ITMI962336A1

ITMI962336A1 - Insieme perfezionato di apparecchiature per la colata continua a velocita' elevata di bramme d'acciaio sottili di buona qualita'

Info

Publication number: ITMI962336A1
Application number: IT96MI002336A
Authority: IT
Inventors: Giovanni Arvedi; Andrea Bianchi; Luciano Manini
Original assignee: Giovanni Arvedi
Priority date: 1996-11-12
Filing date: 1996-11-12
Publication date: 1998-05-12
Also published as: ITMI962336A0; WO1998020997A1; CN1072535C; RU2195384C2; JP3974186B2; AU718124B2; ES2169436T3; IT1287156B1; ZA979675B; CA2269130C; CA2269130A1; KR20000053199A; DE69709899D1; EP0946316A1; BR9713007A; EP0946316B1; CN1237120A; JP2001504037A; ATE211416T1; DE69709899T2

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo:

"INSIEME PERFEZIONATO DI APPARECCHIATURE PER LA COLATA CONTINUA A VELOCITA’ ELEVATA DI BRAMME D’ACCIAIO SOTTILI DI BUONA QUALITÀ"

La presente invenzione riguarda un insieme perfezionato di apparecchiature per la colata continua a velocità elevata di bramme sottili d’acciaio di buona qualità.

E’ noto che la colata continua delle cosiddette “bramine sottili” di acciaio, con uno spessore fino a 80 mm., è stata finora soggetta ad alcuni problemi qualitativi, specialmente se la colata avviene ad alta velocità, superiore per esempio a 4,5 m/min.

Tali problemi possono concretizzarsi in alcuni difetti della superficie della bramma, il cosiddetto guscio che inizia a formarsi nella lingottiera:

- cricche longitudinali dovute aU’intrappolamento delle polveri di colata;

- cricche longitudinali e trasversali dovute all’assenza di pellicola lubrificante ed isolante formata dalla cosiddetta “scoria”, termine con il quale si indica il prodotto delle polveri di colata iuse ed eventualmente risolidificate;

cricche longitudinali dovute alle sollecitazioni termiche; e

cricche longitudinali dovute alla discontinuità delle sup errici raffreddanti di rame.

Questi problemi qualitativi sono maggiormente sentiti negli acciai speciali e potrebbero essere risolti, almeno parzialmente, riducendo la velocità di colata, il che comporterebbe tuttavia una minore produttività e quindi una ridotta economicità dell’impianto. Un’altra possibile soluzione sarebbe quella di adottare un dispositivo elettromagnetico, detto ‘EMBR” (Electro-Magnetic Brake Ruler) in grado di appianare, riducendone l’altezza, le onde d’acciaio liquido che increspano il menisco all’interno della lingottiera, ma tale dispositivo è estremamente costoso e risolverebbe solo in parte i problemi sopra indicati. Altri problemi del resto derivano dalle condizioni geometriche e di flusso che si verificano all’interno della lingottiera e che possono portare a ridurre la vita dell’ugello di colata (il quale, immerso nel metallo liquido, viene normalmente chiamato “tuffante”), con conseguenze dannose per la resa economica del processo.

Ci si è ora resi conto che i problemi di cui sopra non possono essere risolti in modo organico e soddisfacente intervenendo separatamente sulla lingottiera, sul tuffante e sull’unità di oscillazione della lingottiera stessa. Questi tre elementi, responsabili tra l’altro della colata continua, presentano tra loro un numero tale di interconnessioni da creare un vero e proprio “gruppo di colata” e soltanto intervenendo sul gruppo integrato nel suo insieme si può raggiungere un’effettiva soluzione.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un gruppo di colata che consenta di superare i problemi sopra indicati quando si vogliono colare bramine sottili a velocità elevata.

L’insieme perfezionato di elementi di colata secondo la presente invenzione presenta in generale le caratteristiche della rivendicazione 1 e, secondo particolari aspetti dell’invenzione, caratteristiche aggiuntive come riportate nelle rivendicazioni dipendenti.

Questi ed altri scopi, vantaggi e caratteristiche del gruppo di colata secondo la presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla seguente dettagliata descrizione di una sua forma realizzativa preferita, riportata a titolo d’esempio non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui:

la Figura 1 mostra schematicamente ima vista laterale di un gruppo di colata secondo Γ invenzione;

la Figura 2 mostra una vista, secondo la freccia Π di figura 1, della sola parte superiore della lingottiera, in combinazione con il tuffante;

le Figure 3a, 3b, 3c mostrano la stessa vista schematica in sezione lungo la linea III- III, al menisco, di figura 2 per mettere in evidenza le varie parti da considerare nella relazione geometrica cui devono soddisfare lingottiera e tuffante all’interno del gruppo di colata secondo l’invenzione; la Figura 4 mostra una vista prospettica, rappresentata in modo schematico in relazione ad una tema di assi cartesiani, della lingottiera stessa; e

le Figure 5a e 5b mostrano due viste schematiche della lingottiera di figura 4, con l’inviluppo dei canali del sistema di raffreddamento, rispettivamente in sezione longitudinale, in un piano parallelo agli assi y e z di figura 4, e lungo la linea B-B di figura 5 a.

Con riferimento ai disegni la figura 1 rappresenta, in modo schematico, il gruppo di colata secondo l’invenzione con la lingottiera 1, l’ugello ad immersione o, come verrà sempre chiamato in seguito, “tuffante” 2 e l’oscillatore 3, azionato idraulicamente e, in questa forma realizzativa, fissato alla struttura della lingottiera, naturalmente in modo da non interferire con la linea di colata. La figura 1 mostra anche la sezione di passaggio del flusso di acciaio liquido tra tuffante 2 ed il guscio in formazione lungo le pareti di rame, ovvero i due “canali” 4 così formati.

Per quanto riguarda la lingottiera, il problema principale che si incontra nella colata di bramine sottili, rispetto alle convenzionali, è che per una stessa portata di acciaio iuso, ridurre lo spessore della bramma significa aumentare nell’unità di tempo la superficie di bramma stessa in contatto con le pareti della lingottiera e quindi il fabbisogno di “scoria” lubrificante, come definita in precedenza. Infatti, se Tl, Wl, VI sono rispettivamente lo spessore, la larghezza e la velocità media di colata di ima bramma di spessore normale, mentre T2=Tl/a (con a>l), W2=W1, e V2»V1 sono le corrispondenti grandezze per una bramma sottile, a parità di portata di acciaio si ha:

T2.W2.V2=T1.W1.V1 (I)

La superficie di bramma sottile colata nell’unità di tempo è dunque:

considerando lo spessore della bramma sottile trascurabile rispetto alla sua larghezza. Sostituendo al prodotto W2.V2 il valore che risulta dall’equazione I, si ha:

L’equazione Π di cui sopra mostra chiaramente, essendo a>l, rimportanza della produzione di scoria lubrificante che deve rivestire nell’unità di tempo una superficie di contatto bramma-lingottiera inversamente proporzionale allo spessore e quindi tanto maggiore quanto più sottile è la bramma. Al contrario Γ interfaccia nella lingottiera tra l’acciaio fuso e le polveri di colata nella zona del menisco, dove si produce detta scoria, presenta un’area ridotta a causa dello spessore sottile e, nella zona centrale, per la presenza del tuffante.

Benché questo problema possa essere risolto parzialmente impiegando polveri di colata atte a favorire la produzione di scoria, si deve tener conto che nelle configurazioni note la presenza del tuffante non consentiva di mantenere in tutte le zone di menisco l’equilibrio richiesto tra scoria fusa, prodotta dalla fusione delle polveri, e scoria consumata dopo essere penetrata tra menisco e parete.

Secondo la presente invenzione, la lingottiera sottile è in grado di accogliere un tuffante affidabile, cioè di spessore sufficiente, presentando le piastre di rame larghe con un profilo nel piano orizzontale, nell’intorno della quota del menisco, tale da sposare perfettamente il profilo del tuffante stesso nel suddetto piano orizzontale mantenendo in ogni punto della zona centrale ima distanza costante tra il tuffante e le pareti Con riferimento alle figure 3a, 3b, 3c, tale distanza è calcolata in modo che il rapporto Al/Sl, vale a dire tra l’area delTinterfaccia con le polveri di colata, proporzionale in pratica alla produzione di scoria, e la superficie della bramma intorno al tuffante, proporzionale in pratica al consumo di scoria (vedi figura 2) sia pressoché la stessa che si ha al di fuori della zona del tuffante (v. figura 3c) A2/S2. La relazione da soddisfare è pertanto:

(A1/S1)/(A2/S2)=0,9 ÷ 1,1 e preferibilmente = 1.

Per esempio con una lingottiera avente le dimensioni di 1300 x 65 mm ed una larghezza del tuffante di 300 mm (con imo spessore affidabile di 60 mm come indicato nelle Figg. 3b e 3c), il rapporto ottimale A1/S1=A2/S2 è pari a 30 mm. Tale rapporto, una volta fissate per esempio le dimensioni del tuffante e lo spessore dei lati stretti, può servire per definire l’andamento del profilo della lingottiera nel piano orizzontale al menisco, oppure, quando siano note tutte le dimensioni del profilo della lingottiera, può servire a determinare quello del tuffante, sempre allo scopo di garantire un bilancio equilibrato di scorie lubrificanti lungo tutto il contorno della lingottiera.

Questa configurazione geometrica è importante anche dal punto di vista del flusso dell’acciaio fuso nella zona del menisco, dato che i “canali” indicati con 4 in Fig. 1, che si vengono a creare tra il tuffante ed il guscio in formazione contro le pareti di rame saranno sufficientemente larghi da evitare la creazione di vortici a causa delle accelerazioni delle correnti che convergono verso il centro, nella zona del menisco, dai lati stretti della lingottiera, vortici che provocano spesso intrappolamenti delle polveri con i conseguenti inconvenienti menzionati in precedenza.

Si noti che preferibilmente la lingottiera utilizzata nel gruppo di colata secondo l’invenzione sarà quella a curvatura variabile in direzione longitudinale, formante oggetto della domanda di brevetto MI 93A001004 a nome dello stesso richiedente, che consente di avere un raggio di curvatura pressoché infinito nella zona superiore per un migliore alloggiamento del tuffante, prevedendo allo stesso tempo la curvatura della bramma in formazione già all’interno della lingottiera, con un’uscita diversa dalla verticale sulla curvilinea così da ridurre, vantaggiosamente, l’altezza del gruppo di colata e conseguentemente le forze ferrostatiche ed il pericolo di rigonfiamenti della bramma. Secondo la summenzionata domanda di brevetto, la curvatura viene graduata in modo progressivo ed uniforme dal raggio infinito di ingresso alla lingottiera fino al raggio di curvatura Ro corrispondente alla curvilinea (fig. 1), evitando sia tensioni eccessive del guscio esterno solidificato della bramma, sia la possibilità che venga a mancare il contatto con le pareti di rame della lingottiera.

Al fine di risolvere i problemi tecnici affrontati, è particolarmente importante anche l’impianto di raffreddamento delle piastre della lingottiera, la quale deve poter resistere agli elevati flussi termici che sono tipici delle bramine sottili (fino a 3 MW/m<2 >come valore mediato sull’intera superficie raffreddante della lingottiera) con un raffreddamento maggiorato nella zona del menisco per evitare fessurazioni del rame ed allo stesso tempo sufficientemente uniforme tutt’intomo alla lingottiera per impedire sollecitazioni termiche alla bramma in formazione.

Con riferimento alla figura 4, se si considera il flusso specifico normale di calore dqn tra la pelle del prodotto di colata e la lingottiera, si ha:

dqn=dq/dA [W/m<2>]

Questo flusso termico è anche in finizione della temperatura superficiale locale sulla superficie calda delle piastre di rame, a sua volta dipendente anche dalla distanza rispetto ai canali dove scorre l’acqua di raffreddamento.

Introducendo, come si vede in figura 3, un sistema di assi cartesiani x,y,z, dove z è l’asse verticale rivolto verso il basso o fondo della lingottiera, e considerando la superficie complessa che forma quest’ultima f(x,y,z)=0, la temperatura superficiale locale varia da punto a punto come t=t[flx,y,z)].

Poiché si vuole mantenere il flusso termico dqn il più costante possibile lungo una linea orizzontale (in cui z=zo) appartenente alla superficie della lingottiera, vale a dire la temperatura t praticamente costante lungo tale linea, per cui

t=t[f(x,y,zo)]=to,

ciò viene ottenuto secondo la presente invenzione mantenendo in ogni punto della superficie calda di rame la stessa distanza normale Nd, calcolata sulla perpendicolare rispetto alla superficie calda, dall’inviluppo superficiale ideale E di tutte le estremità dei canali di raffreddamento W (Fig. 5 a, 5b). Si deve avere pertanto: Nd= cost e si è trovato sperimentalmente che questo valore costante ottimale deve essere compreso tra 10 e 25 mm perché si abbiano le condizioni indicate in precedenza per il sistema di raffreddamento.

Per quanto riguarda il tuffante come tale, oltre alle condizioni dimensionali indicate in precedenza in rapporto alla lingottiera, il tuffante dovrà essere disegnato in modo da rendere possibili comportamenti ottimali del flusso di acciaio fuso tenuto anche conto della graduale formazione del guscio, nonché della durata del tuffante stesso. E’ noto infatti che, riducendosi lo spessore della bramma, aumentano i problemi per quanto riguarda i movimenti del liquido all’interno della lingottiera che possono portare alla formazione di onde stazionarie nella zona del menisco riducendo cosi localmente lo spessore della scoria liquida, il che ha un’influenza negativa sulla lubrificazione e l’isolamento del guscio della bramma che si sta solidificando.

11 tuffante per bramine sottili formante oggetto della domanda di brevetto MI 96A001243 a nome dello stesso richiedente presenta caratteristiche geometriche che danno luogo di conseguenza a getti in uscita a ridotta energia e con elevata probabilità di dissipazione all’interno del volume liquido della bramma, migliore accompagnamento del flusso grazie alla forma laterale della parte immersa (evitando quindi la formazione di vortici e intrappolamento di polvere), oltre ad una migliorata regolazione di livello nella lingottiera. Inoltre l’alimentazione è stabile, il flusso viene suddiviso sostanzialmente in due getti e le sup ertici iniziali interne al tuffante vengono mantenute essendo trascurabile la deposizione di ossidi; le buone condizioni di flusso determinano poi un ridotto grado di erosione meccanica esterna nella zona del menisco.

Secondo la presente invenzione il disegno ottimizzato dell’insieme lingottiera-tufiante, oltre alle condizioni summenzionate, è tale che il rapporto tra l’altezza di onda stazionaria (da picco a picco in mm) e la velocità di colata in m/min non superi mai il valore di 5, con un valore medio di 3,3.

Inoltre, la deviazione standard calcolata sul segnale campionato di livello nella lingottiera (ML), indicata come stdDEV(ML), sarà normalmente compreso nel seguente campo di valori:

Infine, per quanto riguarda il terzo elemento dell’insieme, cioè l’oscillatore 3, anch’esso è da considerare come un fattore chiave per quanto riguarda la qualità superficiale della bramma e l’affidabilità del processo di colata continua. Con riferimento alla figura 1, esso può essere costituito da un telaio 3 a incernierato a terra ed azionato da un servocomando idraulico 5. Il telaio 3 a è incernierato inoltre ad un portalingottiera 3b formando, insieme ad un gruppo di molle vincolate ad incastro ad entrambe le estremità, ima sorta di quadrilatero.

La flessibilità di comando è assicurata da un controllo a logica programmata che consente di modificare i parametri di oscillazione per quanto riguarda la forma dell’onda, la corsa tra ± 2 e ± 10 min, nonché la strategia di oscillazione. Il controllo acquisisce continuamente il valore attuale della velocità di colata per regolare la frequenza di oscillazione sulla base dei parametri che precedono. Si sono ottenute, con la prima frequenza naturale dell’intero sistema dinamico di 16,7 Hz, frequenze di osillazione massime di 480-520 colpi/min. La flessibilità è tale che i parametri di oscillazione possono essere sintonizzati in modo da ottenere per ogni qualità d’acciaio un’ottimale lubrificazione e qualità superficiale in funzione della velocità di colata.

In alternativa l’oscillatore può essere del tipo cosiddetto “a risonanza” con la lingottiera direttamente montata su molle di flessione, senza leverismi, fatta oscillare da un servocomando idraulico ad una frequenza prossima a quella propria del sistema elastico, in assenza di giochi e quindi lungo una traiettoria estremamente precisa.

Eventuali aggiunte e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti del ramo alla forma realizzativa sopra descritta ed illustrata senza uscire dall’ambito dell’invenzione stessa. In particolare la lingottiera potrebbe avere un andamento, nel piano verticale, diverso da quello secondo la domanda MI 93 A001004 ed il tuffante potrebbe essere diverso da quello descrito e rivendicato nella domanda MI 96 A001243, purché naturalmente siano soddisfate le relazioni geometriche più sopra indicate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Insieme di apparecchiature per la colata continua di bramine d’acciaio, particolarmente adatto per spessori sottili e velocità elevate, comprendente una lingottiera (1) per colata continua, definita da pareti a piastre di rame sui lati maggiori, un ugello di alimentazione con sbocco ad immersione o tuffante (2) ed un oscillatore (3) ad azionamento servoidraulico, caratterizzato dal fatto che almeno nella zona centrale della sezione orizzontale della lingottiera, all’altezza del menisco, la distanza tra tuffante (2) e piastre di rame è mantenuta costante; che inoltre il rapporto tra l’area (Al), corrispondente alla porzione centrale della superficie della sezione orizzontale di lingottiera all’altezza del menisco, area compresa tra i lati maggiori della lingottiera stessa ed il tuffante (2), e la lunghezza (SI) complessiva dei due tratti perimetrali di lingottiera corrispondenti a detta area (Al) è pari a 0,9- 1,1 volte il rapporto tra l’area (A2) della rimanente superficie della sezione orizzontale della lingottiera (1) al menisco e la lunghezza (S2) complessiva dei tratti perimetrali di lingottiera relativi alla suddetta area (A2); in cui inoltre la distanza normale (Nd) tra ciascun punto della superficie interna delle pareti di lingottiera e l’inviluppo superficiale ideale (E) di tutte l’estremità dei canali di raffreddamento (W) è costante.
2. Insieme secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti rapporti Al/Sl e A2/S2 sono sostanzialmente di valore uguale.
3. Insieme secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto valore costante di Nd è compreso tra 10 e 25 m
4. Insieme secondo la rivendicazione 1 o 3, caratterizzato dal fatto che il rapporto tra l’altezza di onda stazionaria che si viene a determinare nel menisco in lingottiera, calcolata da picco a picco in mm, e la velocità di colata in m/min non supera il valore dì 5, con un valore medio di 3,3.
5. Insieme secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che la deviazione standard calcolata sul segnale campionato di livello nella lingottiera è compresa nel campo di valori 0,7- 1,5 mm.
6. Insieme secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l’oscillatore (3) è costituito da un leverismo a quadrilatero (3 a, 3b, 3c) con servo-comando idraulico (5) in grado di modificare l’ampiezza dell’onda di oscillazione tra ± 2 e ± 10 mm.
7. Insieme secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5, caratterizzato dal fatto che l’oscillatore (3) è del tipo a risonanza, in cui la lingottiera (1) è direttamente montata su molle a flessione e fatta oscillare da un servocomando idraulico ad una frequenza prossima a quella propria del sistema elastico, in assenza di giochi.