fed back to the mold.
  • the invention relates to a device for generating superheated steam in a continuous casting machine, comprising
  • Feed pump is connected to the mold.
  • liquid steel is poured into a downwardly open mold, the so-called mold, wherein the
  • Molten metal is cooled mainly on the mold walls, so that forms a stable strand shell in the mold.
  • the at least partially solid strand becomes
  • the cooling of the molten metal in the mold is also referred to as primary cooling and the cooling of the drawn strand in the strand support means as secondary cooling. It is known to form the mold walls of copper plates, wherein the
  • Temperaturhubs not a conventional heat recovery (such as a steam turbine) are supplied. Due to the high flow rates of the cooling water through the mold, there are also high pressure losses, which results in high overall temperatures
  • Heat pipes (English, heat pipes) in the shell of a mold to integrate, so that the overall thermal conductivity of the mold is increased. Although heat pipes can be beneficial, direct use of it is inside the heat pipes
  • the melt is cooled in the mold to form a solid strand shell, wherein by cooling the
  • the saturated steam is overheated to a superheated saturated steam or a superheated steam
  • the superheated steam is expanded in a steam turbine, wherein the method for generating superheated steam is designed as a cyclic process.
  • a disadvantage of this method is that the mold - due to the high temperature of the superheated steam - is also exposed to very high temperatures, so that the mold must be made on the one hand of highly heat-resistant materials, but on the other hand the
  • the object of the invention is a method and apparatus for generating superheated steam in a
  • Cooling medium in particular an alcohol or a thermal oil, is used and the superheated steam before relaxation has a temperature of 180 to 400 ° C.
  • evaporating the organic cooling medium in at least one evaporation space for example, the space between a copper plate and the water box
  • a very good heat transfer i.e., boiling
  • Under bladder boiling (engl.
  • nucleate boiling cf. e.g. Fig. 9.2 in John H. Lienhard. The heat transfer textbook, Third edition, Phlogiston Press, 2003 or the curve range between the points A and C (partial nucleate boiling and fully developed nucleate boiling) in the "typical boiling curve" on
  • Heat flux density is. Since the evaporation of the cooling medium in the evaporation space directly, i. can be done without a DC link, the process is very simple and
  • Superheated steam also referred to as superheated saturated steam
  • the Overheat the Carnot's efficiency see, eg
  • the mold is fed again.
  • an organic cooling medium e.g. an alcohol or a thermal oil, wherein the hot steam before the relaxation has a temperature of 180 to 400 ° C. Because organic cooling media available in conventional
  • Circuit comprises at least the mold and the superheater, and the second circuit comprises at least the steam turbine and a condenser.
  • both circuits would be e.g. via at least one heat exchanger with each other
  • molten salts to be used for secondary circulation; It is advantageous, in turn, to use the organic cooling media described above for the primary circuit.
  • water could also be used as the cooling medium, wherein the superheated steam before relaxation has a temperature of 200 to 400 ° C.
  • the saturated steam is overheated by cooling the strand, wherein the saturated steam is guided in at least one line along at least one surface of the strand.
  • the saturated steam e.g. passed over partially or solidified steel slabs.
  • Vapor pressure adjusting device is set to a predetermined pressure. This measure has a favorable effect especially when starting the continuous casting.
  • the object of the invention is also by a
  • the mold is connected to at least one superheater to overheat the saturated steam and the superheater as a
  • Continuous casting machine is formed.
  • the amount of heat dissipated by the secondary cooling of the partially solidified or continuously solidified strand is also absorbed by the saturated steam.
  • High-pressure steam turbine to arrange parallel and then, ie in a serial arrangement, to arrange one or more low-pressure steam turbines.
  • at least one line in the superheater is meandering for uniform cooling of the strand
  • a condenser in a cooling section preferably in a cooling section in the outlet region of
  • the mold at least in the region of the meniscus in a direction transverse to
  • a plate made of copper or a copper alloy a plate made of copper or a copper alloy, a ribbed plate for evaporating the cooling medium and a holding plate.
  • G hasslestrang removed and the continuous casting machine compact, in particular with a smaller metallurgical length, can be formed.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a continuous casting machine with heat recovery
  • Fig. 2 is a schematic diagram of the thermodynamic
  • Fig. 3 is a schematic diagram of the thermodynamic
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a superheater which is integrated into the secondary cooling of the continuous casting machine
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a condenser which is integrated into a cooling section
  • Fig. 6 is a schematic representation of the structure of a
  • Fig. 1 shows a continuous casting machine for the production of steel ⁇ slabs, by means of the continuous casting
  • Molten steel melt introduced by means of a pan, not shown, via a distributor in a mold 2, in which the melt is cooled by means of the primary cooling 3, wherein a solid strand shell is formed. That's how it is
  • the strand support device 5 has a plurality of strand guide segments ⁇ not shown in detail, each having a plurality of both sides of the strand 12 arranged strand guide rollers 5a.
  • the initially liquid cooling medium water of about 35 ° C (point II) is heated to about 200 ° C (point III) and then evaporated in several evaporation chambers of the mold by means of nucleate boiling to saturated steam (point IV).
  • point II the initially liquid cooling medium water of about 35 ° C
  • point III point III
  • point IV nucleate boiling to saturated steam
  • a large part of the molten steel or the partially solidified strand 12 extracted heat is absorbed by the cooling medium and thus increases the entropy of the cooling medium (see Fig. 2).
  • the saturated steam is supplied via a steam line to a superheater 4, in which the saturated steam is passed over at least one meandering line over the approximately 900 ° C hot slab and thereby absorbs energy;
  • the saturated steam of about 200 ° C (point IV) is heated to about 330 ° C (point V) to superheated steam.
  • the superheated saturated steam by means of a Steam line fed to a steam turbine 7, in which the steam from point V to point VI relaxed and thereby free
  • the cooling medium is first fed to a first condenser 9 and then to a second condenser 9a in which the entropy of the cooling medium is further reduced.
  • the first capacitor 9 is part of the cooling section 10 in the outlet region of the
  • Strand 12 is cooled by means not shown spray nozzles to near room temperature (point I). At least one circulating pump 11 increases the pressure of the cooling medium, so that this again the steam generator 1, i. the primary cooling 3 of the mold 2, is supplied.
  • thermodynamic state variables assumed in the process according to FIG. 1 are again shown in FIG. 2 in an entropy-temperature diagram for the cooling medium water
  • FIG. 3 shows the thermodynamic state variables in an entropy-temperature diagram for the process according to FIG. 1 for the cooling medium methanol. Compared to Fig. 2, the cooling medium methanol, the temperature in the
  • Cooling medium water would be possible. Specifically, the cooling medium is heated in the evaporation space of the mold from about 35 ° C (point II) to a temperature of only about 100 ° C (point III), before the evaporation of methanol begins. In point IV, the methanol is then completely evaporated. In the superheater 4, the methanol is superheated to about 180 ° C (point V) before it is expanded in the steam engine 7. After relaxation in the steam engine 7 (point IV), the cooling medium
  • the invention is by no means limited to methanol; much more Other organic cooling media such as ethanol or thermal oils can also be used.
  • a superheater 4 is shown schematically.
  • the saturated steam is guided in at least one meandering line 13 at a small distance over the surface of the partially orteurerstarrten strand 12, wherein the strand is cooled further and thereby a large part of the thereby dissipated amount of heat is used to overheat the saturated steam.
  • the meandering line 13 is counter-flowed against the casting direction 15, so that while the saturated steam initially absorbs energy from a colder strand and later energy from a warmer strand.
  • a capacitor is shown schematically. At the top of the strand 12, the strand of several
  • Cooling water is used for condensation of the cooling medium within a meandering line 13.
  • the superheater shown in FIG. 4 the
  • Condenser 9 flows in the casting direction 15, so that the
  • Cooling medium is initially cooled by a warmer cooling water and later by a colder cooling water. Should the
  • Capacitors e.g. Dubbel. Paperback for Mechanical Engineering, 17th Edition, Chapter K22 "Components of the thermal energy
  • Fig. 6 the structure of a mold 2 in a direction transverse to the casting direction 15 is shown schematically, wherein the representation of the dip tube for reasons of
  • Clarity was waived. Between the steel 16, which forms a partially solidified strand in the mold, and the mold 2, there is a layer of casting powder 17 to the friction between the strand and the mold to
  • the copper plate 19 of the mold has a highly abrasion-resistant, wear-resistant layer of a ceramic 18 or a ceramic
  • Composite materials of ceramic materials in a metallic matrix (a so-called cermet material, see eg http://de.v7ikipedia.org/wiki/Cermet).
  • cermet material a so-called cermet material
  • a ribbed plate 20 having a plurality of extending in the casting direction and / or in a direction transverse to the casting direction ribs 21.
  • a holding plate 22 which is connected by means of several designed as screws fasteners with the ribbed plate.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Heissdampf in einer Stranggiessmaschine sowie die Verwendung der Vorrichtung in einer Stranggiessanlage zur Erzeugung eines Strangs aus Stahl. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Heissdampf anzugeben, mit denen bereits bei relativ niedrigen Temperaturen hohe Wärmemengen aus der Kokille abgeführt werden können und dennoch der Heissdampf einen hohen Energiegehalt aufweist, sodass dieser einer Dampfturbine zur Wärmerückgewinnung zugeführt werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem ein organisches Kühlmedium, insbesondere ein Alkohol oder ein Thermoöl, verwendet wird und der Heissdampf vor der Entspannung eine Temperatur von 180 bis 400 °C aufweist.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Heißdampf in einer Stranggießmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Heißdampf in einer
Stranggießmaschine sowie die Verwendung der Vorrichtung in einer Stranggießanlage zur Erzeugung eines Strangs aus Stahl.
Konkret betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Heißdampf in einer Stranggießmaschine, aufweisend
folgende Verfahrensschritte:
- Einbringen einer metallischen Schmelze in eine Kokille; - Abkühlen der Schmelze in der Kokille unter Ausbildung einer festen Strangschale, wobei durch das Abkühlen der Schmelze ein Kühlmedium in zumindest einem
Verdampfungsraum der Kokille mittels Blasensieden zu Sattdampf verdampft wird;
- Ausziehen eines zumindest teilerstarrten Strangs aus der
Kokille;
- Führen, Stützen und Kühlen des ausgezogenen Strangs in einer Strangstützeinrichtung;
- Überhitzen des Sattdampfs zu einem Heißdampf;
- Entspannen des Heißdampfs in einer Dampfturbine, wobei das Verfahren zur Erzeugung von Heißdampf als
Kreisprozess ausgebildet ist, insbesondere dass das Kühlmedium nach der Entspannung, und gegebenenfalls einer nachfolgenden Kondensation, wieder der Kokille zugeführt wird.
Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung von Heißdampf in einer Stranggießmaschine, aufweisend
- eine gekühlte Kokille zum Vergießen einer metallischen
Schmelze zu einem zumindest teilerstarrten Strang, wobei die Kokille mit zumindest einem Verdampfungsraum zur
Erzeugung von Sattdampf ausgebildet ist; - eine der Kokille nachgeordnete Strangstützeinrichtung zum Stützen, Führen und weiteren Kühlen des Strangs;
- einen Überhitzer zum Überhitzen des Sattdampfs zu
Heißdampf, der mit einer Dampfturbine zum Entspannen des Heißdampfs verbunden ist;
zumindest ein Kondensator, wobei die Dampfturbine mit dem Kondensator und der Kondensator über zumindest eine
Speisepumpe mit der Kokille verbunden ist. Beim Stranggießen einer metallischen Schmelze zu einem Strang wird beispielsweise flüssiger Stahl in eine nach unten offene Gießform, die sogenannte Kokille, vergossen, wobei die
Metallschmelze hauptsächlich über die Kokillenwände abgekühlt wird, sodass sich in der Kokille eine tragfähige Strangschale ausbildet. Der zumindest teilerstarrte Strang wird
anschließend aus der Kokille ausgezogen und in einer der Kokille nachgeordneten Strangstützeinrichtung geführt, gestützt und weiter gekühlt. Oftmals wird das Abkühlen der Metallschmelze in der Kokille auch als Primärkühlung und das Kühlen des ausgezogenen Strangs in der Strangstützeinrichtung als Sekundärkühlung bezeichnet. Dabei ist es bekannt, die Kokillenwände aus Kupferplatten auszubilden, wobei die
Kokillenwände auf deren Rückseite, d.h. auf der der
Metallschmelze abgewandten Seite, durch Kühlwasser gekühlt werden. Typischerweise wird die Durchflussrate des
Kühlwassers durch die Kokille so gewählt, dass das Kühlwasser um max . 10 °C erwärmt wird. Obwohl die durch das Kühlwasser abgeführte Wärmemenge mit bis zu 2 MW/m2 Kokillenoberfläche hoch ist, kann diese Wärmemenge aufgrund des geringen
Temperaturhubs nicht einer konventionelle Wärmerückgewinnung (z.B. einer Dampfturbine) zugeführt werden. Augrund der hohen Durchflussraten des Kühlwassers durch die Kokille ergeben sich zudem hohe Druckverluste, sodass insgesamt hohe
Leistungen für die Umwälzpumpen des Primärkühlkreislaufes erfordert werden.
Aus der Schrift JP 1143743 A2 ist es bekannt, mehrere
Wärmerohre (engl, heat pipes) in den Mantel einer Kokille zu integrieren, sodass die Gesamt-Wärmeleitfähigkeit der Kokille erhöht wird. Obwohl Wärmerohre vorteilhaft sein können, ist eine direkte Verwendung des im Inneren der Wärmerohre
verdampften Kühlmediums nicht möglich.
Aus der CN 2379234 Y ist es bekannt, die Verdampfungswärme eines Gießprozesses einer Wärmerückgewinnung zuzuführen; aus der Offenbarung ergeben sich jedoch keine Ansatzpunkte, wie die vorgeschlagenen Vorrichtung in einer konventionellen Stranggießmaschine (beispielsweise eine Bogen- oder
Vertikalanlage) für Eisen- oder Stahlwerkstoffe anwendbar wäre. Weiters weist der erzeugte Dampf nur über einen
geringen Energiegehalt auf.
Aus der EP 1 785 206 AI ist die Kühlung einer
Stranggießkokille bekannt,
- wobei eine metallische Schmelze in eine Kokille
eingebracht wird;
- die Schmelze in der Kokille unter Ausbildung einer festen Strangschale abkühlt wird, wobei durch das Abkühlen der
Schmelze das Kühlmedium Wasser in zumindest einem
Verdampfungsraum der Kokille mittels Blasensieden zu
Sattdampf verdampft wird;
- der Sattdampf zu einem überhitzten Sattdampf bzw. einem Heißdampf überhitzt wird; und
- der Heißdampf in einer Dampfturbine entspannt wird, wobei das Verfahren zur Erzeugung von Heißdampf als Kreisprozess ausgebildet ist. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die Kokille - bedingt durch die hohe Temperatur des Heißdampfs - ebenfalls sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist, sodass die Kokille einerseits aus hochwärmefesten Materialen gefertigt werden muss, wodurch jedoch andererseits die
Wärmeleitfähigkeit der Kokille leidet. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Heißdampf in einer
Stranggießmaschine anzugeben, mit denen bereits bei relativ niedrigen Oberflächen-Temperaturen in der Kokille hohe Wärmemengen aus der Kokille abgeführt werden können und dennoch der Heißdampf einen hohen Energiegehalt aufweist, sodass dieser einer Dampfturbine zur Wärmerückgewinnung zugeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem als Kühlmedium ein organisches
Kühlmedium, insbesondere ein Alkohol oder ein Thermoöl, verwendet wird und der Heißdampf vor der Entspannung eine Temperatur von 180 bis 400 °C aufweist.
Durch das Verdampfen des organischen Kühlmediums in zumindest einem Verdampfungsraum (beispielsweise der Raum zwischen einer Kupferplatte und dem Wasserkasten) der Kokille mittels Blasensieden zu Sattdampf wird gegenüber dem Filmsieden ein sehr guter Wärmeübergang, d.h. eine hohe Wärmeübergangszahl, zwischen der Kokille und dem Kühlmedium gewährleistet, sodass insbesondere ein Überhitzen der Kupferplatten der Kokille zuverlässig verhindert wird. Unter Blasensieden (engl.
nucleate boiling, vgl. z.B. Fig. 9.2 in John H. Lienhard. The heat transfer textbook, Third edition, Phlogiston Press, 2003 oder der Kurvenbereich zwischen den Punkten A und C (partial nucleate boiling and fully developed nucleate boiling) in der „typical boiling curve" auf
http://encyclopedia2.thefreedictionary.com/boiling wird das Sieden in einem Bereich verstanden, der zwischen der
natürlichen Konvektion und dem Punkt mit der maximalen
Wärmestromdichte liegt. Da die Verdampfung des Kühlmediums im Verdampfungsraum direkt, d.h. ohne einen Zwischenkreis, erfolgen kann, ist das Verfahren sehr einfach und
kostengünstig durchführbar.
Durch die nachfolgende Überhitzung des Sattdampfs zu
Heißdampf (auch als überhitzter Sattdampf bezeichnet) wird unmittelbar ein höheres und - zumindest für konventionelle Wärmerückgewinnungsprozesse - gut nutzbares Temperaturniveau des Kühlmediums erreicht, sodass der Heißdampf direkt einer Dampfturbine zugeführt werden kann. Außerdem wird durch das Überhitzen der Carnot'sche Wirkungsgrad (vgl. z.B.
http : //de . wikipedia . org/wiki/Carnot-Wirkungsgrad) erhöht.
Anschließend wird der Heißdampf in einer Dampfturbine
entspannt. Dampfturbinen sind für unterschiedliche Leistungen verfügbar und weisen einen hohen Wirkungsgrad auf, wobei das Verfahren als Kreisprozess ausgebildet ist, sodass
insbesondere das Kühlmedium nach der Entspannung, und
gegebenenfalls einer nachfolgenden Kondensation, wieder der Kokille zugeführt wird.
Als Kühlmedium wird ein organisches Kühlmedium, z.B. ein Alkohol oder ein Thermoöl, verwendet, wobei der Heißdampf vor der Entspannung eine Temperatur von 180 bis 400 °C aufweist. Da organische Kühlmedien in herkömmlich verfügbaren
Dampfturbinen entspannt werden können, ist es im Allgemeinen nicht erforderlich, zwei unterschiedliche Kreisläufe (ein erster Kreislauf, auch Primärkreislauf genannt, der mit dem organischen Kühlmedium betrieben wird und ein zweiter
Kreislauf, der sogenannte Sekundärkreislauf, der z.B. mit Wasser betrieben wird) vorzusehen.
Natürlich wäre es aber grundsätzlich möglich, die Kühlung auf zwei separate Kreisläufe aufzuteilen, wobei der erste
Kreislauf zumindest die Kokille und den Überhitzer umfasst, und der zweite Kreislauf zumindest die Dampfturbine und einen Kondensator umfasst. In diesem Fall wären beide Kreisläufe z.B. über zumindest einen Wärmetauscher miteinander
gekoppelt, der den ersten mit dem zweiten Kreislauf
verbindet. Bei der Ausführungsform mit zwei Kreisläufen wäre es natürlich auch möglich, anorganische Kühlmedien, z.B.
geschmolzene Salze, für den Sekundärkreislauf zu verwenden; vorteilhaft ist es, für den Primärkreislauf wiederum die oben beschriebenen organischen Kühlmedien zu verwenden.
Nach einer nicht beanspruchten Ausführungsform könnte auch Wasser als Kühlmedium verwendet werden, wobei der Heißdampf vor der Entspannung eine Temperatur von 200 bis 400 °C aufweist .
Es ist vorteilhaft, dass das der Sattdampf durch ein Kühlen des Strangs überhitzt wird, wobei der Sattdampf in zumindest einer Leitung entlang zumindest einer Oberfläche des Strangs geführt wird. Dabei wird der Sattdampf z.B. über teil- oder durcherstarrte Stahlbrammen geführt. Für die Einstellung eines definierten Dampfdrucks bzw. einer definierten Dampftemperatur im Verdampfungsraum der Kokille ist es vorteilhaft, dass der Druck des Sattdampfs im
Verdampfungsraum der Kokille mittels einer
Dampfdruckstelleinrichtung auf einen vorbestimmten Druck eingestellt wird. Diese Maßnahme wirkt sich besonders beim Anfahren der Stranggießanlage günstig aus.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Kokille mit zumindest einem Überhitzer zum Überhitzen des Sattdampfs verbunden ist und der Überhitzer als ein
Sekundärkühler oder eine Sekundärkühlstrecke der
Stranggießmaschine ausgebildet ist. Dadurch wird auch die mittels der Sekundärkühlung abgeführte Wärmemenge des teil- oder durcherstarrten Strangs vom Sattdampf aufgenommen.
Bei der Verbindung vom Überhitzer mit einer Dampfturbine zum Entspannen des Heißdampfs ist es natürlich möglich, mehrere Dampfturbinen parallel und/oder seriell anzuordnen. Eine parallele Anordnung ist vorteilhaft, um eine höhere Leistung mit mehreren kleineren Dampfturbinen zu realisieren; eine serielle Anordnung ist vorteilhaft, um das Druckniveau des Heißdampfs besser auszunützen, beispielsweise durch eine Hochdruck- und eine nachfolgenden Niederdruck-Dampfturbine. Natürlich ist es ebenfalls möglich, beispielsweise mehrere
Hochdruck-Dampfturbinen parallel anzuordnen und anschließend, d.h. in serieller Anordnung, eine oder mehrere Niederdruck- Dampfturbinen anzuordnen. Vorteilhafterweise ist wenigstens eine Leitung im Überhitzer mäanderförmig zum gleichmäßigen Kühlen des Strangs
ausgebildet .
Vorteilhafterweise ist ein Kondensator in einer Kühlstrecke, vorzugsweise in eine Kühlstrecke im Auslaufbereich der
Stranggießanlage oder in eine Kühlstrecke im Auslaufbereich einer der Stranggießmaschine nachgelagerten Walzstraße, angeordnet .
Um eine hohe Wärmeleitfähigkeit der Kokille bei einer
gleichzeitig hohen Temperaturwechselbeständigkeit der Kokille zu erreichen, ist es vorteilhaft, dass die Kokille zumindest im Bereich des Meniskus in einer Richtung quer zur
Gießrichtung eine keramische oder keramisch-metallische
Schicht, eine Platte aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, eine gerippte Platte zum Verdampfen des Kühlmediums und eine Halteplatte aufweist.
Es ist vorteilhaft, die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Stranggießanlage zur Erzeugung eines Strangs aus Stahl zu verwenden, womit sehr rasch eine hohe Wärmemenge vom
Gießstrang abgeführt und die Stranggießmaschine kompakter, insbesondere mit einer kleineren metallurgischen Länge, ausgebildet werden kann.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung nicht
einschränkender Ausführungsbeispiele, wobei auf die folgenden Figuren Bezug genommen wird, die Folgendes zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Stranggießmaschine mit Wärmerückgewinnung
Fig. 2 ein schematisches Diagramm der thermodynamischen
Zustandsgrößen der Stranggießmaschine mit Wärmerückgewinnung für das Kühlmedium Wasser Fig. 3 ein schematisches Diagramm der thermodynamischen
Zustandsgrößen der Stranggießmaschine mit Wärmerückgewinnung für das Kühlmedium Methanol
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Überhitzers, der in die Sekundärkühlung der Stranggießmaschine integriert ist Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Kondensators, der in eine Kühlstrecke integriert ist
Fig. 6 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer
Kokille
Fig. 1 zeigt eine Stranggießmaschine zur Erzeugung von Stahl¬ brammen, die mittels der aus dem Stranggießprozess
anfallenden Abwärme Heißdampf erzeugt. Dabei wird eine
Stahlschmelze mittels einer nicht dargestellten Pfanne über einen Verteiler in eine Kokille 2 eingebracht, in der die Schmelze mittels der Primärkühlung 3 abgekühlt wird, wobei sich eine feste Strangschale ausbildet. Der so sich
ausbildende teilerstarrte Strang 12 wird aus der Kokille 2 ausgezogen und in einer der Kokille 2 nachgelagerten
Strangstützeinrichtung 5 geführt, gestützt und mittels der
Sekundärkühlung weiter abgekühlt. Die Strangstützeinrichtung 5 weist mehrere nicht näher dargestellte Strangführungs¬ segmente auf, die jeweils mehrere, beidseitig des Strangs 12 angeordnete Strangführungsrollen 5a aufweisen. Mittels der Kokille 2 wird das anfangs flüssige Kühlmedium Wasser von ca. 35 °C (Punkt II) auf ca. 200 °C erwärmt (Punkt III) und anschließend in mehreren Verdampfungsräumen der Kokille mittels Blasensieden zu Sattdampf verdampft (Punkt IV) . Ein Großteil der Stahlschmelze bzw. dem teilerstarrten Strang 12 entzogene Wärme wird dazu vom Kühlmedium aufgenommen und erhöht somit die Entropie des Kühlmediums (vgl. Fig. 2) . Der Sattdampf wird über eine Dampfleitung einem Überhitzer 4 zugeführt, in welchem der Sattdampf über zumindest eine mäanderförmige Leitung über die ca. 900 °C heiße Bramme geführt wird und dabei wiederum Energie aufnimmt; hierbei wird der Sattdampf von ca. 200 °C (Punkt IV) auf ca. 330 °C ( Punkt V) zu Heißdampf überhitzt. Anschließend wird der überhitzte Sattdampf (der Heißdampf) mittels einer Dampfleitung einer Dampfturbine 7 zugeführt, in der der Dampf von Punkt V auf Punkt VI entspannt und die dabei frei
werdende Energie mittels einer Welle zwischen der
Dampfturbine und einem Generator 8 in elektrische Energie umgewandelt wird. Anschließend wird das Kühlmedium zuerst einem ersten Kondensator 9 und anschließend einem zweiten Kondensator 9a zugeführt, in der die Entropie des Kühlmediums weiter reduziert wird. Der erste Kondensator 9 ist dabei als Teil der Kühlstrecke 10 im Auslaufbereich der
Stranggießmaschine angeordnet, in der der durcherstarrte
Strang 12 mittels nicht näher dargestellter Spritzdüsen auf beinahe Raumtemperatur (Punkt I) abgekühlt wird. Zumindest eine Umwälzpumpe 11 erhöht den Druck des Kühlmediums, sodass dieses wieder dem Dampferzeuger 1, d.h. der Primärkühlung 3 der Kokille 2, zugeführt wird.
Die im Prozess nach Fig. 1 eingenommenen thermodynamischen Zustandsgrößen sind in Fig. 2 nochmals in einem Entropie- Temperatur Schaubild für das Kühlmedium Wasser
zusammengefasst .
In Fig. 3 sind die thermodynamischen Zustandsgrößen in einem Entropie-Temperatur Schaubild für den Prozess nach Fig. 1 für das Kühlmedium Methanol dargestellt. Im Vergleich zu Fig. 2 erlaubt das Kühlmedium Methanol, die Temperatur in der
Kokille wesentlich geringer zu halten als dies beim
Kühlmedium Wasser möglich wäre. Konkret wird das Kühlmedium im Verdampfungsraum der Kokille von ca. 35 °C (Punkt II) auf eine Temperatur von lediglich ca. 100 °C erhitzt (Punkt III), bevor die Verdampfung von Methanol beginnt. Im Punkt IV ist dann das Methanol vollständig verdampft. Im Überhitzer 4 wird das Methanol auf ca. 180 °C überhitzt (Punkt V), bevor es in der Dampfmaschine 7 entspannt wird. Nach der Entspannung in der Dampfmaschine 7 (Punkt IV) wird das Kühlmedium
kondensiert, bevor es wieder mittels einer Speisepumpe 11 dem Verdampfungsraum 23 der Kokille zugeführt wird. Natürlich ist die Erfindung keineswegs auf Methanol beschränkt; viel mehr können auch andere organische Kühlmedien, wie z.B. Ethanol oder Thermoöle verwendet werden.
In Fig. 4 ist ein Überhitzer 4 schematisch dargestellt. Dabei wird der Sattdampf in zumindest einer mäanderförmigen Leitung 13 mit geringem Abstand über die Oberfläche des teil- oder durcherstarrten Strangs 12 geführt, wobei der Strang weiter abgekühlt und die dabei ein Großteil der dabei abgeführten Wärmemenge zur Überhitzung des Sattdampfs herangezogen wird. Vorzugsweise wird die mäanderförmige Leitung 13 entgegen der Gießrichtung 15 angeströmt, sodass dabei der Sattdampf anfangs Energie von einem kälteren Strang und später Energie von einem wärmeren Strang aufnimmt. In Fig. 5 ist ein Kondensator schematisch dargestellt. An der Oberseite des Strangs 12 wird der Strang von mehreren
Spritzdüsen 14 abgekühlt, wobei das dabei anfallende
Kühlwasser zur Kondensation des Kühlmediums innerhalb einer mäanderförmigen Leitung 13 verwendet wird. Im Gegensatz zu dem in der Fig. 4 dargestellten Überhitzer, wird der
Kondensator 9 in Gießrichtung 15 angeströmt, sodass das
Kühlmedium anfangs von einem wärmeren Kühlwasser und später von einem kälteren Kühlwasser gekühlt wird. Sollte die
Temperatur des Kühlmediums durch diesen Vorgang nicht
ausreichend reduziert werden können, ist es natürlich auch möglich, anstatt des in Fig. 4 dargestellten Kondensators oder ergänzend dazu, einen Kondensator nach Stand der Technik (vgl. Kondensator 9a nach Fig. 1, Ausführungsformen von
Kondensatoren z.B. Dubbel. Taschenbuch für den Maschinenbau, 17. Auflage, Kapitel K22 „Komponenten des thermischen
Apparatebaus - 4 Kondensation und Rückkühlung" ) einzusetzen.
In Fig. 6 ist der Aufbau einer Kokille 2 in einer Richtung quer zur Gießrichtung 15 schematisch dargestellt, wobei auf die Darstellung des Tauchrohrs aus Gründen der
Übersichtlichkeit verzichtet wurde. Zwischen dem Stahl 16, der in der Kokille einen teilerstarrten Strang ausbildet, und der Kokille 2, befindet sich eine Schicht auf Gießpulver 17 um die Reibung zwischen dem Strang und der Kokille zu
reduzieren. Da die Kokille 2 aufgrund der Verdampfungskühlung heißer wird als eine Kokille nach dem Stand der Technik, weist die Kupferplatte 19 der Kokille eine hochabriebfeste, verschleißfeste Schicht aus einer Keramik 18 oder einem
Verbundwerkstoffe aus keramischen Werkstoffen in einer metallischen Matrix auf (ein sogenannter Cermet Werkstoff, siehe z.B. http://de.v7ikipedia.org/wiki/Cermet). Im Anschluss an die Kupferplatte aus Cu oder einer Cu-Legierung befindet sich eine gerippte Platte 20, die mehrere in Gießrichtung und/oder in einer Richtung quer zur Gießrichtung verlaufende Rippen 21 aufweist. Mittels dieser Konstruktion wird die effektive Oberfläche der Kokille erhöht, sodass besonders hohe Wärmemengen durch die Kokille abgeführt werden können (beispielsweise 3 MW/m2, wobei dieser Wert auf die durch den Stahl benetzte Kokillen-Oberfläche bezogen ist) , ohne dass es dabei zu einem Filmsieden kommt. Zwischen den Rippen 21 der gerippten Platte 20, befindet sich der Verdampfungsraum 23 der Kokille, in dem ein organisches Kühlmedium zu Sattdampf verdampft wird. Im Anschluss an die gerippte Platte 21 befindet sich eine Halteplatte 22, die mittels mehrerer als Schrauben ausgeführter Befestigungselemente mit der gerippten Platte verbunden ist.
Liste der Bezugszeichen
1 Dampferzeuger
2 Kokille
3 Primärkühlung
4 Überhitzer
5 Strangstützeinrichtung
5a Strangführungsrolle
6 Sekundärkühlung
7 Dampfturbine
8 Generator
9, 9a Kondensator
10 Kühlstrecke
11 Pumpe
12 Strang
13 Mäanderförmige Leitung
14 Spritzdüsen
15 Gießrichtung
16 Stahl
17 Gießpulver
18 Keramik
19 Kupferplatte
20 Gerippte Platte
21 Rippe
22 Halteplatte
23 Verdampfungsräum
I-II Druckerhöhung
II-III Erwärmung auf die Verdampfungstemperatur
III-IV Verdampfen
IV-V Überhitzen
V-VI Entspannung
VI-I Kondensation

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung von Heißdampf in einer
Stranggießmaschine, aufweisend folgende Verfahrensschritte: - Einbringen einer metallischen Schmelze in eine Kokille
(2) ;
- Abkühlen der Schmelze in der Kokille (2) unter Ausbildung einer festen Strangschale, wobei durch das Abkühlen der Schmelze ein Kühlmedium in zumindest einem
Verdampfungsraum (23) der Kokille (2) mittels Blasensieden zu Sattdampf verdampft wird;
- Ausziehen eines zumindest teilerstarrten Strangs (12) aus der Kokille (2) ;
- Führen, Stützen und Kühlen des ausgezogenen Strangs (12) in einer Strangstützeinrichtung (5) ;
- Überhitzen des Sattdampfs zu einem Heißdampf;
- Entspannen des Heißdampfs in einer Dampfturbine (7), wobei das Verfahren zur Erzeugung von Heißdampf als Kreisprozess ausgebildet ist, insbesondere dass das Kühlmedium nach der Entspannung, und gegebenenfalls einer nachfolgenden
Kondensation, wieder der Kokille (2) zugeführt wird;
dadurch gekennzeichnet,
dass ein organisches Kühlmedium, insbesondere ein Alkohol oder ein Thermoöl, verwendet wird und der Heißdampf vor der Entspannung eine Temperatur von 180 bis 400 °C aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sattdampf durch ein Kühlen des Strangs (12) überhitzt wird, wobei der Sattdampf in zumindest einer Leitung entlang zumindest einer Oberfläche des Strangs geführt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Sattdampfs im
Verdampfungsraum (23) der Kokille (2) mittels einer
Dampfdruckstelleinrichtung auf einen vorbestimmten Druck eingestellt wird.
4. Vorrichtung zur Erzeugung von Heißdampf in einer Stranggießmaschine, aufweisend
- eine gekühlte Kokille (2) zum Vergießen einer metallischen Schmelze zu einem zumindest teilerstarrten Strang (12), wobei die Kokille (2) mit zumindest einem Verdampfungsraum
(23) zur Erzeugung von Sattdampf ausgebildet ist;
- eine der Kokille (2) nachgeordnete Strangstützeinrichtung (5) zum Stützen, Führen und weiteren Kühlen des Strangs (12) ;
- einen Überhitzer (4) zum Überhitzen des Sattdampfs zu
Heißdampf, der mit einer Dampfturbine (7) zum Entspannen des Heißdampfs verbunden ist;
zumindest ein Kondensator (9), wobei die Dampfturbine (7) mit dem Kondensator (9) und der Kondensator (9) über zumindest eine Speisepumpe mit der Kokille (2) verbunden ist ;
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kokille (2) mit zumindest einem Überhitzer zum
Überhitzen des Sattdampfs verbunden ist, wobei der Überhitzer (4) als ein Sekundärkühler (6) oder eine Sekundärkühlstrecke (6) der Stranggießmaschine ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Leitung im Überhitzer (4) mäanderförmig zum gleichmäßigen Kühlen des Strangs (12) ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator (9) in einer Kühlstrecke (10) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille (2) zumindest im Bereich des Meniskus in einer Richtung quer zur Gießrichtung (15) eine keramische oder keramisch-metallische Schicht, eine Platte aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, eine gerippte Platte zum Verdampfen des Kühlmediums und eine Halteplatte aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdampfungsraum (23) im Inneren der Kokille (2) mit einer, gegebenenfalls einstellbaren,
Druckbegrenzungseinrichtung verbunden ist, sodass der Druck des Sattdampfs einstellbar ist.
9. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8 in einer Stranggießanlage zur Erzeugung eines Strangs aus Stahl .
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