EP4631645A1

EP4631645A1 - Stranggiessen von langprodukten mit hohem massenstrom

Info

Publication number: EP4631645A1
Application number: EP24169005.6A
Authority: EP
Inventors: Denijel Burzic; Vadym Khodiachykh; Jeffrey Morton; Franz Wimmer; Bernhard Winkler-Ebner
Original assignee: Primetals Technologies Austria GmbH
Current assignee: Primetals Technologies Austria GmbH
Priority date: 2024-04-08
Filing date: 2024-04-08
Publication date: 2025-10-15
Also published as: WO2025214904A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung befindet sich auf dem Gebiet der Stranggießtechnik und beschreibt eine Stranggießmaschine, ein Auslegungsverfahren sowie ein Verfahren zum Stranggießen von Langprodukten mit hohem Massenstrom.

Die Stranggießmaschine zum Vergießen von flüssigem Metall zu einem Strang zur Erzeugung von Knüppeln oder Vorblöcken mit einem Massendurchsatz von 1,5 bis 3,0 t/min ist dadurch gekennzeichnet, dass der sich mit dem Strang in Kontakt befindliche Teil der Kokille im Bereich des Badspiegels eine Wandstärke zwischen 3 und 8 % des kleinsten Abstandes von zwei genüberliegenden Seiten des Gießformats aufweist und die Länge eines Stützbereichs weniger als 5,5 m beträgt und die Oberfläche des Strangs durch eine Spritzkühlung im gesamten Bereich von 0,6 bis 11 m stromabwärts des Badspiegels auf eine Oberflächentemperatur von weniger als 950 °C gekühlt wird und im gesamten Bereich von 3 bis 7 m stromabwärts des Badspiegels auf eine Oberflächentemperatur von weniger als 900 °C gekühlt wird.

Description

Gebiet der Technik

Die vorliegende Erfindung befindet sich auf dem Gebiet der Stranggießtechnik und beschreibt eine Stranggießmaschine, ein Verfahren zur Auslegung einer Stranggießmaschine, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Stranggießmaschine. Die Stranggießmaschine ist geeignet zum Vergießen von Stahl zu Knüppeln oder Vorblöcken mit einem quadratischen oder einem rechteckigen Querschnitt mit einem Seitenverhältnis von 1 zu 1 bis 1 zu 1,5 und einem Massendurchsatz von 1,5 bis 3,0 t/min.
Das Auslegungsverfahren eignet sich zur Auslegung einer solchen Stranggießmaschine. Das Betriebsverfahren betrifft den Betrieb einer solchen Stranggießmaschine.

Stand der Technik

Wird eine Stranggießmaschine beispielsweise im direkten Verbund mit einem Walzwerk betrieben, so ergeben sich besondere Anforderungen an diese Stranggießmaschine. Anlagen zur Herstellung von Langprodukten in einem kontinuierlichen Gieß-/Walz- Verbundprozess, werden beispielsweise als EBP-Anlagen (endless bar production) bezeichnet. Gießprodukte im Sinne von Zwischenprodukten sind typischerweise Knüppel, Vorblöcke und Vorprofile. Dabei ist eine Einstrang-Gießmaschine direkt mit einer Walzstraße verbunden, um in einem Endlosprozess ein Walzprodukt herzustellen. Um die technisch möglichen Massendurchsätze der Walzstraße wirtschaftlich zu nutzen, muss die Einstrang-Gießmaschine für Langprodukte Massendurchsätze im Bereich 1,5 bis 3 t/min erreichen. Dafür sind wesentlich höhere Gießgeschwindigkeiten erforderlich, als mit typischen herkömmlichen Konzepten für solche Gießmaschinen erreicht werden.
Die Herstellung von Walzprodukten in einem kontinuierlichen Gieß-/Walz- Verbundprozess bietet mehrere Vorteile. Einerseits bietet die Technologie die höchste Ausbringung sowie den geringsten spezifischen CO₂-Ausstoß. Andererseits ermöglicht ein solcher Verbundprozess überaus stabile und gleichmäßige Produktionsbedingungen, die mit konventionellen, nicht im Verbund arbeitenden Prozessen, nicht erreichbar sind.
Die Erfindung beschreibt eine Stranggießmaschine, die die erforderliche Produktivität erreicht, die für den Betrieb eines kontinuierlichen Gieß-/Walz- Verbundprozesses erforderlich ist. Auch ohne den Betrieb in einem kontinuierlichen Gieß-/Walz- Verbundprozess bietet eine Stranggießanlage mit hohem Massendurchsatz wirtschaftliche Vorteile.
In EP 3 493 929 B1 wird ein Stranggießverfahren bzw. eine Vorrichtung zum Stranggießen von Metallprodukten unter Verwendung eines Gießbogens beschrieben. Erwähnung findet ein Vergießen von Stahl zu Knüppeln oder Vorblöcken mit einer polygonalen Form. In WO 2020/261311 A1 werden eine Kokille zum Stranggießen eines Metallprodukts und ein entsprechendes Verfahren beschrieben. Es wird eine Kokille mit einem Querschnitt in Form eines Achtecks angeführt, die sich für besonders hohe Gießgeschwindigkeiten eignet.
In AT506847B1 wird ein Verfahren zum Stranggießen eines Metallstrangs in einer Stranggießanlage beschrieben. Ein Strang wird aus einer gekühlten Durchlaufkokille ausgezogen, in einer nachgeordneten Strangstützeinrichtung gestützt und mit Kühlmittel gekühlt, wobei thermodynamische Zustandsänderungen des gesamten Strangs in einem mathematischen Simulationsmodell mitberechnet werden. Im mathematischen Simulationsmodell wird eine dreidimensionale Wärmeleitungsgleichung gelöst und die Kühlung des Strangs eingestellt.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der mit dem Strang in Kontakt befindliche Teil der Kokille im Bereich des Badspiegels eine Wandstärke zwischen 3 und 8 % des kleinsten Abstandes von 2 genüberliegenden Seiten des Gießformats aufweist.
Die Länge eines Stützbereichs beträgt weniger als 5,5 m, bevorzugt weniger als 3 m.
Die Oberfläche des Strangs wird durch eine Spritzkühlung gekühlt, wobei die Spritzkühlung eine Vielzahl von Spritzdüsen umfasst, welche in Gießrichtung entlang und in einer Umfangsrichtung des zu vergießenden Strangs angeordnet sind.
Somit kann mit den Spritzdüsen Kühlmedium auf alle Seiten des zu vergießenden Strangs entlang einer Gießrichtung aufgebracht werden. Die jeweiligen Spritzdüsenpositionen und Kühlmedienvolumenströme bestimmen maßgeblich die örtliche Verteilung des von der Strangoberfläche abgeführten Wärmestroms.
Jede Spritzdüse ist mit einem Stellglied, das bevorzugt ein Ventil und/oder eine Pumpe ist, verbunden, wobei eine Steuereinrichtung und/oder Regeleinrichtung, in Abhängigkeit von zumindest einer Gießgeschwindigkeit eine Stellgröße für zumindest ein Stellglied derart ermittelt, dass in einem gesamten Bereich von 0,9 bis 11m, bevorzugt in einem gesamten Bereich von 0,3 m bis 14 m stromabwärts des Kokillenaustritts eine Oberflächentemperatur von weniger als 950 °C einstellbar ist und in einem gesamten Bereich von 3 bis 7 m, bevorzugt in einem gesamten Bereich von 2 bis 10 m stromabwärts des Kokillenaustritts eine Oberflächentemperatur von weniger als 900 °C einstellbar ist.
Dabei sind meist mehrere Spritzdüsen gemeinsam mit einem Stellglied verbunden. Diese Spritzdüsen bilden jeweils eine Zone. Verschiedene Zonen können über die Stellglieder mit unterschiedlichen Kühlmedienvolumenströmen beaufschlagt werden. Damit kann die örtliche Verteilung des von der Strangoberfläche abgeführten Wärmestroms beeinflusst werden.
Durch den hohen Massendurchsatz durch die Stranggießmaschine stellt sich in der Kokille ein hoher Wärmestrom ein. Um die Temperatur der Kokille, insbesondere der mit dem Flüssigstahl in Kontakt befindlichen Wand möglichst gering zu halten, ist eine geringe Wandstärke erforderlich. Somit führt der Wärmestrom vom erstarrenden Strang über die Kokillenwand zum Kühlwasser zu einer strangseitigen Wandtemperatur, die für das Material der Kokille, typischerweise eine Kupferlegierung, im zulässigen Bereich liegt. Nachdem der Strang die Kokille verlässt, muss die noch dünne und empfindliche erstarrte Strangschale durch ein möglichst dichtes Korsett aus Strangführungsrollen gestützt werden. Der Bereich vom Gießspiegel bis zum Ende dieses Korsetts, umfassend die Kokille sowie die in geringem Abstand zueinander angeordneten Stützrollen, wird als Stützbereich bezeichnet. Die Ausführung des Stützbereichs ist mit erheblichem technischem Aufwand verbunden. Dies betrifft sowohl die Herstellung der Stranggießmaschine, ihren Betrieb sowie ihre Wartung. Entsprechend dieser Sichtweise ist eine möglichst geringe Stützlänge vorteilhaft.
Um die beschriebenen hohen Massendurchsätze zu erreichen, ist eine entsprechende Kühlung des Strangs erforderlich. Die Auslegung der Spritzkühlung umfasst die Anordnung der Spritzdüsen in der Stranggießmaschine, die Art der Spritzdüsen, sowie Drücke und Volumenströme der den Düsen zugeführten Kühlmedien, bevorzugt Wasser und Luft. Der erste Kühlabschnitt oder Abschnitt I befindet sich in der Kokille. Hier findet die Wärmeübertragung via Wärmeleitung statt. Im zweiten Kühlabschnitt oder Abschnitt II, der sich über einen Stützbereich unterhalb der Kokille erstreckt, muss eine hohe Wärmestromdichte aufrechterhalten werden. Dies wird durch eine entsprechend hohe strangbezogene Wasserbeaufschlagungsdichte von typisch 100 bis 500 Liter/m² erreicht. Die Oberflächentemperatur wird unter die beschriebenen Grenzen gebracht und dort zunächst gehalten. Somit wird eine ausreichende Steifigkeit der Strangschale erreicht. Der erste Kühlabschnitt und der zweite Kühlabschnitt werden als Stützbereich bezeichnet, da hier aufgrund der noch dünnen Strangschale eine Stützung des Strangs erforderlich ist. Anschließend findet im dritten Kühlabschnitt oder Abschnitt III eine kontrollierte Wiedererwärmung der Strangoberfläche statt. Dies wird durch eine entsprechende Wasserbeaufschlagungsdichte von typisch 10 bis 100 Liter/m² erreicht. Im vierten Kühlabschnitt oder Abschnitt IV wird der Strang nicht mehr mit Wasser beaufschlagt. Durch die somit begrenzte Widererwärmung im vierten Kühlabschnitt werden Wärmespannungen im Strang limitiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Gießformat vier Fasen von jeweils 10 bis 27 % einer Länge einer Seite auf.
Die Form des Querschnitts des Strangs, also der Gießquerschnitt hat wesentlichen Einfluss auf den möglichen Massendurchsatz durch die Stranggießmaschine für eine bestimmte Länge des Stützbereichs.
Einerseits soll die Querschnittsfläche des Strangs bei bestimmter Breite und Höhe maximiert werden. Aus dieser Forderung ergäbe sich ein Rechteck.
Andererseits sollen mechanische Spannungen in der Strangschale aufgrund des hydrostatischen Drucks im flüssigen Kern des Strangs möglichst reduziert werden. Aus dieser Forderung ergäbe sich ein Kreis.
Die Lösung ist ein Rechteck mit Fasen, also ein Rechteck dessen Ecken durch Geraden beschnitten werden.
Zur zahlenmäßigen Angabe der Fasen werden die Strecken, um die die jeweiligen Schnittpunkte von den Ecken des zugrundeliegenden Rechtecks entfernt sind, mit den Seitenlängen dieses Rechtecks ins Verhältnis gesetzt.
Ein weiterer Vorteil gegenüber einem rechteckigen Gießformat resultiert aus den weniger spitzen Winkeln aufeinander folgender gerader Strecken eines Randes eines Strangquerschnitts. Dadurch kommt es zu einer geringeren "Überkühlung" von Kanten, wodurch eine Vergleichmäßigung der Oberflächentemperatur des Strangs und eine Verringerung der Rissanfälligkeit im Bereich der Kanten erreicht werden.
Eine Weiterentwicklung dieses Ansatzes führt zu Polygonen höherer Ordnung mit beispielsweise zehn oder zwölf Seiten.
In einer weiterem bevorzugten Ausführungsform werden die Spritzdüsen mit einem Wasserdruck von 10 bis 30 bar, bevorzugt 12 bis 20 bar versorgt.
Um die starke Kühlung der Strangoberfläche im ersten und im zweiten Kühlabschnitt mit entsprechend hohen Kühlwasserströmen für die Spritzkühlung zu erreichen, ist ein hoher Wasserdruck erforderlich. Die Höhe des Wasserdrucks beeinflusst den Wärmeübergangskoeffizienten, der die Wärmeübertragung vom Strang auf das Kühlwasser zufolge Konvektion bestimmt. Insbesondere die Leidenfrost-Temperatur, also jene Oberflächentemperatur bei deren Unterschreitung es zu einem stark erhöhten Wärmeübergangskoeffizienten kommt, kann durch den Wasserdruck bzw. die Sprühdichte beeinflusst werden.
In einer weiterem bevorzugten Ausführungsform steht die Stranggießmaschine in direktem Verbund mit einer Walzstraße.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Stützung des Strangs in einem Stützbereich unterhalb der Kokille durch Strangführungsrollen auf allen Seiten des Strangs. Die auf deren Achsen bezogenen Abstände in Gießrichtung unmittelbar benachharter Strangführungsrollen betragen dort zwischen 100 und 500 mm, bevorzugt zwischen 125 und 400 mm, wobei diese Rollenabstände in Gießrichtung gesehen sukzessive zunehmen.
Nachdem der Strang die Kokille verlässt, muss die noch dünne und empfindliche Strangschale durch ein möglichst dichtes Korsett aus Strangführungsrollen gestützt werden. In diesem Teil des Stützbereichs unterhalb der Kokille ist ein geringer Abstand der in Gießrichtung benachbarten Strangführungsrollen wichtig. Je größer der Abstand der Strangführungsrollen gewählt wird, desto stärker ist das Ausbauchen der Strangschale aufgrund ihrer geringen Dicke, ihrer Weichheit sowie des hydrostatischen Drucks im flüssigen Kern des Strangs. Mit Anwachsen der Dicke der Strangschale, sowie mit einer Verringerung der Temperatur der Strangschale nimmt der zulässige Abstand der Strangführungsrollen zu.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Stützung des Strangs im Stützbereich unterhalb der Kokille durch Strangführungsrollen auf allen Seiten und Fasen des Strangs.
Je größer die Fasen, desto stärker ist das Ausbauchen oder "bulging" der Seitenflächen des Strangs im Bereich der Fasen, und damit auch die dortige Verformung der Strangschale. Um diese Verformung in Grenzen zu halten, kommen Strangführungsrollen zum Einsatz, die auch diese Flächen stützen.
In einer weiterem bevorzugten Ausführungsform sind die Ecken am Gießprodukt mit einem Radius zwischen 2 und 30 mm, bevorzugt zwischen 6 und 15 mm ausgerundet.
In den Ecken des Gießprodukts kann es zu Spannungskonzentrationen und damit zur Bildung von Rissen, insbesondere Kantenrissen kommen. Das führt zu einem Qualitätsproblem bzw. erfordert eine aufwändige Nachbearbeitung des Gießprodukts.
Dieses Problem wird durch die Einführung von Radien im Bereich der Eckpunkte des Strangquerschnitts gelöst. Die Radien führen zu einem Abbau von Spannungsspitzen und somit kleineren maximalen Spannungen, wodurch weniger Risse im Gießprodukt entstehen.
In einer weiterem bevorzugten Ausführungsform sind die Seiten und/oder Fasen des Gießformats konkav, also mach innen gewölbt ausgeführt, wobei die Einbuchtung, also der maximale Normalabstand von der jeweils geradlinig angenommenen Kontur 0,25 - 5 %, bevorzugt 0,5 - 2,5 % der Länge dieser entspricht.
Diese auch als "negative bulging" bezeichneten Einbuchtungen wirken als Vorverformung. Durch den hydrostatischen Druck im flüssigen Kern des Strangs werden die Seitenflächen nach außen ausgebaucht. Durch Überlagerung der Effekte werden weitgehend ebene oder weniger stark ausgebauchte Außenflächen des Strangs erreicht.
In einer weiterem bevorzugten Ausführungsform sind die Seiten und/oder Fasen des Gießformats konvex, also mach außen gewölbt, ausgeführt, wobei die Ausbuchtung, also der maximale Normlabstand von der jeweils geradlinig angenommenen Kontur mindestens 1% der Länge dieser entspricht.
In einer weiterem bevorzugten Ausführungsform sind die Seiten und/oder Fasen des Gießformats von der Kokillenoberkante bis zum Kokillenauslass an der Kokillenoberkante zunächst geradlinig ausgeführt und nehmen zum Kokillenausgang hin verlaufend eine konkave Form an. Dort sind sie also nach innen gewölbt ausgeführt, wobei die Einbuchtung, also der maximale Normlabstand von der jeweils geradlinig angenommenen Kontur der Seite oder Fase im Bereich des Kokillenauslasses 0,25 - 5 %, bevorzugt 0,5 - 2,5 % der Länge dieser geradlinig angenommenen Kontur entspricht.
Eine Anpassung des Kokillenquerschnitts an eine durch Abkühlung des Strangs hervorgerufene Schrumpfung zeigt der Stand der Technik bereits in Form von Kokillen mit Konus oder "Taper". Gemäß einer Ausführungsform wird eine in Gießrichtung zunehmende Einbuchtung der Kokillenwände beschrieben. Diese Einbuchtung wirkt einem durch Schrumpfung des Gießformats verursachten Abheben der Strangschale von der Kokillenwand entgegen bzw. kann sogar zu einer Überkompensation der thermischen Schrumpfung führen. Dadurch werden Bereiche vermieden bzw. verkleinert, wo es zwischen Kokillenwand und Strang zu einem verringerten Kontaktdruck oder sogar zu einem Abheben kommt. So wird eine gute Wärmeübertragung zwischen Kokillenwand und Strangschale, vor allem fernab der Kanten, sichergestellt. Im Bereich der ohnehin kälteren Kanten, wird der Kontaktdruck und damit die Wärmeübertragung durch die konvexe Form der Einbuchtung verringert. Dies fördert ein gleichmäßiges Schalenwachstum und verringert Reibung in der Kokille. Dadurch werden hohe Auszugskräfte und damit einhergehende hohe Zugspannungen in der Strangschale, die ein Aufreißen dieser bewirken könnten, vermieden und gleichzeitig durch die verbesserte Wärmeübertragung ein gleichmäßiges und rasches Wachstum der Strangschale gefördert. So wird eine hohe Gießgeschwindigkeit bei verringerter Gefahr von Durchbrüchen ermöglicht.
In einer weiterem bevorzugten Ausführungsform beträgt die Länge der Kokille, in Gießrichtung gesehen, zwischen 0,9 und 1,3 m. Es hat sich herausgestellt, dass dieser Wertebereich einen guten Kompromiss zwischen einer ausreichend dicken Schalen auf Grund einer Verweildauer des Strangs in der Kokille und einer möglichst geringen Strangreibung in der Kokille darstellt.
Verringert man die Länge der Kokille, reduziert man auch die Kontaktfläche zwischen Kokillenwand und Strangoberfläche. Dadurch verringern sich auch die Kräfte zufolge Reibung. Durch die kurze Verweilzeit der jeweiligen Strangbereiche in der Kokille kann sich jedoch nur eine sehr dünne Strangschale bilden, wodurch das Risiko von Schalendurchbrüchen steigt.
Diesem Risiko kann zwar durch eine Verlängerung der Kokille entgegengewirkt werden, jedoch erfolgt dies auf Kosten erhöhter Reibung.
In einer weiterem bevorzugten Ausführungsform führt die Kokille in vertikaler Richtung eine Oszillationsbewegung mit einer Oszillationsfrequenz zwischen 3 und 6,6 Hz, bevorzugt zwischen 3,3 und 5,5 Hz aus.
Durch die Oszillationsbewegung wird eine definierte Relativbewegung zwischen Strangschale und Kokillenwand hergestellt und dadurch ein Anhaften der Strangschale an der Kokillenwand vermieden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Treib-/Richteinheit umfasst, die drei oder mehr angetriebene Rollen umfasst.
Durch das Vorhandensein einer Mehrzahl angetriebener Rollen, können die zum Antrieb des Strangs erforderlichen Kräfte aufgeteilt werden. Dadurch werden lokal wirkende Kräfte und damit einhergehende Verformungen der weichen und empfindlichen Strangschale verringert. Dies verbessert die Qualität eines metallurgischen Erzeugnisses. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die angeführte Mindestanzahl an angetriebenen Rollen ein sanftes und ruckelfreies Ausziehen des Strangs gewährleistet. Ein Strangruckeln kann zu Gießspiegelschwankungen führen. Diese treten insbesondere bei hohen Gießgeschwindigkeiten auf und erhöhen das Risiko von Durchbrüchen.
In einer weiterem bevorzugten Ausführungsform ist die Kokille geradlinig, also derart ausgeführt, dass der Strang in der Kokille keine Krümmung erfährt.
Da in diesem Fall alle Seiten der Kokille ohne wesentliche Krümmung und sehr ähnlich ausgeführt sind, findet zwischen allen Seiten der Kokille und der Strangoberfläche eine ähnliche Wärmeübertragung statt. Dies führt zu einem gleichmäßigen und damit vorteilhaften Wachstum der Strangschale.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Oszillation der Kokille geradlinig erfolgen kann. Dies führt zu einer einfacheren konstruktiven Ausführung der Stranggießmaschine. Die Erfahrung hat gezeigt, dass sich gerade ausgeführte Kokillen günstig in Bezug auf die Reibung zwischen Kokille und Strangoberfläche auswirken.
In einer weiterem bevorzugten Ausführungsform ist die Kokille gebogen, also derart ausgeführt, dass der Strang in der Kokille eine Krümmung erfährt.
Durch die gekrümmte Ausführung verlässt der bereits gebogene Strang die Kokille und kann ohne vorheriges Durchlaufen einer Biegezone den Bogen einer Stranggießmaschine durchlaufen.
Bei dieser Ausführungsform ist kein Biegen des Strangs in der Strangführung erforderlich. Somit werden auch diesbezügliche Verformungen der Strangschale bzw. mechanische Spannungen in der Strangschale vermieden.
In einer weiterem bevorzugten Ausführungsform sind, in Gießrichtung gesehen, zwischen Ende des Stützbereichs und vor Beginn der Treib-/Richteinheit an allen Seiten des Gießformats Strangführungsrollen angeordnet, wobei die in Gießrichtung gesehenen Längenabschnitte der nicht durch diese Strangführungsrollen geführten Bereiche zwischen 1,5 und 3 m betragen.
Die Stützung und Führung des Strangs an allen Seiten des Gießformats bewirkt auch, dass ein "Verlaufen" des Strangs, also ein seitliches Ausbrechen das Strangs aus dem Strangführungsbereich unterbunden wird. Ursachen für eine solche Ausbrech-Tendenz könnten Temperaturunterschiede der Strangoberfläche oder ein ungleichmäßiges Aufbringen von Kräften der Treib-/Richteinheit auf den Strang sein.
Weiters wird die Aufgabe durch ein Auslegungsverfahren gelöst, das ein Berechnungsmodell zur Berechnung einer Dicke einer Strangschale sowie mechanischer Spannungen in der Strangschale umfasst. Das Ergebnis des Berechnungsmodells ist abhängig von einem Gießformat und einem berechneten hydrostatischen Druck im flüssigen Kern des Strangs. Die Dicke der Strangschale selbst ist abhängig von mehreren Größen. Beispielsweise sind dies eine Spritzkühlung, umfassend Spritzdüsen und Kühlmedienvolumenströme/-drücke, sowie die Temperatur des in die Kokille einströmenden Stahls.
Eine Fließspannung des Stahls der Strangschale ist abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Stahls und der Temperatur des Stahls und kann der Literatur entnommen werden.
Die Auslegung erfolgt derart, dass das Verhältnis einer maximalen berechneten Zugspannung in der Strangschale des erstarrenden Strangs zu einer Fließspannung in der erstarrten Schale kleiner als eins, bevorzugt kleiner als 0,5 besonders bevorzugt kleiner als 0,2 ist. Wäre dieses Verhältnis größer als eins, käme es zu starken Verformungen der Strangschale und in weiterer Folge zu einem Aufreißen.
Weiters wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb einer Stranggießmaschine gelöst, wobei die Temperaturverteilung im Strang und auf dessen Oberfläche während des Betriebs durch ein mathematisches Modell berechnet wird. Dabei wird die Temperatur der Oberfläche des Strangs durch Steuerung von Kühlwassermengen von Spritzdüsen derart gesteuert/geregelt, dass nach dem Ende der Sekundärkühlung eine Wiedererwärmung der Strangoberfläche um weniger als 200 K erfolgt. Bevorzugt beträgt diese Wiedererwärmung 50 K bis 150 K, besonders bevorzugt 100 K.
Das mathematische Modell kann aus Eingangsgrößen wie Betriebsparametern und Auslegungsdaten einer Spritzkühlung Verläufe der Temperatur an der Oberfläche und im Inneren des Strangs ermitteln. Die Spritzkühlung umfasst Spritzdüsen, gekennzeichnet durch deren Düsenkennlinien, Spritzbilder und Spritzdüsenpositionen. Die Betriebsparameter umfassen Kühlmedienvolumenströme und Kühlmediendrücke. Mithilfe iterativer Berechnungsschritte können die Betriebsparameter derart optimiert werden, dass sich auf der Oberfläche des Strangs gewünschte Temperaturverläufe einstellen.
Ein wesentlicher Punkt hierbei ist, dass die zur Bestimmung der konvektiven Wärmeübertragung vom Strang auf das Kühlwasser erforderliche Berechnung der lokalen Wärme-übergangskoeffizienten vom Kühlwasserdruck bzw. der lokalen Kühlwasserstromdichte abhängt. Insbesondere die Berechnung der Leidenfrost Temperatur, also jener Temperatur, unterhalb der lokale Wärmeübergangskoeffizient stark ansteigt, spielt eine Rolle.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Temperaturverteilung im Inneren des Strangs und auf dessen Oberfläche während des Betriebs durch ein mathematisches Modell berechnet und es wird eine örtlich gemittelte Temperatur eines Querschnitts des Strangs ermittelt. Weiters werden eine minimale und eine maximale Temperatur dieses Querschnitts ermittelt.
Dieser Querschnitt befindet sich im Bereich der Position des Eintritts des Strangs in einen Walzständer. Die ermittelten Temperaturen werden einem Walzprozess zur Verfügung gestellt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer Stranggießmaschine, umfassend einen Strang, eine Kokille, einen Stützbereich, Spritzdüsen, eine Treib-/Richteinheit, angetriebene Rollen und Strangführungsrollen,
Fig. 2 eine Darstellung eines Verlaufs der Oberflächentemperatur eines Strangs entlang einer Gießrichtung,
Fig. 3 eine Darstellung des Querschnitts eines Gießproduktes mit auf einem rechteckigen Querschnitt basierendem Querschnitt mit vier Fasen,
Fig. 4 eine Darstellung des Querschnitts eines Gießproduktes mit ausgerundeten Ecken und
Fig. 5 eine übertriebene Darstellung einer konkaven Form der Seiten und Fasen eines Gießformats,
Fig. 6 eine Darstellung des Querschnitts eines Gießprodukts mit vier ersten Fasen und vier weiteren Fasen,
Fig. 7 eine Darstellung eines weiteren Querschnitts Gießprodukts mit vier ersten Fasen und vier weiteren Fasen.

Beschreibung der Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung in Form einer Schnittdarstellung einer Stranggießmaschine, umfassend einen Strang 1, eine Kokille 2, einen Stützbereich 4, Spritzdüsen 6, eine Treib-/Richteinheit 7 mit angetriebenen Rollen 8 und Strangführungsrollen 10. Im Stützbereich übernehmen die Strangführungsrollen zusätzlich zu ihrer Funktion, den Strang zu führen, die Aufgabe, den Strangquerschnitt zu stützen. Der Strang 1 erstreckt sich vom Badspiegel 3 in Gießrichtung 5 durch Strangführungsrollen 10 gestützt bzw. geführt durch die Stranggießmaschine bis er die Treib-/Richteinheit verlässt. Der Strang 1 bildet eine Strangschale 11 aus, die beim Durchlaufen der Stranggießmaschine von den Außenflächen ausgehend stetig wächst, bis ein Durcherstarrungspunkt erreicht ist. Die Querschnittsfläche des flüssigen Kerns 12 verringert sich dabei stetig, bis sie beim Durcherstarrungspunkt vollständig verschwindet. Während des Erstarrungsprozesses wird der Strang gekühlt und führt damit Wärme an die Umgebung ab. Eine wesentliche Rolle spielen hierbei die Spritzdüsen 6 die eine erhebliche Wärmübertragung via Konvektion bewirken. Die Spritzdüsen bilden somit eine wichtige Stellgröße zur Beeinflussung des Verlaufes der Oberflächentemperatur des Strangs.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines Verlaufs der Oberflächentemperatur des Strangs 1 entlang der Gießrichtung 5. Der Graph beginnt im Bereich des Gießspiegels unterhalb dessen sich die Strangschale auszubilden beginnt. Im Abschnitt I, also der Kokille kommt es zunächst innerhalb der Kokille zu einer besonders starken Kühlung der Strangoberfläche. Ermöglicht wird das durch eine noch sehr dünne Strangschale sowie eine sehr effektive Kühlung innerhalb der Kokille. Im Abschnitt II, also im Stützbereich unterhalb der Kokille wird die starke Kühlung der Strangoberfläche zunächst durch die Spritzkühlung fortgesetzt und sodann das erreichte niedrige Temperaturniveau unterhalb einer bestimmten Grenztemperatur gehalten. In Abschnitt III wird der Strang weiterhin mit einer Spritzkühlung gekühlt, es kommt jedoch bereits zu einem moderaten Anstieg der Oberflächentemperatur des Strangs. In Abschnitt IV ist keine Spritzkühlung vorhanden und es kommt zu einem stärker ausgeprägten Temperaturanstieg und somit einer Wiedererwärmung der Strangoberfläche. Der Betrag der Widererwärmung ist dabei wesentlich. Der Stützbereich erstreckt sich über die Abschnitte I und II, der Bereich der Spritzkühlung erstreckt sich über die Abschnitte II und III.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung des Querschnitts eines Gießprodukts mit einem auf einem rechteckigen Querschnitt basierenden Querschnitt und 4 Fasen.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung des Querschnitts eines Gießproduktes mit ausgerundeten Ecken, wodurch Spannungskonzentrationen und damit Rissanfälligkeit im Bereich der Kanten des Stranges verringert werden.
Fig. 5 zeigt eine übertriebene Darstellung einer konkaven Form der Seiten und Fasen des Gießformats. Diese Form kann z.B. im Bereich des Kokillenauslasses vorteilhaft sein. Dabei können im Bereich der Kokillenoberkante die Seiten und Fasen zunächst geradlinig ausgeführt sein. Der Übergang erfolgt hierbei derart verlaufend, dass die Kokillenwand auf die Wand des Gießformats während seiner Reise durch die Kokille einen möglichst gleichmäßigen Druck ausübt und damit die Wärmeübertragung vom Gießprodukt auf die Kokille verbessert.
Fig. 6 zeigt eine Darstellung eines auf einem rechteckigen Querschnitt basierenden Querschnitts eines Gießproduktes mit zunächst vier ersten Fasen 20 und vier weiteren Fasen 21.
Fig. 7 zeigt eine Darstellung eines auf einem rechteckigen Querschnitt basierenden Querschnitts eines Gießproduktes mit zunächst vier ersten Fasen 20 und vier weiteren Fasen 21, derart, dass sich für das Gießformat ein Zehn-Eck ergibt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1: Strang
2: Kokille
2a: Kokillenaustritt
3: Badspiegel
4: Stützbereich
5: Gießrichtung oder z-Richtung
6: Spritzdüsen
7: Treib-/Richteinheit
8: Angetriebene Rollen
9: Länge des Stützbereichs
10: Strangführungsrollen
11: Strangschale
12: Flüssiger Kern
20: erste Fasen
21: weitere Fasen

Claims

Stranggießmaschine zum Vergießen eines flüssigen Metalls, bevorzugt Stahl, zu einem Strang zur Erzeugung von Knüppeln oder Vorblöcken mit einem auf einem quadratischen oder einem rechteckigen Querschnitt mit einem Seitenverhältnis von 1 zu 1 bis 1 zu 1,5 basierendem Querschnitt und einem Massendurchsatz von 1,5 - 3,0 t/min,
umfassend eine Spritzkühlung (6) mit einer Anordnung von Spritzdüsen dadurch gekennzeichnet,

dass der sich mit dem zu vergießenden Strang (1) in Kontakt befindliche Teil einer Kokille (2) im Bereich eines Badspiegels (3) eine Wandstärke zwischen 3% und 8% des kleinsten Abstandes von 2 genüberliegenden Seiten eines Gießformats aufweist

und die Länge eines Stützbereichs (9) weniger als 5,5 m, bevorzugt weniger als 3 m beträgt und die Oberfläche des zu vergießenden Strangs durch eine Spritzkühlung gekühlt wird,

wobei die Spritzkühlung eine Vielzahl von Spritzdüsen umfasst,

welche in Gießrichtung entlang und in einer Umfangsrichtung des zu vergießenden Strangs angeordnet sind,

wobei jede Spritzdüse mit einem Stellglied, das bevorzugt ein Ventil und/oder eine Pumpe ist, verbunden ist,

wobei eine Steuereinrichtung und/oder Regeleinrichtung, in Abhängigkeit von zumindest einer Gießgeschwindigkeit

eine Stellgröße für zumindest ein Stellglied derart ermittelt,

dass in einem gesamten Bereich von 0,9 bis 11m, bevorzugt in einem gesamten Bereich von 0,3 bis 14 m stromabwärts des Kokillenaustritts (2a) eine Oberflächentemperatur von weniger als 950°C einstellbar ist und

in einem gesamten Bereich von 3 bis 7 m, bevorzugt in einem gesamten Bereich von 2 bis 10 m stromabwärts des Kokillenaustritts eine Oberflächentemperatur von weniger als 900 °C einstellbar ist.
Stranggießmaschine nach Anspruch 1, wobei ein Gießformat des Stranges vier Fasen von jeweils 5 bis 30 %, bevorzugt jeweils 10 bis 27 % einer Länge einer Seite aufweist.
Stranggießmaschine nach Anspruch 2, wobei die Stützung des Strangs im Stützbereich unterhalb der Kokille durch Strangführungsrollen auf allen Seiten und Fasen des Strangs erfolgt.
Stranggießmaschine nach Anspruch 1, wobei die Ecken am Strang mit einem Radius zwischen 2 und 30 mm, bevorzugt zwischen 6 und 15 mm ausgerundet sind.
Stranggießmaschine nach Anspruch 1, wobei die Seiten und/oder Fasen des Gießformats konkav, also nach innen gewölbt, ausgeführt sind, wobei die Einbuchtung, also der maximale Normalabstand von der jeweils geradlinig angenommenen Kontur 0,25 - 5 %, bevorzugt 0,5 - 2,5 % der Länge dieser entspricht.
Stranggießmaschine nach Anspruch 1, wobei die Seiten und/oder Fasen des Gießformats von einer Kokillenoberkante bis zu einem Kokillenauslass an der Kokillenoberkante zunächst geradlinig (oder konvex) ausgeführt sind und zum Kokillenauslass verlaufend eine konkave (oder ebene) Form annehmen, also nach innen gewölbt (oder eben) ausgeführt sind, wobei die Ausbuchtung, also der maximale Normlabstand von der jeweils geradlinig angenommenen Kontur der Seite oder Fase im Bereich des Kokillenauslasses 0,25 - 5 %, bevorzugt 0,5 - 2,5 % der Länge dieser geradlinig angenommenen Kontur entspricht.
Stranggießmaschine nach Anspruch 1, umfassend eine Treib-/Richteinheit (7), die zumindest drei angetriebene Rollen (8) umfasst.
Stranggießmaschine nach Anspruch 1, wobei die Kokille geradlinig, also derart ausgeführt ist, dass der Strang in der Kokille keine Krümmung erfährt.
Stranggießmaschine nach Anspruch 1, wobei die Kokille gebogen, also derart ausgeführt ist, dass der Strang in der Kokille eine Krümmung erfährt.
Stranggießmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Gießrichtung gesehen zwischen Ende des Stützbereichs und vor Beginn der Treib-/Richteinheit an allen Seiten des Gießformats Strangführungsrollen angeordnet sind, wobei die in Gießrichtung gesehenen Längenabschnitte der nicht durch diese Strangführungsrollen geführten Bereiche zwischen 1,5 und 3 m betragen.
Stranggießmaschine nach Anspruch 2, wobei das Gießformat des Strangs vier weitere Fasen von jeweils 5 bis 30 %, bevorzugt jeweils 10 bis 27 % einer Länge einer Seite aufweist.
Stranggießmaschine nach Anspruch 2, wobei das Gießformat des Strangs vier weitere Fasen von jeweils 5 bis 50 % einer Länge einer Seite aufweist, derart, dass sich für das Gießformat ein Zehn-Eck ergibt.
Stranggießmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stranggießmaschine in direktem Verbund mit einer Walzstraße steht und die Temperaturverteilung im inneren eines Strangs und auf dessen Oberfläche während des Betriebs durch ein mathematisches Modell berechnet wird, und eine örtlich gemittelte Temperatur eines Querschnitts des Strangs ermittelt wird, sowie eine minimale und maximale Temperatur dieses Querschnitts ermittelt wird,

und diese Temperaturen einem der Stranggießmaschine nachgelagerten Walzprozess zur Verfügung gestellt werden.
Verfahren zur Auslegung einer Stranggießmaschine zum Vergießen von Stahl zu einem Strang mit einem vorgegebenen Gießformat, bevorzugt zur Erzeugung von Knüppeln oder Vorblöcken,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Berechnungsmodell zur Berechnung einer Dicke einer Strangschale (11) und eines flüssigen Kerns (12), sowie mechanischer Spannungen in der Strangschale in Abhängigkeit zumindest des Gießformats, eines berechneten hydrostatischen Drucks im flüssigen Kern, einer Spritzkühlung, umfassend Kühlmedienvolumenströme, einer chemischen Zusammensetzung und einer Temperatur des in die Kokille einströmenden Stahls erstellt wird, und Anlagenparameter, umfassend Rollenabstände und Kühlmedienvolumenströme, derart ausgelegt werden, dass das Verhältnis einer mittels des Berechnungsmodells berechneten maximalen Zugspannung in der Strangschale des erstarrenden Strangs zu einer vorgegebenen Fließspannung in der Strangschale kleiner als eins, bevorzugt kleiner als 0,5 besonders bevorzugt kleiner als 0,3 ist.
Verfahren zum Betrieb einer Stranggießmaschine zum Vergießen von Stahl zu einem Strang mit einem vorgegebenen Gießformat, bevorzugt zur Erzeugung von Knüppeln oder Vorblöcken,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Temperaturverteilung im Strang und auf dessen Oberfläche während des Betriebs durch ein mathematisches Modell berechnet wird,

und die Temperatur der Oberfläche des Strangs durch Steuerung von Kühlwassermengen von Spritzdüsen derart gesteuert/geregelt wird, dass nach dem Ende einer Sekundärkühlung eine Wiedererwärmung der Strangoberfläche um weniger als 200 K, bevorzugt weniger als 150 K erfolgt.