EP3395472A1 - Stranggiesskokille mit strömungsoptimierter kühlung - Google Patents

Stranggiesskokille mit strömungsoptimierter kühlung Download PDF

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Publication number
EP3395472A1
EP3395472A1 EP18167873.1A EP18167873A EP3395472A1 EP 3395472 A1 EP3395472 A1 EP 3395472A1 EP 18167873 A EP18167873 A EP 18167873A EP 3395472 A1 EP3395472 A1 EP 3395472A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling channel
mold
coolant
cooling
flow
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18167873.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Wiens
Pawel Gabor
Mike Vetter
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 Group GmbH
Original Assignee
SMS Group GmbH
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 SMS Group GmbH filed Critical SMS Group GmbH
Publication of EP3395472A1 publication Critical patent/EP3395472A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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 mold for the continuous casting of molten metals, preferably steel, with one or more cooling channels.
  • a continuous casting mold is a funnel-shaped casting mold, which is usually made up of water-cooled copper plates.
  • the mold has a tapering in the casting direction square or rectangular cross-section.
  • the hot melt is introduced through a Tauchg tellrohr into the mold cavity of the mold to the so-called bath level and transported through the conically tapered mold, whereby slabs are cast in a continuous casting process.
  • the conical adjustment of the mold walls is necessary because the liquid steel in the mold strongly cools and contracts. The mold walls guide and cool the strand to achieve a defined casting result, free of cracks and defects.
  • the mold walls In order to dissipate the heat of the steel to be cast, the mold walls have cooling channels through which a coolant, such as water, flows. That's how it describes WO 03/092931 A1 a mold for the continuous casting of molten metals, which is equipped with cooling channels in the facing away from the contact surface with the melt mold side.
  • the cooling channel walls can be designed, for example, as smooth tubes with at most production-related roughness. Also known are so-called U-slots with patches, especially in the field of thin slab molds, holes and simpledekanalgeometrien.
  • An object of the invention is to provide a mold for continuous casting of molten metals, preferably steel, and a method for cooling such mold, which allow higher productivity and / or product quality.
  • the mold according to the invention is used for the continuous casting of molten metals, preferably steel. It has one or more mold walls, preferably made of copper or a copper alloy, which can be arranged funnel-shaped, optionally adjustable.
  • the mold has at least one cooling passage which extends along an axial direction and is arranged to be flowed through by a coolant in the axial direction.
  • the term "axial direction" is used to define a normal flow direction of the coolant, so it does not exclude a curved, curved, crossed course and other geometric shapes of the cooling channel.
  • the cooling channel particularly preferably has a cylindrical shape, formed from one or more cooling channel inner walls, so that the axial direction coincides with the direction of extension of the cooling channel, which - as stated - does not have to be rectilinear, but can follow another, even complicated trajectory, as long the normal flow direction is defined along the cooling channel.
  • the cooling channel can be introduced into the mold wall, for example by drilling, cutting, etching or other techniques.
  • the coolant is preferably a liquid, more preferably water or a mixture having water as a main component.
  • the cooling channel has a swirl-generating means, which conveys a defined radial component to the coolant flow.
  • a "defined” radial component is to be understood that this is at least partially uniform, so that the radial rotational movement of the coolant - in contrast to the intermixing, non-directional turbulence from the prior art - is ordered.
  • Swirl-generating means is responsible for causing the coolant to rotate, with an axis serving as an axis of rotation along the axial direction as defined above, such as the centerline of the cooling passage, if definable.
  • the resulting, well-defined direction of movement of the coolant is thus composed of the normal flow direction along the direction of extension of the cooling channel and a superimposed rotational movement with radial component.
  • a boiling crisis occurs when the formation of vapor causes the liquid film on the cooling channel wall to break off and the heat can thus no longer be dissipated properly.
  • bubble separation by increasing the flow velocity - side effects take place, such as a temperature-related gas excretion.
  • the vapor bubbles form on germ cells on the cooling channel wall, dissolve and are in turn displaced by the coolant.
  • the optimized heat transport improves the safety and reliability of the casting process.
  • the lifetime of the mold, in particular that of the copper plates, if used, is increased because temperature-dependent recrystallization processes are reduced or no longer occur, especially with copper materials. This allows the casting performance improve as well as increase the casting speed.
  • the amount of water for cooling can be reduced by the optimized cooling performance. This in turn leads to energy savings through a lower pump performance.
  • the cooling channel is cylindrical and has a circular cross-section perpendicular to the extension direction. This makes it particularly easy to set the coolant in rotation, and the rotation can be maintained undisturbed over long distances. This leads to a further optimization of the flow behavior. Deviations, in particular slight deviations from a circular cross section, are however possible.
  • the cooling channel may have an oval, elliptical or polygonal cross section, provided that the flow behavior described above can be generated.
  • the swirl generating means comprises one or more grooves and / or ribs, which are particularly preferably provided spirally on the cooling channel inner wall.
  • the number, pitch, and extent, as well as the spacing, flank geometry, and other geometric parameters of the grooves or ribs, can be optimized for the intended swirling, flow (especially flow rate), and heat demand of the system.
  • the swirl flow of the coolant is achieved by spiral grooves and / or ribs.
  • the swirl flow of the coolant is achieved by spiral grooves and / or ribs.
  • the swirl flow of the coolant is achieved by spiral grooves and / or ribs.
  • the swirl generating means include a swirl or wire, preferably substantially the entire length of the bore or slot. Further, the swirl can be generated or the swirling can be promoted by the coolant is supplied tangentially.
  • the cooling channel with swirl-generating means is preferably provided at the height of the bath level.
  • the above object is further achieved by a method which is provided for cooling a mold for the continuous casting of molten metals, preferably steel.
  • the mold is constructed as described above.
  • the coolant is provided and / or circulated so as to flow through the cooling passage in the axial direction.
  • a defined radial component of the coolant flow is generated, whereby the coolant is set in rotation, wherein an axis along the above-defined axial direction acts as a rotation axis.
  • a separation of the liquid phase and gas phase of the coolant takes place, wherein gas bubbles, which tend to arise at the edge of the cooling channel or on a cooling channel inner wall, are transported into the interior of the cooling channel.
  • the described mold is used for the continuous casting of molten metals, preferably steel. Particularly preferably, the mold on walls of one or more copper plates, which are particularly suitable as a heat exchanger.
  • the invention is suitable for cooling thin-slab molds with displacers or deep-hole bores for shaping the one or more cooling channels.
  • FIG. 1 schematically shows a continuous casting with mold in longitudinal section with subordinate support guide.
  • FIG. 2 shows schematically the inner wall structure of a cooling channel, wherein the figure detail a) is a cutaway three-dimensional view and the figure detail b) shows a longitudinal section through the cooling channel.
  • the FIG. 1 schematically shows a continuous casting with a mold 1. Below the mold 1, a guide grid 2, a plurality of support guide rollers 3 and a pair of drive rollers 4 are arranged. For diverting the cast strand 5 in the horizontal, a bending roller 6 and a guide roller 7 are provided. To straighten the strand 5 after the detour is a straightening 8. The Cast strand 5 can be cooled below the mold by spraying water.
  • the mold space 9 of the mold 1 is exemplified here by a flat mold wall 10 'of a first broad side wall 10 and a curved mold wall of a second broad side wall 11, and two narrow side walls arranged therebetween (in the FIG. 1 not shown).
  • the planar first broad side wall 10 and the flat lateral and lower surfaces of the curved second broad side wall 11 are inclined at an angle ⁇ to the vertical.
  • a mold frame 13 is slidably provided on an oscillation guide 14.
  • the exemplary oscillation direction corresponding to the inclination angle ⁇ of the flat broad side wall 10 is illustrated by a double arrow 15.
  • the guide grid 2 and the support guide rollers 3 form an inclined ⁇ at an angle to the vertical, ie the strand exit direction corresponding guide track.
  • the molten steel is introduced through a submersible pouring tube 16 into the forming space 9 of the mold 1 to the bath level 17.
  • the immersion casting tube 16 is preferably flattened to ensure sufficient free space to the mold walls.
  • lateral outflow openings 18 are located below the bath level 17.
  • cooling channels 30 through which a coolant flows.
  • the coolant is preferably water or a mixture whose main component is water.
  • the cooling channels 30 preferably run parallel to the inner surfaces of the broad side walls 10, 11 and narrow side walls. Due to the rapid cooling of the molten steel, this solidifies on the mold walls to form a strand shell 20.
  • FIG. 2 schematically shows the inner wall structure of an exemplary cooling channel 30.
  • the figure detail a) is a cutaway three-dimensional view
  • Figure detail b) shows a longitudinal section through the cooling channel 30.
  • the cooling channel 30 is cylindrical, it has an at least approximately circular cross-section perpendicular to the center line M, which extends in the longitudinal direction of the cooling channel 30.
  • a cylindrical shape in particular a circular cross-section, is preferred because it is beneficial to the swirl effect described below, but other cross sections - such as an oval, elliptical or polygonal - in question, if funds are available and the geometry is suitable, to achieve a swirl-like, rotating flow of the coolant.
  • the inner wall of the cooling channel 30 has one or more grooves, i. Recesses 31 which are like a thread spirally stamped or cut or otherwise introduced.
  • a manufacturing possibility of the grooves 31 is to cut with a special tool a spiral shape in the inner wall of the cooling channel 30.
  • the cylindrical tool leaves on the cooling channel wall grooves 31 or grooves, which can run in a spiral parallel or crossing.
  • the described geometry of the cooling channel 30 now causes the normal axial flow along the axis M is superimposed by a swirl flow having a defined radial component.
  • the grooves 31 thus do not produce undirected, mixing turbulence of the coolant, but the coolant experiences a well-defined flow behavior resulting from a normal flow along the longitudinal direction of the cooling channel 30 and a superimposed swirl flow, ie swirl-like Flow with radial Component composed.
  • vapor bubbles which tend to form on the cooling channel wall as a result of the evaporation of the liquid, are transported into the interior of the cooling channel 30.
  • the liquid component collects at the edge of the cooling channel, while the gas component is transported inwards.
  • the number, slope, and extent, as well as the distance, flank geometry, and other geometric parameters of the grooves 31 can be optimized for the intended swirl formation, flow (in particular, flow rate), and heat demand of the system.
  • the swirl creates a suction which promotes the separation of the two-phase flow and forces the gas phase into the center of the cooling channel 30 in the manner discussed.
  • an optimal heat transfer between the cooling channel wall and the coolant is created.
  • the boundary layer near flow velocity increases at the cooling channel wall, whereby the steam film extrusion delayed and the bubble separation is favored by the wall.
  • the wall-side liquid phase of the coolant with the reference numeral 32 and the inwardly sloping gas phase with the reference numeral 33 are designated.
  • the coolant F flows in the figure cutout 2b) from below into the cooling channel 30 and is rotated by the grooves 31 in rotation.
  • the wetted with the liquid phase 32 surface is enlarged and favors optimal heat transfer to the cooling channel wall.
  • the so-called boiling crisis can be avoided or at least delayed.
  • a boiling crisis occurs when the formation of vapor causes the liquid film on the cooling channel wall to break off and the heat can thus no longer be dissipated properly.
  • the swirl flow of the coolant is achieved by spiral grooves 31.
  • the cooling channel 30 preferably at the entrance of the cooling channel 30, one or more wings, which are similar to turbine blades.
  • Other means are a swirl or wire, preferably substantially the entire length of the drill or slot.
  • the swirl can be generated or the swirling can be promoted by the coolant is supplied tangentially.
  • a flow-optimized embossing of the filler is technically feasible.
  • the coolant flows through the cooling channel 30 at a speed relative to the cooling channel wall of more than 7 m / s in order to effectively prevent the vapor film formation. Since the transition from the single-phase refrigerant flow to the two-phase liquid-gas flow is precisely in the high-temperature-loaded meniscus region, i. Given in the region of the bath level 17, cooling channels are preferably provided in this area with means for swirling.
  • the safety and reliability of the casting process can be improved.
  • the lifetime of the mold, in particular that of the copper plates, if used as mold walls, is increased because temperature-dependent recrystallization processes are reduced or no longer occur, especially with copper materials. This can be done improve the casting performance and increase the casting speed. Furthermore, the amount of water for cooling can be reduced by the optimized cooling performance. This in turn leads to energy savings through a lower pump performance.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)

Abstract

Kokille (1) zum Stranggießen von schmelzflüssigen Metallen, vorzugsweise Stahl, mit mindestens einem Kühlkanal (30), der sich entlang einer Axialrichtung (M) erstreckt und eingerichtet ist, um von einem Kühlmittel in Axialrichtung (M) durchströmt zu werden, wobei der Kühlkanal (30) ein Drallerzeugungsmittel aufweist, das der Kühlmittelströmung eine definierte radiale Komponente vermittelt.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Kokille zum Stranggießen von schmelzflüssigen Metallen, vorzugsweise Stahl, mit einem oder mehreren Kühlkanälen.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Eine Stranggießkokille ist eine trichterförmige Gießform, die meist aus wassergekühlten Kupferplatten aufgebaut ist. Üblicherweise weist die Kokille einen sich in Gießrichtung verjüngenden quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auf. Die heiße Schmelze wird durch ein Tauchgießrohr in den Formraum der Kokille bis zum sogenannten Badspiegel eingeleitet und durch die sich konisch verjüngende Kokille transportiert, wodurch Brammen im Stranggießverfahren gegossen werden. Die konische Anstellung der Kokillenwände ist nötig, da der flüssige Stahl in der Kokille stark abkühlt und sich dabei zusammenzieht. Die Kokillenwände führen und kühlen den Strang, um ein definiertes Gießergebnis, frei von Rissen und Defekten zu erzielen.
  • Um die Wärme des zu gießenden Stahls abzuleiten, weisen die Kokillenwände Kühlkanäle auf, durch die ein Kühlmittel, etwa Wasser, strömt. So beschreibt die WO 03/092931 A1 eine Kokille zum Stranggießen von schmelzflüssigen Metallen, die mit Kühlkanälen in der von der Kontaktfläche mit der Schmelze abgewandten Kokillenseite ausgestattet ist. Die Kühlkanalwände können beispielsweise als Glattrohre mit allenfalls fertigungstechnischer Rauheit ausgeführt sein. Bekannt sind außerdem sogenannte U-Slots mit Füllstücken, insbesondere auf dem Gebiet der Dünnbrammenkokillen, Bohrungen und einfache Kühlkanalgeometrien. Zur Verbesserung der Kühlwirkung ist es ferner bekannt, die Oberfläche der Kühlkanäle durch Riefen zu vergrößern oder die Kühlkanäle mit turbulenzerzeugenden Elementen zu versehen, um eine nicht-stationäre, verwirbelte Strömung zu erzeugen, wodurch eine bessere Durchmischung des Kühlmittels bewirkt wird. Derartige Maßnahmen gehen neben der oben genannten WO 03/092931 A1 auch aus der WO 2008/086856 A1 und EP 0 686 444 A1 hervor.
  • Nicht in jedem Fall kann eine Dampffilmbildung an der Kühlkanalwand, die Temperaturen weit über 100°C aufweisen, unterbunden werden, was einen erheblichen Abfall des Wärmeaustauschs zur Folge haben kann. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels ist über den Querschnitt des Kühlkanals nicht konstant, sie verringert sich zur Kühlkanalwand hin bis zu 0 m/s. Dies führt dazu, dass die Ablösung der Dampfblasen aufgrund der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit im Randbereich unzureichend ist. Zwar werden die Dampfblasen ab einer bestimmten Größe vom Strom mitgerissen, sie verbleiben aber in der Nähe der Kühlkanalwand, wodurch es zur sogenannten Siedekrise kommen kann, die dann vorliegt, wenn die Dampfbildung dazu führt, dass der Flüssigfilm an der Kühlkanalwand abreißt und die Wärme somit nicht mehr ausreichend abgeführt werden kann. Es besteht dann die Gefahr der Überhitzung. Der zuverlässige und rasche Wärmeaustausch zwischen dem gegossenen Strang und den Kokillenwänden ist ein wichtiger Faktor für die Produktivität der Gießanlage und die Qualität der gegossenen Brammen.
    • Darstellung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kokille zum Stranggießen von schmelzflüssigen Metallen, vorzugsweise Stahl, und ein Verfahren zum Kühlen einer solchen Kokille anzugeben, die eine höhere Produktivität und/oder Produktqualität ermöglichen.
  • Gelöst wird die Aufgabe mit einer Kokille mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der folgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
  • Die erfindungsgemäße Kokille dient zum Stranggießen von schmelzflüssigen Metallen, vorzugsweise Stahl. Sie weist eine oder mehrere Kokillenwände auf, vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, die trichterförmig zulaufend, gegebenenfalls verstellbar angeordnet sein können. Die Kokille weist mindestens einen Kühlkanal auf, der sich entlang einer Axialrichtung erstreckt und eingerichtet ist, um von einem Kühlmittel in Axialrichtung durchströmt zu werden. Die Angabe "Axialrichtung" dient der Festlegung einer Normalströmungsrichtung des Kühlmittels, sie schließt daher einen gekrümmten, kurvigen, gekreuzten Verlauf und andere geometrische Formen des Kühlkanals nicht aus. Vielmehr hat der Kühlkanal besonders bevorzugt eine zylindrische Form, gebildet aus einer oder mehreren Kühlkanalinnenwänden, so dass die Axialrichtung mit der Erstreckungsrichtung des Kühlkanals zusammenfällt, die jedoch - wie dargelegt - nicht geradlinig sein muss, sondern einer anderen, auch komplizierten Trajektorie folgen kann, solange die Normalströmungsrichtung entlang des Kühlkanals definiert ist. Der Kühlkanal kann etwa durch Bohren, Schneiden, Ätzen oder andere Techniken in die Kokillenwand eingebracht werden. Unter einer normalen Arbeitsbedingung ist das Kühlmittel vorzugsweise eine Flüssigkeit, besonders bevorzugt Wasser oder eine Mischung, die Wasser als eine Hauptkomponente aufweist.
  • Erfindungsgemäß weist der Kühlkanal ein Drallerzeugungsmittel auf, das der Kühlmittelströmung eine definierte radiale Komponente vermittelt. Unter einer "definierten" radialen Komponente ist zu verstehen, dass diese zumindest abschnittsweise gleichförmig ist, so dass die radiale rotierende Bewegung des Kühlmittels - im Unterschied zur durchmischenden, ungerichteten Turbulenz aus dem Stand der Technik - geordnet ist. In anderen Worten: Das Drallerzeugungsmittel ist dafür verantwortlich, dass das Kühlmittel in Rotation versetzt wird, wobei eine Achse entlang der oben definierten Axialrichtung, etwa die Mittellinie des Kühlkanals, sofern eine solche definierbar ist, als Rotationsachse dient. Die resultierende, wohldefinierte Bewegungsrichtung des Kühlmittels setzt sich somit aus der Normalströmungsrichtung entlang der Erstreckungsrichtung des Kühlkanals und einer überlagerten Rotationsbewegung mit radialer Komponente zusammen.
  • Durch den so hergestellten Drall, d.h. die Rotation des Kühlmittels bildet sich ein Sog, wodurch eine Phasentrennung des Kühlmittels stattfindet. Dampfblasen, die tendenziell an den heißesten Stellen, d. h. am Rand des Kühlkanals oder der Kühlkanalwand entstehen, werden ins Innere des Kühlkanals transportiert. Gleichzeitig sammelt sich die Flüssigphase des Kühlmittels am Rand, die benetzte Oberfläche vergrößert sich, wodurch ein optimaler Wärmeübergang von der Kühlkanalwand zum Kühlmittel begünstigt wird. Ferner erhöht sich durch den Strudel die Strömungsgeschwindigkeit an der Kühlkanalwand, wodurch die Dampffilmausprägung verzögert und die Blasenablösung von der Wand begünstigt wird. Durch diese Wirkungen kann die sogenannte Siedekrise vermieden oder zumindest herausgezögert werden. Eine Siedekrise liegt vor, wenn die Dampfbildung dazu führt, dass der Flüssigfilm an der Kühlkanalwand abreißt und die Wärme somit nicht mehr ordnungsgemäß abgeführt werden kann. Neben den beiden obigen Wirkungen - Phasentrennung, Blasenablösung durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit - finden Nebeneffekte statt, wie etwa eine temperaturbedingte Gasausscheidung. Die Dampfblasen bilden sich an Keimzellen an der Kühlkanalwand, lösen sich und werden wiederrum durch das Kühlmittel verdrängt. Durch diese Mechanismen wird der Wärmetransport begünstigt. Aufgrund des optimierten Wärmetransports werden die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Gießprozesses verbessert. Die Lebenszeit der Kokille, insbesondere die der Kupferplatten, sofern angewendet, wird erhöht, da temperaturabhängige Rekristallisationsprozesse speziell bei Kupferwerkstoffen verringert werden oder nicht mehr auftreten. Dadurch lässt sich die Gießleistung verbessern sowie die Gießgeschwindigkeit erhöhen. Ferner kann durch die optimierte Kühlleistung die Wassermenge zur Kühlung reduziert werden. Dies wiederrum führt zu einer Energieeinsparung durch eine geringere Pumpenleistung.
  • Vorzugsweise ist der Kühlkanal zylindrisch ausgebildet und weist einen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung auf. Dadurch lässt sich das Kühlmittel besonders einfach in Rotation versetzen, und die Rotation kann ungestört über weite Strecken aufrechterhalten werden. Dies führt zu einer weiteren Optimierung des Strömungsverhaltens. Abweichungen, insbesondere leichte Abweichungen von einem kreisförmigen Querschnitt sind allerdings möglich. So kann der Kühlkanal beispielsweise einen ovalen, elliptischen oder polygonalen Querschnitt aufweisen, sofern das oben beschriebene Strömungsverhalten erzeugt werden kann.
  • Vorzugsweise umfasst das Drallerzeugungsmittel eine oder mehrere Rillen und/oder Rippen, die besonders bevorzugt spiralförmig an der Kühlkanalinnenwand vorgesehen sind. Die Anzahl, Steigung und Ausprägung (Tiefe bzw. Höhe), sowie der Abstand, die Flankengeometrie und andere geometrische Parameter der Rillen oder Rippen können im Hinblick auf die beabsichtigte Drallbildung, den Durchfluss (insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit) und die Wärmeanforderung des Systems optimiert werden. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform wird die Drallströmung des Kühlmittels durch spiralförmige Rillen und/oder Rippen erzielt. Gemäß einer anderen Ausführungsform befinden sich im Kühlkanal, vorzugsweise am Eintritt des Kühlkanals, ein oder mehrere Flügel, die ähnlich Turbinenschaufeln ausgebildet sein können. Die Flügel oder Schaufeln können stationär oder beweglich ausgebildet sein. Andere Drallerzeugungsmittel umfassen ein Drallblech oder Draht, vorzugsweise im Wesentlichen über die gesamte Bohr-oder Schlitzlänge. Ferner kann der Drall erzeugt oder die Drallbildung gefördert werden, indem das Kühlmittel tangential zugeführt wird.
  • Da der Übergang von der einphasigen flüssigen Kühlmittelströmung zur zweiphasigen Flüssig/Gas-Strömung gerade im hochtemperaturbelasteten Meniskusbereich, d.h. im Bereich des Badspiegels der Kokille gegeben ist, ist der Kühlkanal mit Drallerzeugungsmittel vorzugsweise auf der Höhe des Badspiegels vorgesehen.
  • Die oben dargelegte Aufgabe wird ferner mit einem Verfahren gelöst, das zum Kühlen einer Kokille zum Stranggießen von schmelzflüssigen Metallen, vorzugsweise Stahl, vorgesehen ist. Die Kokille ist wie oben beschrieben aufgebaut. Gemäß dem Verfahren wird das Kühlmittel so bereitgestellt und/oder in Umlauf gebracht, dass es den Kühlkanal in Axialrichtung durchströmt. Ferner wird eine definierte radiale Komponente der Kühlmittelströmung erzeugt, wodurch das Kühlmittel in Rotation versetzt wird, wobei eine Achse entlang der oben definierten Axialrichtung als Rotationsachse fungiert. Somit findet eine Trennung der Flüssigphase und Gasphase des Kühlmittels statt, wobei Gasblasen, die tendenziell am Rand des Kühlkanals oder an einer Kühlkanalinnenwand entstehen, ins Innere des Kühlkanals transportiert werden.
  • Die technischen Wirkungen, bevorzugten Ausführungsformen und Beiträge zum Stand der Technik, die mit Bezug auf die Kokille beschrieben wurden, gelten analog für das Verfahren zum Kühlen der Kokille.
  • Die beschriebene Kokille dient zum Stranggießen von schmelzflüssigen Metallen, vorzugsweise Stahl. Besonders bevorzugt weist die Kokille Wände aus einer oder mehreren Kupferplatten auf, die als Wärmetauscher besonders geeignet sind. Die Erfindung eignet sich zum Kühlen von Dünnbrammenkokillen mit Verdrängerkörpern oder Tieflochbohrungen zur Formgebung des einen oder der mehreren Kühlkanäle.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben dargelegten Merkmale realisiert werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.
    • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Die Figur 1 zeigt schematisch eine Stranggießanlage mit Kokille im Längsschnitt mit nachgeordneter Stützführung.
  • Die Figur 2 zeigt schematisch die Innenwandstruktur eines Kühlkanals, wobei der Figurenausschnitt a) eine aufgeschnittene dreidimensionale Ansicht ist und der Figurenausschnitt b) einen Längsschnitt durch den Kühlkanal zeigt.
    • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei sind gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholende Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
  • Die Figur 1 zeigt schematisch eine Stranggießanlage mit einer Kokille 1. Unterhalb der Kokille 1 sind ein Führungsgitter 2, mehrere Stützführungsrollen 3 und ein Treibrollenpaar 4 angeordnet. Zur Umleitung des gegossenen Stranges 5 in die Horizontale sind eine Biegerolle 6 und eine Leitrolle 7 vorgesehen. Zum Geraderichten des Stranges 5 nach der Umleitung dient ein Richttreiber 8. Der gegossene Strang 5 kann unterhalb der Kokille durch Aufsprühen von Wasser gekühlt werden.
  • Der Formraum 9 der Kokille 1 wird hier beispielhaft durch eine ebene Formwandung 10' einer ersten Breitseitenwand 10 und eine gewölbte Formwandung einer zweiten Breitseitenwand 11, sowie zwei dazwischen angeordnete Schmalseitenwände (in der Figur 1 nicht gezeigt) aufgebaut. Die ebene erste Breitseitenwand 10 und die ebenen seitlichen und unteren Flächen der gewölbten zweiten Breitseitenwand 11 sind in einem Winkel α zur Vertikalen geneigt. Ein Kokillenrahmen 13 ist an einer Oszillationsführung 14 verschiebbar vorgesehen. Die beispielhafte Oszillationsrichtung entsprechend dem Neigungswinkel α der ebenen Breitseitenwand 10 ist durch einen Doppelpfeil 15 verdeutlicht. Das Führungsgitter 2 und die Stützführungsrollen 3 bilden eine im Winkel α zur Vertikalen geneigte, d.h. der Strangaustrittsrichtung entsprechende Führungsbahn.
  • Die Stahlschmelze wird durch ein Tauchgießrohr 16 in den Formraum 9 der Kokille 1 bis zum Badspiegel 17 eingeleitet. Das Tauchgießrohr 16 ist zur Gewährleistung eines ausreichenden Freiraumes zu den Formwandungen vorzugsweise abgeflacht. Während des Gießbetriebs befinden sich seitliche Ausströmungsöffnungen 18 unterhalb des Badspiegels 17.
  • In den Breitseitenwänden 10, 11 und Schmalseitenwänden der Kokille befinden sich Kühlkanäle 30, durch die ein Kühlmittel strömt. Das Kühlmittel ist vorzugsweise Wasser oder eine Mischung, deren Hauptkomponente Wasser ist. Die Kühlkanäle 30 verlaufen vorzugsweise parallel zu den Innenflächen der Breitseitenwände 10, 11 und Schmalseitenwände. Durch die rasche Abkühlung der Stahlschmelze erstarrt diese an den Kokillenwandungen zu einer Strangschale 20.
  • Die Figur 2 zeigt schematisch die Innenwandstruktur eines beispielhaften Kühlkanals 30. Hierbei ist der Figurenausschnitt a) eine aufgeschnittene dreidimensionale Ansicht, während Figurenausschnitt b) einen Längsschnitt durch den Kühlkanal 30 zeigt.
  • Der Kühlkanal 30 ist zylindrisch ausgebildet, er weist einen wenigstens ungefähr kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Mittellinie M auf, die sich in Längsrichtung des Kühlkanals 30 erstreckt. Zwar ist eine solche zylindrische Form, insbesondere ein kreisförmiger Querschnitt, bevorzugt, da er der weiter unten beschriebenen Drallwirkung zuträglich ist, allerdings kommen auch andere Querschnitte - etwa ein ovaler, elliptischer oder polygonaler - infrage, sofern Mittel vorhanden sind und die Geometrie geeignet ist, eine strudelähnliche, rotierende Strömung des Kühlmittels zu erreichen.
  • Zu diesem Zweck weist die Innenwand des Kühlkanals 30 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine oder mehrere Rillen, d.h. Vertiefungen 31 auf, die wie ein Gewinde spiralförmig eingeprägt oder ausgeschnitten oder auf andere Weise eingebracht sind. Eine Herstellungsmöglichkeit der Rillen 31 besteht darin, mit einem Spezialwerkzeug einen spiralförmigen Verlauf in die Innenwand des Kühlkanals 30 einzuschneiden. Das zylindrische Werkzeug hinterlässt auf der Kühlkanalwand Rillen 31 oder Riefen, die spiralförmig parallel oder auch kreuzend verlaufen können.
  • Die beschriebene Geometrie des Kühlkanals 30 führt nun dazu, dass die normale Axialströmung entlang der Achse M von einer Drallströmung überlagert wird, die eine definierte radiale Komponente aufweist. Durch die Rillen 31 entsteht somit im Unterschied zu turbulenzerzeugenden Elementen aus dem Stand der Technik keine ungerichtete, durchmischende Turbulenz des Kühlmittels, sondern das Kühlmittel erfährt ein wohldefiniertes Strömungsverhalten, das sich aus einer Normalströmung entlang der Längsrichtung des Kühlkanals 30 und einer überlagerten Drallströmung, d.h. strudelähnlichen Strömung mit radialer Komponente zusammensetzt. Dadurch werden Dampfblasen, die durch das Verdampfen der Flüssigkeit tendenziell an der Kühlkanalwand entstehen, ins Innere des Kühlkanals 30 transportiert. Es findet somit eine Phasentrennung des Kühlmittels statt, wobei die Flüssigkomponente sich am Rand des Kühlkanals sammelt, während die Gaskomponente nach innen transportiert wird. Die Anzahl, Steigung und Ausprägung (Tiefe bzw. Höhe), sowie der Abstand, die Flankengeometrie und andere geometrische Parameter der Rillen 31 können im Hinblick auf die beabsichtigte Drallbildung, den Durchfluss (insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit) und die Wärmeanforderung des Systems optimiert werden. Durch den Drall entsteht ein Sog, der die Separation der Zweiphasenströmung begünstigt und die Gasphase auf die besprochene Weise ins Zentrum des Kühlkanals 30 drängt. Dadurch wird ein optimaler Wärmeübergang zwischen der Kühlkanalwand und dem Kühlmittel geschaffen. Ferner erhöht sich die grenzschichtnahe Strömungsgeschwindigkeit an der Kühlkanalwand, wodurch die Dampffilmausprägung verzögert sowie die Blasenablösung von der Wand begünstigt wird. Durch diese Wirkungen erfolgt eine optimale Benetzung der Kühlkanalwand. Folglich ist ein optimierter Wärmeübergang zwischen der Kühlkanalwand und dem Kühlmittel gegeben.
  • Die obigen technischen Wirkungen gehen aus dem Figurenausschnitt 2b) hervor, in dem die wandseitige Flüssigphase des Kühlmittels mit dem Bezugszeichen 32 und die nach innen tendierende Gasphase mit dem Bezugszeichen 33 bezeichnet sind. Das Kühlmittel F strömt im Figurenausschnitt 2b) von unten in den Kühlkanal 30 ein und wird durch die Rillen 31 in Rotation versetzt. Die mit der Flüssigphase 32 benetzte Oberfläche ist vergrößert und begünstigt einen optimalen Wärmeübergang zur Kühlkanalwand. Durch diese wohldefinierte und beabsichtigte Phasentrennung kann die sogenannte Siedekrise vermieden oder zumindest herausgezögert werden. Eine Siedekrise liegt vor, wenn die Dampfbildung dazu führt, dass der Flüssigfilm an der Kühlkanalwand abreißt und die Wärme somit nicht mehr ordnungsgemäß abgeführt werden kann.
  • In der Ausführungsform der Figur 2 wird die Drallströmung des Kühlmittels durch spiralförmige Rillen 31 erzielt. Gemäß einer anderen Ausführungsform befinden sich im Kühlkanal 30, vorzugsweise am Eintritt des Kühlkanals 30, ein oder mehrere Flügel, die ähnlich Turbinenschaufeln ausgebildet sind. Andere Mittel sind ein Drallblech oder Draht, vorzugsweise im Wesentlichen über die gesamte Bohr- oder Schlitzlänge. Ferner kann der Drall erzeugt oder die Drallbildung gefördert werden, indem das Kühlmittel tangential zugeführt wird. Für Kokillenplatten mit Füllstücken ist eine strömungsoptimierte Prägung der Füllstücke technisch realisierbar.
  • Vorzugsweise durchströmt das Kühlmittel den Kühlkanal 30 mit einer Geschwindigkeit relativ zur Kühlkanalwand von mehr als 7 m/s, um die Dampffilmbildung wirksam zu unterbinden. Da der Übergang von der einphasigen Kühlmittelströmung zur zweiphasigen Flüssig/Gas-Strömung gerade im hochtemperaturbelasteten Meniskusbereich, d.h. im Bereich des Badspiegels 17 gegeben ist, sind Kühlkanäle vorzugsweise in diesem Bereich mit Mitteln zur Drallbildung versehen.
  • Neben den oben beschriebenen technischen Wirkungen finden Nebeneffekte statt, wie etwa eine temperaturbedingte Gasausscheidung. Die Dampfblasen bilden sich an Keimzellen an der Kühlkanalwand, lösen sich und werden wiederrum durch das Kühlmittel verdrängt. Durch diesen Mechanismus wird der Wärmetransport begünstigt. Durch die besprochene Radialströmung, d.h. den Drall wird das Ablösen der Dampfblasen erleichtert, es kommt zu einem intensiven Stoffaustausch, wodurch die Kühlleistung erhöht werden kann.
  • Aufgrund des optimierten Wärmetransports können die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Gießprozesses verbessert werden. Die Lebenszeit der Kokille, insbesondere die der Kupferplatten, sofern als Kokillenwände angewendet, wird erhöht, da temperaturabhängige Rekristallisationsprozesse speziell bei Kupferwerkstoffen verringert werden oder nicht mehr auftreten. Dadurch lässt sich die Gießleistung verbessern sowie die Gießgeschwindigkeit erhöhen. Ferner kann durch die optimierte Kühlleistung die Wassermenge zur Kühlung reduziert werden. Dies wiederrum führt zu einer Energieeinsparung durch eine geringere Pumpenleistung.
  • Soweit anwendbar können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kokille
    2
    Führungsgitter
    3
    Stützführungsrollen
    4
    Treibrollenpaar
    5
    Gegossener Strang
    6
    Biegerolle
    7
    Leitrolle
    8
    Richttreiber
    9
    Formraum
    10
    Erste Breitseitenwand
    10'
    Formwandung
    11
    Zweite Breitseitenwand
    13
    Kokillenrahmen
    14
    Oszillationsführung
    15
    Oszillationsrichtung
    16
    Tauchgießrohr
    17
    Badspiegel
    18
    Ausströmungsöffnung
    20
    Strangschale
    30
    Kühlkanal
    31
    Rille
    32
    Flüssigphase des Kühlmittels
    33
    Gasphase des Kühlmittels
    M
    Mittellinie des Kühlkanals/Axialrichtung
    F
    Kühlmittel

Claims (6)

  1. Kokille (1) zum Stranggießen von schmelzflüssigen Metallen, vorzugsweise Stahl, mit mindestens einem Kühlkanal (30), der sich entlang einer Axialrichtung (M) erstreckt und eingerichtet ist, um von einem Kühlmittel (F) in Axialrichtung (M) durchströmt zu werden, wobei
    der Kühlkanal (30) ein Drallerzeugungsmittel aufweist, das der Kühlmittelströmung eine definierte radiale Komponente vermittelt.
  2. Kokille (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (30) zylindrisch ist, vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Axialrichtung (M) aufweist.
  3. Kokille (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (30) eine Kühlkanalinnenwand aufweist und das Drallerzeugungsmittel eine und/oder mehrere Rillen (31) oder Rippen umfasst, die vorzugsweise spiralförmig an der Kühlkanalinnenwand vorgesehen sind.
  4. Kokille (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drallerzeugungsmittel einen oder mehrere Flügel umfasst.
  5. Kokille (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (30) mit Drallerzeugungsmittel auf der Höhe des Badspiegels (17) der Kokille (1) vorgesehen ist.
  6. Verfahren zum Kühlen einer Kokille (1) zum Stranggießen von schmelzflüssigen Metallen, vorzugsweise Stahl, wobei die Kokille (1) mindestens einen Kühlkanal (30) aufweist, der sich entlang einer Axialrichtung (M) erstreckt, wobei das Verfahren aufweist:
    Bereitstellen des Kühlmittels (F), so dass dieses den Kühlkanal (30) in Axialrichtung (M) durchströmt;
    Erzeugen einer definierten radialen Komponente der Kühlmittelströmung, wodurch das Kühlmittel in Rotation versetzt wird, wobei eine Achse entlang der Axialrichtung (M) als Rotationsachse fungiert.
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