EP4480602A1 - Tauchrohrkühlung sowie verfahren zum betrieb einer tauchrohrkühlung - Google Patents

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EP4480602A1
EP4480602A1 EP24180041.6A EP24180041A EP4480602A1 EP 4480602 A1 EP4480602 A1 EP 4480602A1 EP 24180041 A EP24180041 A EP 24180041A EP 4480602 A1 EP4480602 A1 EP 4480602A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
immersion tube
fluid
cooling
container
melt
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.)
Pending
Application number
EP24180041.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Jürgen ODENTHAL
Jochen Wans
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 EP4480602A1 publication Critical patent/EP4480602A1/de
Pending 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
    • B22D11/10—Supplying or treating molten metal
    • B22D11/11—Treating the molten metal
    • B22D11/112—Treating the molten metal by accelerated cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D41/00—Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like
    • B22D41/50—Pouring-nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D41/00—Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like
    • B22D41/50—Pouring-nozzles
    • B22D41/60—Pouring-nozzles with heating or cooling means

Definitions

  • the present invention relates to an immersion tube cooling system and a method for operating an immersion tube cooling system with high throughputs or casting speeds, thin dimensions and/or in casting and rolling plants.
  • the melt enters the mold too hot when pouring because of the necessary overheating of the melt.
  • the surface-to-volume ratio of the melt in the ladle increases in favor of the surface. This leads to accelerated cooling of the melt.
  • the temperature of the melt approaches the ideal casting temperature.
  • melt essentially defines steel melts, whereby both the method and the device are basically also suitable for lowering the casting temperature of non-ferrous metal melts.
  • immersion tube cooling systems and methods for operating immersion tube cooling systems are known, the function of which is to lower the casting temperature of the melt in order to have a desired degree of solid content, e.g. nuclei for crystallization during solidification, in the melt before the melt is filled into the mold.
  • the aim of the WO 2022/117296 A1 is to create a process and a dip tube with which a cast product with a homogeneous, fine structure and a low segregation rate can be obtained.
  • the melt flowing from a pan is cooled in the dip tube so that the melt has the desired solid content when it leaves the dip tube.
  • the melt is cooled using heat pipes or a thermosiphon that are connected to the dip tube.
  • thermosiphon A distinction is made between two types of heat pipes: the heat pipe and the two-phase thermosiphon.
  • the basic functional principle is the same for both types.
  • the return transport of the fluid is passive in both types and therefore without any aids such as a circulation pump.
  • Heat pipes or thermosiphons normally consist of hermetically sealed pipes or another closed structure.
  • a first end of the dip tube is in contact with the heat source, causing the liquid fluid in the area of contact with the outer wall of the dip tube to evaporate.
  • the vapor flows through the dip tube to the second end of the dip tube (the vertical arrangement of the dip tube is inclined at an acute angle) or is transported back to the end in contact with the heat source by utilizing the capillary effect.
  • the disadvantage of the proposed immersion tube cooling is that the use of heat pipes or a thermosiphon is complex and only cools a small surface of the immersion tube. Therefore, efficient cooling is only possible with a limited volume flow of melt. In order to achieve surface cooling of the immersion tube, a large number of heat pipes or thermosiphons are necessary.
  • Another disadvantage is that it is not or hardly possible to adjust the heat dissipated and the cooling passively. It is therefore not possible with the method and the device to cool the melt at the outlet of the immersion tube to a specific and constant temperature, while the temperature of the melt at the inlet of the immersion tube changes. In addition, the device can only be operated with a liquid coolant.
  • the present invention is based on the task of reducing the high temperature of the melt that prevails at the start of casting as quickly as possible by means of simple gas or water cooling of the immersion tube and of achieving a constant temperature of the melt during the pouring process into the mold.
  • a user-friendly and structurally simple immersion tube cooling system is to be created.
  • the immersion tube cooling according to the invention for lowering the casting temperature of a melt in continuous casting plants comprises a container which at least partially encloses an unstressed immersion tube in the axial direction, wherein a channel is formed between the container and the immersion tube, wherein the container is formed at a first end with a fluid inlet and at a second end with a fluid outlet for cooling the melt conveyed in the immersion tube.
  • first, “second”, 7) primarily serve (only) to distinguish between several similar objects, sizes or processes and in particular do not necessarily specify a dependency and/or sequence of these objects, sizes or processes in relation to one another. If a dependency and/or sequence is required, this is explicitly stated here or it is obvious to the expert when studying the specifically described design.
  • the invention offers the advantage over the prior art that a large amount of heat can be dissipated by cooling the large area by means of the container surrounding the immersion tube and through which the fluid flows. As a result, the volume flow of the melt and thus the casting speed can be increased.
  • the invention offers the advantage that the proposed immersion tube cooling creates a structurally simple device.
  • the container is formed from at least two shells connected to one another.
  • the at least two shells are defined in such a way that they each surround the dip tube in sections in the circumferential direction.
  • the two shells surround the dip tube by 360°, whereby the respective circumferential section of the shells can be larger or smaller than 180°.
  • a division into more than two shells is also conceivable, which also completely surround the dip tube in combination in the circumferential direction.
  • At least one of the shells is made of aluminum or an aluminum alloy.
  • Aluminum or its alloys are good heat conductors, so that heat energy can be transferred from the fluid to the metal and in turn from the metal to the outside air via the outer surface of the immersion tube cooling.
  • the use of aluminum or another metal that conducts heat well This increases the cooling capacity of the immersion tube cooling. It is essential that the dimensions of the shells and the fluid quantities are adapted to the respective casting conditions in order to achieve the best possible cooling.
  • the container is designed as a cooling sleeve.
  • the second embodiment of the container differs from the embodiment of the container made of at least two shells in that the immersion tube cooling is formed from a tubular cooling sleeve, which also surrounds the immersion tube and forms a channel between itself and the immersion tube.
  • the cooling sleeve itself is made of a material that conducts heat well, such as aluminum or an aluminum alloy or a copper alloy.
  • the container formed from the cooling sleeve is air-tight and/or liquid-tight at both of its axial ends, with the container having the fluid inlet at one end and the fluid outlet at the other opposite end.
  • the container according to the second embodiment is completely closed, but has a fluid inlet at one end, when viewed in the axial direction, starting from the flow direction of the dip tube, and a fluid outlet at an opposite end.
  • the fluid inlet and fluid outlet can also be arranged differently on the container, in a physically more favorable position relative to one another. Since the cooling sleeve is closed at both axial ends, a clamping device is not necessary, since it is arranged on the dip tube via the closed ends.
  • a fluid can partially evaporate during the cooling process within the immersion tube cooling system.
  • the fluid inlet is as far down as possible in the immersion tube cooling system and the fluid outlet is as far up as possible from the Immersion tube cooling is carried out.
  • This arrangement of the fluid inlet and the fluid outlet ensures that the resulting gas phase is continuously removed within the immersion tube cooling.
  • a turbulence generator is arranged radially on the inside of one of the shells.
  • the turbulence generator causes the fluid to swirl as it passes through the container and along the immersion tube.
  • the turbulence creates an increased cooling effect and thus increases the efficiency of the immersion tube cooling.
  • two adjacent shells have a hinge in the area of a first contact area and a positive or non-positive connection option, preferably a screw connection, for connecting the adjacent shells in the area of a second contact area.
  • the positive or non-positive connection option in particular in the form of a screw connection, is not limited to two shells.
  • the shells are hingedly connected to one another by the hinge and can thus be subsequently arranged around an immersion tube.
  • the screw connections preferably have a wing nut.
  • the screw connection in the form of wing nuts offers the advantage over a conventional nut-screw connection that no tools are required to install the immersion tube cooling system on the immersion tube. This speeds up installation or deinstallation. The torques applied manually to the wing nuts are sufficient to ensure permanent attachment of the immersion tube cooling system to the immersion tube.
  • the shells each have a radially inwardly directed clamping device with which they rest against the outer surface of the dip tube in the installed state, wherein furthermore preferably the clamping devices are in axial Direction at the respective ends of the shells for preferably form-fitting fixing of the shells to the immersion tube.
  • the clamping devices are preferably made of high-temperature-resistant material.
  • the fluid is a gas or a liquid.
  • the gas can be air or nitrogen, for example, and the liquid can be water or a specific coolant.
  • a combination of a liquid and a gas is also conceivable.
  • the shells are preferably designed to be air- and/or liquid-tight in their contact areas on the hinge side and in their contact areas on the screw connection side.
  • the container formed from the shells is airtight and/or liquid-tight at one end and open at another end when viewed in the axial direction.
  • the container has the fluid inlet at its airtight and/or liquid-tight end, with the other open end of the container preferably being designed as a fluid outlet.
  • the container is bucket-shaped, with the fluid inlet being at the level of the bucket bottom.
  • the opening of the bucket represents the fluid outlet.
  • further openings can also be arranged in the end of the container facing away from the fluid inlet.
  • the container and/or the immersion tube are tubular in the axial direction, whereby the container and the immersion tube are preferably coaxial to each other.
  • the container and/or the immersion tube are tubular in the axial direction and arranged coaxially to each other.
  • a coaxial arrangement of the container in the form of the shells or the cooling sleeve opposite the immersion tube leads to constant cooling of the outer surface of the immersion tube and thus avoids stresses in the immersion tube.
  • the immersion tube cooling preferably comprises a sensor and/or a control system that regulates the volume flow of the fluid depending on the measured volume flow and the temperature of the melt.
  • the amount of gas or liquid that flows through the channel between the immersion tube and the container is adapted to the current casting situation.
  • the channel preferably has a clear width of 20 mm to 100 mm, particularly preferably between 30 mm and 80 mm, depending on the required fluid throughput and available pump or blower.
  • a sensor system according to the invention can measure the required values directly or derive them indirectly from other measured values using suitable process models.
  • Statistical, analytical or self-learning process models can be used as process models.
  • the sensors will accordingly determine the volume flow, e.g. measured by magnetic-inductive methods, as well as the temperature of the melt and use this to determine the necessary cooling.
  • the amount of fluid is permanently adjusted as a function of the currently measured casting parameters such as volume flow and temperature of the melt.
  • the mass flow of the melt is also conceivable as a further or alternative casting parameter.
  • the average flow speeds of the melt in the immersion tube are preferably between 0.1 m/s and 1 m/s, more preferably between 0.3 m/s and 0.7 m/s and particularly preferably around 0.5 m/s.
  • the aim is to achieve a maximum cooling of the melt of around 15 K, depending on the geometry of the immersion tube, the casting performance, the amount of fluid and its temperature.
  • a turbulent flow of the fluid around or along the immersion tube is preferred.
  • the fluid quantity is set in the form of a previously defined cooling strategy with target values.
  • Such a setting of the volume flow of the fluid is interpolated and, if necessary, extrapolated from previous tests or from known empirical values. A measurement of the volume flow and the temperature of the melt is then no longer necessary.
  • the melt will have its highest temperature at the start of the casting process.
  • the melt entering the dip tube is cooled as much as possible by the dip tube cooling system in order to achieve a desired lower melt temperature.
  • the melt cools slightly before entering the dip tube.
  • the cooling capacity of the dip tube cooling system is reduced by an amount equivalent to the cooling of the melt.
  • the temperature of the melt at the start is selected so that at the end of the casting process, cooling of the melt is no longer necessary in order to achieve a homogeneous temperature of the melt flowing into a mold throughout the entire casting process.
  • the increase in the surface area of the immersion tube leads to increased convection between the outer surface of the immersion tube and the fluid used.
  • a rib-shaped outer surface of the immersion tube is particularly suitable for this.
  • the ribs extend in the axial direction and thus ensure an increase in the surface to volume ratio.
  • the increase in the surface area of the immersion tube is not limited to ribs.
  • Other design options are also conceivable that lead to a larger surface to volume ratio and thus to increased heat transfer from the immersion tube to the fluid.
  • the immersion tube has a length of between 800 mm and 2000 mm, particularly preferably a length of between 900 mm and 1400 mm.
  • the average inner diameter of the immersion tube is preferably between 30 mm and 100 mm, with the inner diameter particularly preferably being between 50 mm and 90 mm.
  • the outer diameter is preferably between 80 mm and 180 mm and particularly preferably between 90 mm and 130 mm.
  • the material of the immersion tube should be optimized in terms of heat conduction and the stresses that occur due to the temperature gradient.
  • An Al 2 O 3 -based ceramic base matrix with an Al 2 O 3 content of > 75% to 85% (wt.%) is advantageous.
  • the rest is supplemented by the oxides or nitrides of boron, zirconium and/or silicon as well as unavoidable impurities.
  • the necessary overheating of the melt means that the melt enters the mold too hot when pouring.
  • the temperature of the melt approaches the ideal casting temperature.
  • the surface-to-volume ratio of the melt increases in favor of the surface.
  • the casting parameters are determined continuously from the volume flow and the temperature of the melt, wherein the volume flow of the fluid is preferably reduced, preferably proportionally, as the volume flow and the temperature of the melt decrease.
  • the amount of fluid is proportionally reduced with variable pouring parameters, according to step d.
  • the required cooling flow is preferably set in advance and without measurement, with maximum cooling of the immersion tube by the fluid preferably taking place at the start of pouring, with medium cooling of the immersion tube by the fluid taking place towards the middle of pouring, and with no cooling of the immersion tube by the fluid taking place at the end of pouring.
  • the fluid is cooled in an unused heat exchanger downstream of the fluid outlet and, after cooling, returned to the Container via the fluid inlet.
  • fresh fluid is preferably used to cool the immersion tube.
  • a closed cooling circuit is preferable when cooling with a liquid, whereas an open cooling circuit is preferable when cooling with air, for example.
  • a closed cooling circuit is also possible when using nitrogen or other gases, but also air.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an immersion tube cooling system 1 according to the invention for lowering the casting temperature of the melt A in continuous casting plants with high throughputs or casting speeds, thin dimensions or in endless casting and rolling plants.
  • the immersion tube cooling system 1 is formed from two shells 3.3, each of which has a circumference of 180°.
  • the shells 3.3 themselves are made of a material with good heat conduction, such as aluminum (Al) or an aluminum alloy.
  • the shells 3.3 are provided with a hinge 3.6 on their mutually touching contact surfaces in the longitudinal direction on a first side and with screw connections 3.7 on the parallel and opposite second side.
  • the shells 3.3 can be hinged together by means of the hinge 3.6. and can thus be subsequently arranged around an immersion tube 2.
  • the screw connections 3.7 are designed as wing nuts.
  • Immersion tubes 2 usually consist of a refractory mix of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon oxide (SiO2), zirconium dioxide (ZrO2), potassium oxide (CaO), magnesium oxide (MgO) and carbon (C).
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • SiO2 silicon oxide
  • ZrO2 zirconium dioxide
  • CaO potassium oxide
  • MgO magnesium oxide
  • C carbon
  • the two shells 3.3 are each provided with star-shaped clamping devices 5 on their inner sides.
  • the clamping devices 5 are arranged in the axial end areas of the respective shell 3.3, pointing radially inwards.
  • the star-shaped clamping devices 5 made of high-temperature-resistant material, so that the shells 3.3 sit firmly on the immersion tube 2. Slipping of the shells 3.3 is thus impossible.
  • the shells 3.3 are arranged coaxially around the immersion tube 2 and form a tube themselves. Even if not shown in the figures, the shells 3.3 are sealed air-tight and/or liquid-tight at the top. Even though not shown in the figures, the shells 3.3 are also sealed air-tight and/or liquid-tight at all contact surfaces, such as in the area of the screw connection 3.7, in the area of the hinge 3.6 and in the upper contact area with the immersion tube 2.
  • the immersion tube cooling system 1 formed from the shells 3.3 forms a channel 4 in the form of an annular gap between itself and the immersion tube 2.
  • the channel 4 is designed to be flowed through by a fluid B that cools the melt A via the outer surface of the immersion tube 2.
  • the fluid B is a gas.
  • the fluid B is a gas.
  • Channel 4 for example, has a clear width of 30 mm - 80 mm, depending on the required gas throughput and available blower.
  • a fluid inlet 3.1 is formed, into which the fluid B in the form of air or gas is blown by a blower (not shown).
  • the annular channel 4 formed by the shells 3.3 is flowed through by cold gas B, which is blown in through the fluid inlet 3.1.
  • the aim is to convey as much and as cool a gas as possible through the channel 4.
  • the temperature of the blown-in gas can be, for example, 0 - 20°C.
  • the heated gas can be blown in radially directly below the tundish immersion tube connection (not shown) and then either flows out coaxially from the annular channel 4 of the shells 3.3 around the immersion tube 2, which then form a fluid outlet 3.2, or, although not shown, the gas is discharged radially outwards through holes in the walls of the shells 3.3 as further fluid outlets 3.2.
  • additional turbulence generators 3.5 in the channel 4 support the convective heat transport from the immersion tube 2 to the gas flowing around it.
  • gas as a coolant, no wear on the outside of the immersion tube 2 is to be expected even at high volume flows.
  • the surface of the immersion tube 2 can be enlarged. This is done, for example, by additional cooling fins (not shown) on the outer surface of the immersion tube 2.
  • the cooling effect can be increased if the volume to area ratio is increased in favor of the area.
  • various geometric designs of the immersion tube 2 and the immersion tube cooling 1 are conceivable. The shape must basically be adapted to the cooling situation and is only limited by the manufacturing competence of the refractory supplier.
  • Fig. 3 shows a schematic cross-sectional view of an immersion tube cooling system 1 according to the invention according to a second embodiment, for lowering the Casting temperature of the melt A in continuous casting plants with high throughputs or casting speeds, thin dimensions or in continuous casting rolling plants.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in that the immersion tube 2 is cooled with a liquid fluid B.
  • the immersion tube cooling system 1 of the second embodiment is very similar in its structure to the first embodiment.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in that the immersion tube cooling system 1 is formed from a tubular cooling sleeve 3.4, which also surrounds the immersion tube 2 coaxially.
  • the cooling sleeve 3.4 itself consists of a material with good heat conduction, such as aluminum (Al) or an aluminum alloy, which completely encloses the immersion tube 2.
  • the cooling sleeve 3.4 is sealed air-tight and/or liquid-tight in the axially upper and lower contact area with the immersion tube 2. This means that clamping devices on the inside of the cooling sleeve 3.4 are not necessary in order to hold it coaxially around the immersion tube 2.
  • the cooling sleeve 3.4 and the immersion tube cooling 1 form an annular channel 4 between them.
  • the channel 4 has, for example, a clear width of 30 mm - 80 mm, depending on the required fluid throughput and available pump.
  • a fluid inlet 3.1 is formed in the axially upper area of the immersion tube cooling 1 formed by the cooling sleeve 3.4.
  • the liquid fluid B flows through the annular channel 4 formed by the cooling sleeve 3.4 and the immersion tube 2, which is fed to the annular channel 4 through the fluid inlet 3.1.
  • the aim is to convey as much and as cool a fluid B as possible through the annular channel 4.
  • the temperature of the introduced liquid fluid B can be, for example, 5 to 20°C. It should be noted that most liquids have a higher heat capacity than gases, whereby a liquid-operated immersion tube cooling system 1 can be dimensioned smaller than a gas-operated immersion tube cooling system 1, while maintaining the same cooling capacity.
  • the fresh liquid fluid B can be pumped radially into the annular channel 4 via the fluid inlet 3.1 directly below the tundish immersion tube connection, which is located at a first end of the immersion tube cooling system 1.
  • the fluid B exits the immersion tube cooling system 1 again through the fluid outlet 3.2 and is fed, for example, to a heat exchanger (not shown). After passing through the heat exchanger, the cooled fluid B is made available again to the immersion tube cooling system 1 via the fluid inlet 3.1 by means of the pump (not shown).
  • liquid fluid B it should be noted that liquids can partially evaporate during the cooling process within the immersion tube cooling system 1.
  • the fluid inlet 3.1 is as far down as possible in the immersion tube cooling system 1 and the fluid outlet 3.2 is as far up as possible from the immersion tube cooling system 1. This arrangement of the fluid inlet 3.1 and the fluid outlet 3.2 ensures that the resulting gas phase is continuously transported away within the immersion tube cooling system 1.

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  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Tauchrohrkühlung (1) und ein Verfahren zum Betrieb einer Tauchrohrkühlung (1) zur Absenkung der Gießtemperatur einer Schmelze (A) bei Stranggießanlagen, umfassend einen, ein nicht beanspruchtes Tauchrohr (2) in axialer Richtung zumindest abschnittsweise umschließenden, Behälter (3), wobei zwischen dem Behälter (3) und dem Tauchrohr (2) ein Kanal (4) ausgebildet wird, wobei der Behälter (3) an einem ersten Ende mit einem Fluideinlass (3.1) und an einem zweiten Ende mit einem Fluidauslass (3.2) zur Kühlung der in dem Tauchrohr (2) beförderten Schmelze (A) ausgebildet ist.

Description

    Gebiet:
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tauchrohrkühlung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Tauchrohrkühlung mit hohen Durchsätzen beziehungsweise Gießgeschwindigkeiten, dünnen Abmessungen und / oder bei Gießwalzanlagen.
    • Stand der Technik:
  • Bei bestimmten Stranggießanlagen, beispielsweise bei Stranggießanlagen mit großen Pfannen, gelangt wegen der notwendigen Überhitzung der Schmelze die Schmelze beim Angießen zu heiß in die Kokille. Zum Gießende steigt das Oberflächen-Volumenverhältnis der Schmelze in der Pfanne zu Gunsten der Oberfläche an. Dies führt zu einer beschleunigten Auskühlung der Schmelze. Mit sinkendem Spiegel der Schmelze in der Pfanne nähert sich die Temperatur der Schmelze der idealen Gießtemperatur an.
  • Im Folgenden definiert der Begriff Schmelze im Wesentlichen Stahlschmelzen, wobei sowohl das Verfahren als auch die Vorrichtung grundsätzlich auch zur Absenkung der Gießtemperatur von Nichteisenmetallschmelzen geeignet sind.
  • Aus dem Stand der Technik sind Tauchrohrkühlungen und Verfahren zum Betreiben einer Tauchrohrkühlung bekannt, deren Funktion darin besteht, die Gießtemperatur der Schmelzen zu senken, um einen gewünschten Grad an Feststoffanteilen, bspw. Keime zur Kristallisation bei der Erstarrung, in der Schmelze aufzuweisen, bevor die Schmelze in die Kokille eingefüllt wird.
  • So offenbart die WO 2011/117296 A1 ein Verfahren zum Vergießen einer Schmelze und ein dafür geeignetes Tauchrohr für eine Stranggießanlage. Ziel der WO 2022/117296 A1 ist es, ein Verfahren und ein Tauchrohr zu schaffen, mit denen ein Gießprodukt mit einem homogenen, feinen Gefüge und einem geringen Seigerungsanteil erhalten werden kann.
  • Dazu wird die aus einer Pfanne fließende Schmelze in dem Tauchrohr abgekühlt, sodass die Schmelze beim Verlassen des Tauchrohrs den gewünschten Feststoffanteil aufweist. Die Abkühlung der Schmelze erfolgt mittels Wärmerohren oder eines Thermosiphons, die an das Tauchrohr angebunden sind.
  • Es wird zwischen zwei Bauformen von Wärmerohren unterschieden: Der Heatpipe und dem Zwei-Phasen-Thermosiphon. Das grundlegende Funktionsprinzip ist bei beiden Bauformen gleich. Der Rücktransport des Fluids erfolgt bei beiden Bauformen passiv und damit ohne Hilfsmittel wie etwa einer Umwälzpumpe. Heatpipes oder Thermosiphons bestehen normalerweise aus hermetisch verschlossenen Rohren oder einer anderen geschlossenen Struktur.
  • Ein erstes Ende des Tauchrohres steht im Kontakt mit der Wärmequelle, wodurch das flüssige Fluid im Kontaktbereich mit der Außenwandung des Tauchrohrs verdampft wird. Der Dampf strömt durch das Tauchrohr zum zweiten Ende des Tauchrohres der Vertikalen um einen spitzen Winkel geneigte Anordnung des Tauchrohres oder durch Ausnutzung des Kapillaren-Effekts zurück an das mit der Wärmequelle in Kontakt stehende Ende transportiert.
  • Nachteilig bei der in der WO 2011/117296 A1 vorgeschlagenen Tauchrohrkühlung ist jedoch, dass die Verwendung von Wärmerohren oder eines Thermosiphons aufwändig ist und diese nur eine kleine Oberfläche des Tauchrohres abkühlen. Mithin ist eine effiziente Kühlung nur bei einem begrenzten Volumenstrom an Schmelze möglich. Um eine flächige Abkühlung des Tauchrohres zu erzielen, sind eine Vielzahl von Wärmerohren oder Thermosiphonen nötig. Darüber hinaus ist von Nachteil, dass eine Einstellung der abgeführten Wärme nicht oder kaum möglich ist und die Kühlung passiv erfolgt. Mithin ist es mit dem Verfahren und der Vorrichtung nicht möglich, die Schmelze am Auslass des Tauchrohres auf eine spezifische und gleichbleibende Temperatur zu kühlen, bei sich verändernder Temperatur der Schmelze am Einlass des Tauchrohres. Darüber hinaus ist ein Betreiben der Vorrichtung nur mit einem flüssigen Kühlmittel möglich.
    • Aufgabe der Erfindung:
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die zum Gießbeginn vorherrschende hohe Temperatur der Schmelze durch eine einfache Gas- oder Wasserkühlung des Tauchrohrs möglichst schnell zu reduzieren und eine konstante Temperatur der Schmelze beim Gießvorgang in die Kokille zu erzielen. Darüber hinaus soll eine benutzerfreundliche und konstruktiv einfach gestaltete Tauchrohrkühlung geschaffen werden.
    • Erfindung:
  • Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie mit den nebengeordneten Ansprüchen 14, 15 und 16. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren.
  • Die erfindungsgemäße Tauchrohrkühlung zur Absenkung der Gießtemperatur einer Schmelze bei Stranggießanlagen umfasst einen, ein nicht beanspruchtes Tauchrohr in axialer Richtung zumindest abschnittsweise umschließenden, Behälter, wobei zwischen dem Behälter und dem Tauchrohr ein Kanal ausgebildet wird, wobei der Behälter an einem ersten Ende mit einem Fluideinlass und an einem zweiten Ende mit einem Fluidauslass zur Kühlung der in dem Tauchrohr beförderten Schmelze ausgebildet ist.
  • Die im Folgenden verwendeten Zahlenwörter ("erste", "zweite", ...) dienen vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen und geben insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vor. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung.
  • Die Erfindung bietet gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch die großflächige Kühlung, mittels des das Tauchrohr umgebenden und mit dem Fluid durchströmten Behälters, eine große Wärmemenge abgeführt werden kann. Infolge dessen kann der Volumenstrom der Schmelze und mithin die Gießgeschwindigkeit erhöht werden. Darüber hinaus bietet die Erfindung den Vorteil, dass mit der vorgeschlagenen Tauchrohrkühlung eine konstruktiv einfache Vorrichtung geschaffen wird.
  • Vorteilhafte Ausführungen der Tauchrohrkühlung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 13 dargestellt.
  • Vorzugsweise wird der Behälter aus zumindest zwei miteinander verbundenen Schalen gebildet. Die zumindest zwei Schalen sind so definiert, dass diese das Tauchrohr jeweils in Umfangsrichtung abschnittsweise umgeben. Bei gemeinsamer Betrachtung umgeben die beiden Schalen das Tauchrohr zu 360°, wobei der jeweilige Umfangsabschnitt der Schalen größer oder kleiner als 180° sein kann. Ferner ist auch eine Aufteilung auf mehr als zwei Schalen denkbar, die das Tauchrohr ebenfalls in Umfangsrichtung in Kombination vollständig umgeben.
  • Vorzugsweise besteht zumindest eine der Schalen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Aluminium bzw. dessen Legierungen sind gute Wärmeleiter, so dass auch über die Außenoberfläche der Tauchrohrkühlung Wärmeenergie von dem Fluid, an das Metall und wiederum vom Metall an die Außenluft abgegeben werden kann. Die Verwendung von Aluminium oder einem anderen gut wärmeleitenden Metall erhöht somit die Kühlleistung der Tauchrohrkühlung. Wesentlich ist es, dass die Dimensionierung der Schalen und der Fluidmengen an die jeweiligen Gießbedingungen angepasst werden, um die bestmögliche Abkühlung zu erzielen.
  • In einer zu den Schalen alternativen Ausführungsform des Behälters, ist der Behälter als Kühlmanschette ausgebildet. Die zweite Ausführungsform des Behälters unterscheidet sich von der Ausführungsform des Behälters aus zumindest zwei Schalen zunächst dadurch, dass die Tauchrohrkühlung aus einer rohrförmigen Kühlmanschette gebildet wird, die das Tauchrohr ebenfalls umgibt und einen Kanal zwischen sich und dem Tauchrohr ausbildet. Wie auch die Schalen, besteht auch die Kühlmanschette selbst aus einem gut wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder aus einer Kupferlegierung.
  • Gemäß der zweiten Ausführungsform ist der aus der Kühlmanschette gebildete Behälter an seinen beiden axialen Enden luft- und/oder flüssigkeitsdicht, wobei der Behälter an dem einen Ende den Fluideinlass und an dem gegenüberliegenden anderen Ende den Fluidauslass aufweist. Mit anderen Worten ist der Behälter gemäß der zweiten Ausführungsform vollständig geschlossen, weist jedoch an seinem einen Ende, bei Betrachtung in axialer Richtung, ausgehend von der Fließrichtung des Tauchrohres, einen Fluideinlass sowie an einem gegenüberliegendem Ende einen Fluidauslass auf. Der Fluideinlass und Fluidauslass können auch anders, in physikalisch günstiger zueinander gelegener Position an dem Behälter angeordnet werden. Da die Kühlmanschette an beiden axialen Enden geschlossen ist, ist eine Spannvorrichtung nicht notwendig, da sie über die geschlossenen Enden an dem Tauchrohr angeordnet ist.
  • Abhängig vom Fluid ist zu beachten, dass ein Fluid beim Kühlprozess innerhalb der Tauchrohrkühlung zum Teil verdampfen kann. Um den Gasvolumenanteil in dem Kanal, gebildet durch den Zwischenraum von Tauchrohr und dem dieses zum Teil umschließenden Behälters möglichst gering und somit eine konstante Kühlleistung beizubehalten, ist es technisch vorteilhaft, wenn der Fluideinlass möglichst weit unten in die Tauchrohrkühlung und der Fluidauslass möglichst weit oben aus der Tauchrohrkühlung erfolgt. Durch diese Anordnung des Fluideinlasses und des Fluidauslasses ist ein Abtransport der entstehenden Gasphase innerhalb der Tauchrohrkühlung fortwährend gewährleistet. Bei einer Kühlung durch Gas ist eine Phasenbildung nicht zu erwarten, so dass die Anordnung des Fluideinlasses und des Fluidauslasses aus physikalischer Sicht mehrere Optionen geboten sind.
  • Vorzugsweise ist in einer der Schalen radial innenseitig ein Turbulenzerzeuger angeordnet. Der Turbulenzerzeuger sorgt für eine Verwirbelung des durch den Behälter und an dem Tauchrohr entlang streifenden Fluids. Die Verwirbelung sorgt für eine gesteigerte Kühlwirkung und somit zu einem erhöhten Wirkungsgrad der Tauchrohrkühlung.
  • Vorzugsweise weisen zwei benachbarte Schalen im Bereich eines ersten Kontaktbereichs zueinander ein Scharnier und im Bereich eines zweiten Kontaktbereichs eine form- oder kraftschlüssige Verbindungsmöglichkeit auf, bevorzugt eine Verschraubung, zum Verbinden der benachbarten Schalen. Die form-oder kraftschlüssige Verbindungsmöglichkeit, insbesondere in Form einer Verschraubung, ist nicht auf zwei Schalen begrenzt. Durch das Scharnier sind die Schalen aufklappbar miteinander verbunden und können so nachträglich um ein Tauchrohr angeordnet werden. Um eine nachträgliche Installation beziehungsweise eine Demontage bei verändertem Herstellungsverfahren zu vereinfachen, weisen die Verschraubungen vorzugsweise eine Flügelmutter auf. Die Verschraubung in Form von Flügelmuttern bietet den Vorteil gegenüber einer konventionellen Mutter-Schraubenverbindung, dass zur Installation der Tauchrohrkühlung an dem Tauchrohr keine Werkzeuge nötig sind. Mithin wird eine Installation oder Deinstallation beschleunigt. Die auf die Flügelmuttern händisch aufgebrachten Momente sind ausreichend, um eine dauerhafte Befestigung der Tauchrohrkühlung an dem Tauchrohr zu gewährleisten.
  • Vorzugsweise weisen die Schalen jeweils eine radial nach innen gerichtete Spannvorrichtung auf, mit der sie im installierten Zustand an der Außenfläche des Tauchrohres anliegen, wobei ferner bevorzugt die Spannvorrichtungen in axialer Richtung an den jeweiligen Enden der Schalen zum vorzugsweise formschlüssigen, Fixieren der Schalen an dem Tauchrohr angeordnet sind. Die Schalen werden beim Anziehen der Flügelmuttern durch die Spannvorrichtung gegen das Tauchrohr gepresst beziehungsweise verspannt, so dass die Schalen fest auf der Außenoberfläche des Tauchrohres sitzen. Ein Verrutschen der Schalen entlang des Tauchrohres ist damit ausgeschlossen. Da das Tauchrohr sich durch die in ihm fließende Schmelze stark erhitzt, bestehen die Spannvorrichtungen vorzugsweise aus hochtemperaturbeständigem Material.
  • Bei dem Fluid handelt es sich um ein Gas oder eine Flüssigkeit. Bei dem Gas kann es sich Beispielsweise um Luft oder Stickstoff handeln, wobei es sich bei der Flüssigkeit um Wasser oder ein spezifisches Kühlmittel handeln kann. Denkbar ist aber auch eine Kombination aus einer Flüssigkeit und einem Gas.
  • Damit das gasförmige und/oder flüssige Fluid nicht ungewollt aus dem Behälter austritt, sind die Schalen vorzugsweise in ihrem Kontaktbereichen auf Seite des Scharniers und in Ihrem Kontaktbereich auf Seite der Verschraubung luft- und/oder flüssigkeitsdicht ausgelegt.
  • Vorzugsweise ist der aus den Schalen gebildete Behälter bei Betrachtung in axialer Richtung an einem Ende luft- und/oder flüssigkeitsdicht und an einem anderen Ende offen ausgebildet. Insbesondere bevorzugt weist der Behälter an seinem luft-und/oder flüssigkeitsdichten Ende den Fluideinlass auf wobei vorzugsweise das andere offene Ende des Behälters als ein Fluidauslass ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist der Behälter eimerförmig ausgebildet, wobei der Fluideinlass auf Höhe des Eimerbodens ist. Die Öffnung des Eimers hingegen stellt den Fluidauslass dar. Alternativ oder zusätzlich können auch weitere Öffnungen im vom Fluideinlass abgewandten Ende des Behälters angeordnet sein.
  • Vorzugsweise sind der Behälter und/oder das Tauchrohr in axialer Richtung rohrförmig ausgebildet, wobei vorzugsweise der Behälter und das Tauchrohr koaxial zueinander ausgebildet sind. Um eine konstante und gleichmäßige Nutzung des Fluids im Kühlbericht zu erzielen, sind der Behälter und/oder das Tauchrohr in axialer Richtung rohrförmig ausgebildet und koaxial zueinander angeordnet. Eine koaxiale Anordnung des Behälters in Form der Schalen oder der Kühlmanschette gegenüber dem Tauchrohr führt zu einer konstanten Kühlung der Außenoberfläche des Tauchrohres und vermeidet somit Spannungen im Tauchrohr.
  • Vorzugsweise umfasst die Tauchrohrkühlung eine Sensorik oder/und eine Steuerung, die abhängig von dem gemessenen Volumenstrom und der Temperatur der Schmelze den Volumenstrom des Fluids regelt. Die Gas- oder Flüssigkeitsmenge, welche durch den Kanal zwischen dem Tauchrohr und dem Behälter strömt beziehungsweise fließt, wird an die aktuelle Gießsituation angepasst. Der Kanal weist vorzugweise eine lichte Breite von 20 mm bis 100 mm auf, besonders bevorzugt zwischen 30mm und 80mm, je nach erforderlichem Fluiddurchsatz und verfügbarer Pumpe oder Gebläse.
  • Eine erfindungsgemäße Sensorik kann direkt die benötigten Werte messen oder diese indirekt mittels geeigneter Prozessmodelle aus anderen Messwerten ableiten. Als Prozessmodelle können bspw. statistische, analytische oder selbstlernende Prozessmodelle eingesetzt werden.
  • Die Sensorik wird dementsprechend den Volumenstrom, z.B. gemessen durch magnetisch-induktive Verfahren, sowie die Temperatur der Schmelze ermitteln und daraus die nötige Kühlung bestimmen. Die Fluidmenge wird permanent als Funktion der aktuell gemessenen Gießparameter wie Volumenstrom und Temperatur der Schmelze eingestellt. Alternativ zum Volumenstrom der Schmelze ist auch der Massestrom der Schmelze als weiterer oder alternativer Gießparameter denkbar. Die mittleren Strömungsgeschwindigkeiten der Schmelze im Tauchrohr liegen vorzugsweise zwischen 0,1 m/s und 1 m/s, ferner bevorzugt zwischen 0,3 m/s und 0,7 m/s und besonders bevorzugt bei ca. 0,5 m/s. Angestrebt wird eine maximale Abkühlung der Schmelze von etwa 15 K, je nach Geometrie des Tauchrohres, der Gießleistung, der Fluidmenge und dessen Temperatur. Bevorzugt ist eine turbulente Strömung des Fuids um bzw. entlang des Tauchrohres.
  • Alternativ bevorzugt zu der Messung der Temperatur und des Volumenstroms der Schmelze wird die Fluidmenge in Form einer vorher definierten Kühlungsstrategie mit Sollwerten eingestellt. Eine solche Einstellung des Volumenstroms des Fluids wird durch vorangegangene Versuche oder durch bekannte Erfahrungswerte interpoliert und gegebenenfalls extrapoliert. Eine Messung des Volumenstroms und der Temperatur der Schmelze ist dann nicht mehr nötig.
  • Die Schmelze wird zu Beginn des Gießprozesses die höchste Temperatur aufweisen. Somit wird zu Beginn des Gießprozesses, also bei vollständig gefüllter Pfanne, die in das Tauchrohr eintretende Schmelze maximal durch die Tauchrohrkühlung gekühlt, um eine gewünschte niedrigere Temperatur der Schmelze zu erzielen. Mit fortlaufendem Gießprozess kühlt die Schmelze bereits vor Eintritt in das Tauchrohr leicht ab. Somit, um eine gleichbleibende Temperatur der Schmelze beim Austritt aus dem Tauchrohr zu erzielen und ein globulares Gefüge einzustellen, wird die Kühlleistung der Tauchrohrkühlung äquivalent zu der Abkühlung der Schmelze reduziert. Um Energiekosten einzusparen, ist es von Vorteil, wenn die Temperatur der Schmelze zu Beginn so gewählt ist, dass beim Ende des Gießprozesses eine Kühlung der Schmelze nicht mehr nötig ist, um eine homogene Temperatur der Schmelze, die in eine Kokille einströmt, über den gesamten Gießprozess zu erzielen.
  • Darüber hinaus offenbart die Erfindung ein System aus einem Tauchrohr und einer Tauchrohrkühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, zur Absenkung der Gießtemperatur einer das Tauchrohr durchströmenden Schmelze, wobei
    • Wärme von dem Tauchrohr an ein den Behälter durchströmendes Fluid übertragbar ist; und
    • die Menge des den Behälter durchströmende Fluid abhängig von der abzuführenden Wärme des Tauchrohres regel- oder steuerbar ist; und
    • die Außenoberfläche des Tauchrohrs eine gegenüber einem runden Durchmesser abweichende Oberflächenvergrößerung, vorzugsweise durch Rippen, aufweist.
  • Die Oberflächenvergrößerung des Tauchrohrs führt zu einer gesteigerten Konvektion zwischen der Außenoberfläche des Tauchrohres und dem verwendeten. Besonders dazu geeignet ist eine rippenförmige Außenoberfläche des Tauchrohrs. Die Rippen erstrecken sich in axialer Richtung und sorgen somit für eine Steigerung des Oberfläche- zu Volumenverhältnis. Die Vergrößerung der Oberfläche des Tauchrohres ist allerdings nicht auf Rippen beschränkt. Auch andere Gestaltungsmöglichkeiten sind denkbar, die zu einer größerem Fläche-zu-Volumenverhältnis und somit zu einer gesteigerten Wärmeübertragung von dem Tauchrohr auf das Fluid führen.
  • Um eine optimale Kühlung des Tauchrohres mit der Tauchrohrkühlung zu erzielen, weist das Tauchrohr eine Länge zwischen 800 mm und 2000 mm, besonders bevorzugt eine Länge zwischen 900 mm und 1400 mm auf. Der mittlere Innendurchmesser des Tauchrohres beträgt vorzugsweise zwischen 30 mm und 100 mm, wobei besonders bevorzugt der Innendurchmesser zwischen 50 mm und 90 mm beträgt. Der Außendurchmesser beträgt vorzugsweise zwischen 80 mm und 180 mm und besonders bevorzugt zwischen 90 mm und 130 mm.
  • Der Werkstoff des Tauchrohres sollte hinsichtlich der Wärmeleitung und der auftretenden Spannungen aufgrund des Temperaturgradienten optimiert sein. Vorteilhaft ist eine Al2O3-basierte keramische Grundmatrix mit einem Al2O3-Gehalt > 75 % bis 85 % (Gew.-%). Der Rest wird durch die Oxide bzw. Nitride von Bor, Zirkon und / oder Silizium sowie nicht vermeidbaren Verunreinigungen ergänzt.
  • Neben der Vorrichtung umfasst die Erfindung auch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb einer Tauchrohrkühlung zur Absenkung der Gießtemperatur der Schmelze bei Stranggießanlagen nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem die Schritte ausgeführt werden:
    1. a. Einleiten des Fluids über den Fluideinlass in den Behälter und durchströmen des Fluids durch den Behälter;
    2. b. Kühlung des von Schmelze durchströmten Tauchrohres durch das eingeleitete und an der Außenwandung des Tauchrohres entlangströmende Fluid;
    3. c. Ausleiten des erhitzen Fluides über den Fluidauslass aus dem Behälter;
    4. d. Anpassen des Volumenstromes des Fluids an die aktuelle Gießsituation anhand der Gießparameter.
    5. e. während die Schritte a. bis c. durchlaufen werden, wird die Fluidmenge an die aktuelle Gießsituation anhand der Gießparameter angepasst.
  • Um eine gleichbleibende Qualität des Stranggusses zu gewährleisten, ist es zunächst nötig, dass die Temperatur der Schmelze beim Gießen in die Kokille konstant gehalten wird. Bei bestimmten Stranggießanlagen, zum Beispiel mit großen Pfannen, gelangt wegen der notwendigen Überhitzung der Schmelze die Schmelze beim Angießen zu heiß in die Kokille. Mit sinkendem Spiegel der Schmelze in der Pfanne nähert sich die Temperatur der Schmelze der idealen Gießtemperatur an. Zum Gießende steigt das Oberflächen-Volumenverhältnis der Schmelze zu Gunsten der Oberfläche an.
  • Vorzugsweise erfolgt eine Ermittlung der Gießparameter aus Volumenstrom und der Temperatur der Schmelze kontinuierlich, wobei vorzugsweise mit sinkendem Volumenstrom und der Temperatur der Schmelze der Volumenstrom des Fluids, vorzugsweise proportional, abgesenkt wird.
  • Durch die Messung und/oder Steuerung des Volumenstroms und der Temperatur der Schmelze und der damit einhergehenden regulierten und/oder gesteuerten Kühlung der Schmelze, kann eine homogene Temperatur der Schmelze beim Gießvorgang in die Kokille erzielt werden. Dementsprechend wird mit veränderlichen Gießparametern, gemäß Schritt d., die Fluidmenge proportional verringert. Alternativ bevorzugt ist der nötige Kühlstrom vorweg und ohne Messung einzustellen, wobei dann bevorzugt zu Gießbeginn eine maximale Kühlung des Tauchrohres durch das Fluid erfolgt, wobei zur Gießmitte eine mittlere Kühlung des Tauchrohres durch das Fluid erfolgt, und wobei zum Gießende keine Kühlung des Tauchrohres durch das Fluid erfolgt.
  • Vorzugsweise wird das Fluid in einem nicht beanspruchten, dem Fluidauslass nachgeschaltetem Wärmetauscher abgekühlt und nach Abkühlung wieder dem Behälter über den Fluideinlass zugeführt. Alternativ bevorzugt wird frisches Fluid für die Kühlung des Tauchrohres verwendet. Ein geschlossener Kühlkreislauf ist bei einer Kühlung durch eine Flüssigkeit zu bevorzugen, wobei einer offener Kühlkreislauf bei beispielsweise einer Kühlung durch Luft zu bevorzugen ist. Allerdings ist auch ein geschlossener Kühlkreislauf bei der Verwendung von Stickstoff oder anderen Gasen, aber auch Luft, möglich.
  • Der Beschreibung sind die folgenden sechs Figuren beigefügt:
    • Fig. 1:
    schematische Darstellung einer Tauchrohrkühlung
    Fig. 2:
    schematische Querschnittsansicht der Tauchrohrkühlung
    Fig. 3:
    schematische Querschnittsansicht einer Tauchrohrkühlung gemäß einer zweiten Ausführungsform
    Fig. 4:
    schematische Darstellung der Tauchrohrkühlung gemäß der zweiten Ausführungsform
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Tauchrohrkühlung 1 zur Absenkung der Gießtemperatur der Schmelze A bei Stranggießanlagen mit hohen Durchsätzen beziehungsweise Gießgeschwindigkeiten, dünnen Abmessungen oder bei Endlos-Gießwalzanlagen. Die Tauchrohrkühlung 1 wir gebildet aus zwei Schalen 3.3, die jeweils einen Umfang von 180° Grad aufweisen. Die Schalen 3.3 selbst bestehen aus einem gut wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Aluminium (Al) oder einer Aluminiumlegierungen.
  • Gemäß Fig. 2 sind die Schalen 3.3 auf ihren sich gegenseitig berührenden Kontaktflächen in Längsrichtung auf einer ersten Seite mit einem Scharnier 3.6 und auf der parallelen und gegenüberliegenden zweiten Seite mit Verschraubungen 3.7 versehen. Durch das Scharnier 3.6 sind die Schalen 3.3 aufklappbar miteinander verbunden und können so nachträglich um ein Tauchrohr 2 angeordnet werden. Um eine nachträgliche Installation beziehungsweise eine Demontage bei verändertem Herstellungsverfahren zu vereinfachen, sind die Verschraubungen 3.7 als Flügelmuttern ausgebildet.
  • Tauchrohre 2 bestehen üblicherweise aus einem Feuerfestmix aus Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumoxid (SiOz), Zirkoniumdioxid (ZrOz), Kaliumoxid (CaO), Magnesiumoxid (MgO) und Kohlenstoff (C). Zur Erhöhung des Wärmedurchgangs von der Schmelze A and das Fluid B beziehungsweise an das Gas kann bewusst ein Feuerfestmaterial mit höherer Wärmeleitfähigkeit gewählt werden.
  • Die beiden Schalen 3.3 sind auf Ihren Innenseiten jeweils mit sternförmigen Spannvorrichtungen 5 versehen. Die Spannvorrichtungen 5 sind in den axialen Endbereichen der jeweiligen Schale 3.3 radial nach innen weisend angeordnet. Die Schalen 3.3 werden beim Anziehen der Verschraubungen 3.7 durch die sternförmigen Spannvorrichtungen 5 aus hochtemperaturbeständigem Material gegen das Tauchrohr 2 gepresst beziehungsweise verspannt, so dass die Schalen 3.3 fest auf dem Tauchrohr 2 sitzen. Ein Verrutschen der Schalen 3.3 ist damit ausgeschlossen. Nach der Installation sind die Schalen 3.3 koaxial um das Tauchrohr 2 angeordnet und bilden selber ein Rohr. Auch wenn in den Figuren nicht dargestellt, sind die Schalen 3.3 nach oben hin luft- und/oder flüssigkeitsdicht verschlossen. Auch wenn ebenfalls in den Figuren nicht dargestellt, sind die Schalen 3.3 darüber hinaus an allen Kontaktflächen, wie im Bereich der Verschraubung 3.7, im Bereich des Scharniers 3.6 sowie im oberen Kontaktbereich zum Tauchrohr 2 ebenfalls luft- und/oder flüssigkeitsdicht verschlossen.
  • Die aus den Schalen 3.3 gebildete Tauchrohrkühlung 1 bildet zwischen sich und dem Tauchrohr 2 einen Kanal 4 in Form eines ringförmigen Spaltes aus. Der Kanal 4 ist dazu ausgebildet von einem Fluid B durchströmt zu werden, dass die Schmelze A über die Außenoberfläche des Tauchrohres 2 kühlt. Gemäß der ersten Ausführungsform handelt es sich bei dem Fluid B um ein Gas. Beispielsweise Luft oder Stickstoff. Der Kanal 4 besitzt beispielsweise eine lichte Breite von 30 mm - 80 mm, je nach erforderlichem Gasdurchsatz und verfügbarem Gebläse.
  • Im axial oberen Bereich der aus den Schalen 3.3 gebildeten Tauchrohrkühlung 1 ist ein Fluideinlass 3.1 ausgebildet, in dem das Fluid B in Form von Luft beziehungsweise Gas durch ein nicht dargestelltes Gebläse eingeblasen wird.
  • Der durch die Schalen 3.3 gebildete ringförmige Kanal 4 wird von kaltem Gas B durchströmt, welches durch den Fluideinlass 3.1 eingeblasen wird. Ziel ist es, möglichst viel und möglichst kühles Gas durch den Kanal 4 zu fördern. Die Temperatur des Eingeblasenen Gases kann beispielsweise 0 - 20°C betragen. Das erwärmte Gas kann direkt unterhalb des nicht dargestellten Tundish-Tauchrohr-Anschlusses radial eingeblasen werden und strömt dann entweder koaxial aus dem ringförmigen Kanal 4 der Schalen 3.3 um das Tauchrohr 2 herum aus, welche dann einen Fluidauslass 3.2 bilden, oder, wenn auch nicht dargestellt, wird das Gas durch Bohrungen in den Wandungen der Schalen 3.3 radial nach außen als weitere Fluidauslässe 3.2 abgeleitet. Ferner unterstützen zusätzliche Turbulenzerzeuger 3.5 im Kanal 4 den konvektiven Wärmetransport vom Tauchrohr 2 an das umströmende Gas. Durch die Verwendung von Gas als Kühlmittel ist auch bei hohen Volumenströmen kein Verschleiß der Außenseite des Tauchrohres 2 zu erwarten.
  • Um die Kühlwirkung weiter zu erhöhen, kann die Oberfläche des Tauchrohres 2 vergrößert werden. Dies erfolgt beispielsweise durch zusätzliche, nicht dargestellte Kühlrippen auf der Außenoberfläche des Tauchrohres 2. Grundsätzlich kann die Kühlwirkung gesteigert werden, wenn das Volumen- zu Flächenverhältnis zugunsten der Fläche erhöht wird. Unter dieser Prämisse sind verschiedene geometrische Gestaltungen des Tauchrohrs 2 und der Tauchrohrkühlung 1 denkbar. Die Formgebung ist grundsätzlich der Kühlsituation entsprechend anzupassen und lediglich durch die Herstellungskompetenz des Feuerfestlieferanten begrenzt.
  • Fig. 3 zeigt schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Tauchrohrkühlung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform, zur Absenkung der Gießtemperatur der Schmelze A bei Stranggießanlagen mit hohen Durchsätzen beziehungsweise Gießgeschwindigkeiten, dünnen Abmessungen oder bei Endlos-Gießwalzanlagen. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Kühlung des Tauchrohres 2 mit einem flüssigen Fluid B erfolgt. Grundsätzlich ist die Tauchrohrkühlung 1 der zweiten Ausführungsform von ihrem Aufbau der ersten Ausführungsform sehr ähnlich. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform zunächst dadurch, dass die Tauchrohrkühlung 1 aus einer rohrförmigen Kühlmanschette 3.4 gebildet wird, die das Tauchrohr 2 ebenfalls koaxial umgibt.
  • Die Kühlmanschette 3.4 selbst besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Aluminium (Al) oder einer Aluminiumlegierung, welches das Tauchrohr 2 vollständig umschließt.
  • Wie in Fig. 4 dargestellt, ist die Kühlmanschette 3.4 im axial oberen und unteren Kontaktbereich zum Tauchrohr 2 luft- und/oder flüssigkeitsdicht verschlossen. Dies führt dazu, dass Spannvorrichtungen auf der Innenseite der Kühlmanschette 3.4 nicht nötig sind, um diese koaxial um das Tauchrohr 2 zu halten.
  • Wie auch die Schalen 3.3 bilden die Kühlmanschette 3.4 und die Tauchrohrkühlung 1 einen ringförmigen Kanal 4 zwischen sich aus. Der Kanal 4 besitzt beispielsweise eine lichte Breite von 30 mm - 80 mm, je nach erforderlichem Fluiddurchsatz und verfügbarer Pumpe.
  • Im axial oberen Bereich der aus der Kühlmanschette 3.4 gebildeten Tauchrohrkühlung 1 ist ein Fluideinlass 3.1 ausgebildet. Der durch die Kühlmanschette 3.4 und das Tauchrohr 2 gebildete ringförmige Kanal 4 wird von dem flüssigem Fluid B durchströmt, welches durch den Fluideinlass 3.1 dem ringförmigen Kanal 4 zugeführt wird. Wie auch bei der ersten Ausführungsform ist es Ziel, möglichst viel und möglichst kühles Fluid B durch den ringförmigen Kanal 4 zu fördern. Die Temperatur des eingeleiteten flüssigen Fluids B kann beispielsweise 5 bis 20°C betragen. Zu beachten ist, dass die meisten Flüssigkeiten eine höhere Wärmekapazität als Gase aufweisen, womit eine flüssigkeitsbetriebene Tauchrohrkühlung 1 kleiner dimensioniert werden kann, als eine gasbetriebene Tauchrohrkühlung 1, bei gleichbleibender Kühlleistung.
  • Das frische flüssige Fluid B kann direkt unterhalb des Tundish-Tauchrohr-Anschlusses, welches sich an einem ersten Ende der Tauchrohrkühlung 1 befindet, radial über den Fluideinlass 3.1 in den ringförmigen Kanal 4 eingepumpt werden. An dem zweiten Ende der Tauchrohrkühlung 1 tritt das Fluid B durch den Fluidauslass 3.2 aus der Tauchrohrkühlung 1 wieder aus und wird beispielsweise einem nicht dargestellten Wärmetauschen zugeführt. Nach Durchlauf des Wärmetauschers wird das erneut abgekühlte Fluid B mittels der nicht dargestellten Pumpe über den Fluideinlass 3.1 der Tauchrohrkühlung 1 wieder zur Verfügung gestellt.
  • Abhängig von der Wahl des flüssigen Fluids B ist zu beachten, dass Flüssigkeiten beim Kühlprozess innerhalb der Tauchrohrkühlung 1 zum Teil verdampfen können. Um den Gasvolumenanteil in dem ringförmigen Kanal 4 möglichst gering und somit eine konstante Kühlleistung beizubehalten, ist es technisch vorteilhaft, wenn der Fluideinlass 3.1 möglichst weit unten in die Tauchrohrkühlung 1 und der Fluidauslass 3.2 möglichst weit oben aus der Tauchrohrkühlung 1 erfolgt. Durch diese Anordnung des Fluideinlasses 3.1 und des Fluidauslasses 3.2 ist ein Abtransport der entstehenden Gasphase innerhalb der Tauchrohrkühlung 1 fortwährend gewährleistet.
  • Auch bei der zweiten Ausführungsform, wenn auch nicht dargestellt, ist es denkbar, dass zusätzliche Turbulenzerzeuger im ringförmigen Kanal 4 den konvektiven Wärmetransport vom Tauchrohr 2 an das umströmende, im Wesentlichen flüssige Fluid B erhöhen.
    Bezugszeichen Bedeutung
    1 Tauchrohrkühlung
    2 Tauchrohr
    3 Behälter
    3.1 Fluideinlass
    3.2 Fluidauslass
    3.3 Schale
    3.4 Kühlmanschette
    3.5 Turbulenzerzeuger
    3.6 Scharnier
    3.7 Verschraubung
    4 Kanal
    5 Spannvorrichtung
    A Schmelze
    B Fluid

Claims (19)

  1. Tauchrohrkühlung (1) zur Absenkung der Gießtemperatur einer Schmelze (A) bei Stranggießanlagen, umfassend einen, ein nicht beanspruchtes Tauchrohr (2) in axialer Richtung zumindest abschnittsweise umschließenden, Behälter (3),
    - wobei zwischen dem Behälter (3) und dem Tauchrohr (2) ein Kanal (4) ausgebildet wird; und
    - der Behälter (3) an einem ersten Ende mit einem Fluideinlass (3.1) und an einem zweiten Ende mit einem Fluidauslass (3.2) zur Kühlung des Tauchrohres (2) und damit der im Tauchrohr (2) beförderten Schmelze (A) ausgebildet ist.
  2. Tauchrohrkühlung (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Behälter (3) zumindest aus zwei miteinander verbundenen Schalen (3.3) gebildet wird.
  3. Tauchrohrkühlung (1) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zumindest eine der Schalen (3.3) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
  4. Tauchrohrkühlung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an zumindest einer der Schalen (3.3) radial innenseitig ein Turbulenzerzeuger (3.5) angeordnet ist.
  5. Tauchrohrkühlung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - zwei benachbarte Schalen (3.3) im Bereich eines ersten Kontaktbereichs zueinander ein Scharnier (3.6) aufweisen; und
    - die Schalen (1.2) im Bereich eines zweiten Kontaktbereichs eine form- oder kraftschlüssige Verbindungsmöglichkeit, bevorzugt eine Verschraubung (3.7), zum Verbinden benachbarter Schalen aufweisen.
  6. Tauchrohrkühlung (1) nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Verschraubung (3.7) eine Flügelmutter aufweist.
  7. Tauchrohrkühlung (1) nach einem der Ansprüche vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schalen (3.3) jeweils eine radial nach innen gerichtete Spannvorrichtung (5) aufweisen, mit der sie im installierten Zustand an der Außenfläche des Tauchrohres (2), vorzugsweise formschlüssig, anliegen.
  8. Tauchrohrkühlung (1) nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Spannvorrichtungen (5) in axialer Richtung an den jeweiligen Enden der Schalen (3.3) angeordnet sind zum, vorzugsweise formschlüssigen, Fixieren der Schalen (3.3) an dem Tauchrohr (2).
  9. Tauchrohrkühlung (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Spannvorrichtungen (5) aus einem hochtemperaturbeständigen Material bestehen.
  10. Tauchrohrkühlung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schalen (3.3) in ihrem Kontaktbereichen auf Seite des Scharniers (3.6) und in Ihrem Kontaktbereich auf Seite der Verschraubung (3.7) luft- und / oder flüssigkeitsdicht ausgelegt sind.
  11. Tauchrohrkühlung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der aus den Schalen (3.3) gebildete Behälter (3) bei Betrachtung in axialer Richtung an einem Ende luft- und/oder flüssigkeitsdicht ausgebildet ist; und
    - der Behälter (3) an einem anderen Ende offen ausgebildet ist.
  12. Tauchrohrkühlung (1) nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Behälter (3) an seinem luft- und/oder flüssigkeitsdichten Ende den Fluideinlass (3.1) aufweist; und
    - das andere offene Ende des Behälters (3) als ein Fluidauslass (3.2) ausgebildet ist.
  13. Tauchrohrkühlung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Behälter (3) und/oder das Tauchrohr (2) in axialer Richtung rohrförmig ausgebildet sind; und
    - der Behälter und das Tauchrohr koaxial zueinander angeordnet sind.
  14. System aus einem Tauchrohr (2) und einer Tauchrohrkühlung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, zur Absenkung der Gießtemperatur einer das Tauchrohr durchströmenden Schmelze (A) und einer Steuer- oder Regeleinrichtung für den Massenstrom des Fluid (B), wobei
    - Wärme von dem Tauchrohr (2) an ein den Behälter (3) durchströmendes Fluid (B) übertragbar ist; und
    - die Menge des den Behälter durchströmende Fluid (B) abhängig von der abzuführenden Wärme des Tauchrohres regel- oder steuerbar ist; und
    - die Außenoberfläche des Tauchrohrs (2) eine gegenüber einem runden Durchmesser abweichende Oberflächenvergrößerung, vorzugsweise durch Rippen, aufweist.
  15. System aus einem Tauchrohr (2) und einer Tauchrohrkühlung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und einer Stranggießanlage, zur Absenkung der Gießtemperatur einer das Tauchrohr durchströmenden Schmelze (A) und einer Steuer- oder Regeleinrichtung für den Massenstrom des Fluid (B), wobei
    - Wärme von dem Tauchrohr (2) an ein den Behälter (3) durchströmendes Fluid (B) übertragbar ist; und
    - die Menge des den Behälter durchströmende Fluid (B) abhängig von der abzuführenden Wärme des Tauchrohres regel- oder steuerbar ist; und
    - die Außenoberfläche des Tauchrohrs (2) eine gegenüber einem runden Durchmesser abweichende Oberflächenvergrößerung, vorzugsweise durch Rippen, aufweist.
  16. Verfahren zum Betrieb einer Tauchrohrkühlung (1) zur Absenkung der Gießtemperatur der Schmelze (A) bei Stranggießanlagen nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem die Schritte ausgeführt werden:
    a) Einleiten des Fluids (B) über den Fluideinlass (3.1) in den Behälter (3) und durchströmen des Fluids (B) durch den Behälter (3);
    b) Kühlung des von Schmelze (A) durchströmten Tauchrohres (2) durch das eingeleitete und an der Außenwandung des Tauchrohres (2) entlangströmende Fluid (B);
    c) Ausleiten des erhitzen Fluides (B) über den Fluidauslass (3.2) aus dem Behälter (3);
    d) Anpassen des Volumenstromes des Fluids an die aktuelle Gießsituation anhand der Gießparameter
  17. Verfahren nach Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - eine Ermittlung der Gießparameter aus Volumenstrom und der Temperatur der Schmelze (A) kontinuierlich erfolgt; und
    - mit sinkendem Volumenstrom und der Temperatur der Schmelze (A) der Volumenstrom des Fluids (B), vorzugsweise proportional, abgesenkt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - zu Gießbeginn eine maximale Kühlung des Tauchrohres (2) durch das Fluid (B) erfolgt, wobei zur Gießmitte eine mittlere Kühlung des Tauchrohres (2) durch das Fluid (B) erfolgt; und
    - zum Gießende keine Kühlung des Tauchrohres (2) durch das Fluid (B) erfolgt.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Fluid (B) in einem nicht beanspruchten, dem Fluidauslass (3.2) nachgeschaltetem Wärmetauscher abgekühlt und nach Abkühlung wieder dem Behälter (3) über den Fluideinlass (3.1) zugeführt wird.
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