Verfahren und Vorrichtung zum Stranggießen von MetallMethod and device for continuous casting of metal
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggießen von Metall, insbesondere von Stahl, wobei Schmelze kontinuierlich in eine gekühlte Kokille mit einer Gießgeschwindigkeit unter Ausbildung eines Gießspiegels gegossen und ein Gießprodukt kontinuierlich aus der Kokille in Gießrichtung abgezogen wird, wobei die Kokille mit einem Kokilleneingang und einem Kokillenausgang eine was- sergekühlte Kupferkokille mit Kokillenkühlwasserkanälen mit einem Kanaleintritt und einem Kanalaustritt ist, durch die Kühlwasser strömt, das am Kanaleintritt einen Eingangsdruck p0 und am Kanalaustritt einen Ausgangsdruck pi aufweist.The invention relates to a process for the continuous casting of metal, in particular steel, wherein the melt is continuously poured into a cooled mold at a casting speed with the formation of a mold level and a cast product is continuously withdrawn from the mold in the casting direction, the mold having a mold inlet and a mold outlet is a water-cooled copper mold with mold cooling water channels with a channel inlet and a channel outlet, through which cooling water flows, which has an inlet pressure p 0 at the channel inlet and an outlet pressure pi at the channel outlet.
Die Erfindung geht hierbei von einem Stand der Technik aus, wie er mittels der Fig. 1 gezeigt ist und nachfolgend erläutert wird. Beim Stranggießen von Metallen, insbesondere von Stahl, gleich welchen Formates, wie Knüppel, Profile, Vorblöcke, Brammen oder Dünnbrammen, mit offenem Gießstrahl und Öl oder mit Tauchausguß, Tauchrohr und Gießpulver als Schmiermittel stellt der Wärmestrom I (1 ) über die Kokillenhöhe 2 besondere Anforderungen an die Verfah- renstechnik und damit an die Ausführung der Kokillenvorrichtung. Besondere Aufmerksamkeit erfordert die Kokillenkühltechnik mit steigender Gießgeschwindigkeit (3), die bei Knüppel und Dünnbrammen inzwischen max. 15 m/min betragen kann.The invention is based on a prior art, as shown by means of FIG. 1 and explained below. When continuously casting metals, in particular steel, of whatever format, such as billets, profiles, blooms, slabs or thin slabs, with an open pouring jet and oil or with immersion spout, dip tube and casting powder as lubricant, the heat flow I (1) makes the mold height 2 special Requirements for the process technology and thus for the execution of the mold device. The mold cooling technology requires special attention with increasing casting speed (3), which meanwhile has max. 15 m / min can be.
Der Stand der Technik wird beispielhaft an Hand einer Stranggießkokille beschrieben, bei der ein Tauchausguß 4 und Gießpulver 5 sowie Gießschlacke 5.1 , die zur Isolation der Strangschale 6 vom Beginn ihrer Erstarrung im Gießspiegel 7 bis zum Kokillenausgang 8 dient, zum Einsatz kommen.The prior art is described by way of example with the aid of a continuous casting mold, in which an immersion spout 4 and casting powder 5 and pouring slag 5.1, which serve to isolate the strand shell 6 from the start of its solidification in the mold level 7 to the mold outlet 8, are used.
Wie Figur 1 deutlich macht, verläuft der Wärmestrom I (1) von der Strangmitte 9 als Energiequelle durch die Strangschale 6 und beispielhaft hier durch den
Schlackenfilm 5.2 sowie durch die Kokillenkupferplatte 10 mit der Heißseite HF (10.1), durch die Kupferplattendicke (10.2) und durch die Kaltseite CF (10.3) in die Energiesenke, d.h. in das Kokillenkühlwasser 11 , das nach dem Stand der Technik von unten nach oben, also vom Kokillenausgang 8 zum Kokilleneingang 12 bzw. zum Gießspiegel ML (7) fließt.As FIG. 1 makes clear, the heat flow I (1) runs from the middle of the strand 9 as an energy source through the strand shell 6 and, for example, here through the Slag film 5.2 and through the mold copper plate 10 with the hot side HF (10.1), through the copper plate thickness (10.2) and through the cold side CF (10.3) into the energy sink, ie into the mold cooling water 11, which according to the prior art is from bottom to top, thus flows from the mold exit 8 to the mold entrance 12 or to the mold level ML (7).
Weiterhin läßt die Fig. 1 die Wärmestrombelastung I* (13) der Kokille, ausgedrückt als MW/m2, über die Kokillenhöhe (2) erkennen. Das Profil (13.1) dieser Kokillenwärmestrombelastung I* (13) läßt ein deutliches Maximum (13.2) im Bereich des Gießspiegels ML (7) erkennen. Gleichzeitig weist die Kupferplat- tenhauttemperatur T (14) in der Oberfläche der Kupferplattenheißseite HF (10.1) über die Kokillenhöhe (2) ein Profil (14.1 ) auf, das ähnlich wie die Wärmestrombelastung I* (13) verläuft. Das Profil (14.1) weist wie die Wärmestrombelastung (13) auch im Gießspiegel, ML (7) ein Maximum (14.2) auf. Um die Darstellung zu vereinfachen, sind das Profil bzw. der Verlauf der Wärmestrom- belastung (13) der Kupferplattenheißseite (10.1) über die Kokillenhöhe und der Verlauf der Kupferplattenhauttemperatur über die Kokillenhöhe als gleichartige Kurven dargestellt.1 also shows the heat flow load I * (13) of the mold, expressed as MW / m 2 , via the mold height (2). The profile (13.1) of this mold heat flow load I * (13) shows a clear maximum (13.2) in the area of the mold level ML (7). At the same time, the copper plate skin temperature T (14) in the surface of the hot copper plate side HF (10.1) has a profile (14.1) over the mold height (2) which is similar to the heat flow load I * (13). The profile (14.1), like the heat flow load (13), also has a maximum (14.2) in the mold level, ML (7). To simplify the illustration, the profile or the profile of the heat flow load (13) on the hot copper plate side (10.1) over the mold height and the profile of the copper plate skin temperature over the mold height are shown as similar curves.
Die hohe thermische Belastung (14) der Kupferplatte 10 im Gießspiegelbereich (14.2) wird durch den Druckunterschied bzw. Druckverlust ΔP (15.2) des Kokillenkühlwassers 11 , das mit dem Eingangsdruck P0 (15) am Kokillenausgang 8 und dem Ausgangsdruck P-i (15.1) am Kokilleneingang (12) beschrieben werden kann, deutlich.The high thermal load (14) of the copper plate 10 in the mold level area (14.2) is due to the pressure difference or pressure drop ΔP (15.2) of the mold cooling water 11, which with the inlet pressure P 0 (15) at the mold outlet 8 and the outlet pressure Pi (15.1) on Mold entrance (12) can be described clearly.
Dieser Druckverlust (15.2) führt zu einer Nusselt-Schicht (16.1 ), d.h. zu einer Grenzfläche mit einem Grenzflächen widerstand (16), die am Kokillenausgang 8, hier durch den Schnitt F verdeutlicht, dünner ist als die Nusselt-Schicht (16.2) am Kokilleneingang (12), was durch den Schnitt ML verdeutlicht wird. Die Nusselt-Schicht kann als laminare Strömungsschicht betrachtet werden, durch die der Wärmetransport vorwiegend über Leitung und nicht wie in der turbulenten Zone mit einer Reynolds-Zahl Re > 2.300 (17) vorwiegend über Zwangskon-
vektion stattfindet. Die Dicke der jeweiligen Nusselt-Schicht wird durch die Distanz-Pfeile verdeutlicht.This pressure loss (15.2) leads to a Nusselt layer (16.1), ie to an interface with an interface resistance (16) which is thinner at the mold outlet 8, here illustrated by the section F, than the Nusselt layer (16.2) Mold entrance (12), which is illustrated by the cut ML. The Nusselt layer can be viewed as a laminar flow layer through which the heat transport predominantly via conduction and not, as in the turbulent zone with a Reynolds number Re> 2,300 (17) predominantly via forced contact. vection takes place. The thickness of each Nusselt layer is shown by the distance arrows.
Diese Erhöhung der Nusselt-Schichtdicke oder des Grenzflächenwiderstandes (16) über die Kokillenhöhe (2) steigt vom Kokillenausgang 8 bis zum Gießspie- gel ML (7) stetig an und führt mit der steigenden Wärmestromdichte der Kokille I* (13) zu einer erhöhten thermischen Belastung (14) der Kokillenplattenheiß- seite HF (10.1 ) mit ihrem Maximum (14.2) im Gießspiegel, die zu einer Schädigung bzw. kurzen Standzeit der Kupferplatte (10) führt. Diese kurze Kupferplattenstandzeit tritt durch Schädigungen der Kupferplattenheißseite HF (10.1) im Maximum (14.2) des Wärme- oder Temperaturprofils, d.h. im Bereich des Gießspiegels, ML (7) auf. Diese Schädigungen können sich deutlich machen durchThis increase in the Nusselt layer thickness or the interface resistance (16) over the mold height (2) rises steadily from the mold outlet 8 to the casting level ML (7) and leads to an increased thermal with the increasing heat flow density of the mold I * (13) Load (14) on the hot mold side HF (10.1) with its maximum (14.2) in the mold level, which leads to damage or a short service life of the copper plate (10). This short copper plate service life occurs due to damage to the copper plate hot side HF (10.1) in the maximum (14.2) of the heat or temperature profile, ie in the area of the mold level, ML (7). This damage can be seen through
• Erweichung des kaltgewalzten Kupfers und/oder• softening the cold-rolled copper and / or
• Rißbildung der Kupferplatte im Gießspiegelbereich und führt gleichzeitig in der Oberfläche der Strangschale 6 zur erhöhten Gefahr der Bildung von beispielsweise Längsrissen.• Cracking of the copper plate in the area of the mold level and at the same time leads to an increased risk of longitudinal cracks forming in the surface of the strand shell 6.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Vorrichtung gattungsgemäßer Art so weiterzubilden, dass diese Nachteile nicht auftreten. Insbeson- dere soll die hohe thermische Belastung T der Kokille im Gießspiegel unterdrückt bzw. vermieden werden kann.The object of the invention is now to develop a method and a device of the generic type such that these disadvantages do not occur. In particular, the high thermal load T of the mold in the mold level should be suppressed or avoided.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vor- teilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen sowie in der Beschreibung des Ausführungsbeispiels dargestellt.This object is achieved by the method with the features of claim 1 and by an apparatus with the features of claim 9. Advantageous further developments are presented in the subclaims and in the description of the exemplary embodiment.
Verfahrensgemäß wird vorgeschlagen, dass die Wasserströmungsgeschwindigkeit in den Kokillenkühlwasserkanälen kontrolliert eingestellt wird, dass der Druckverlust Δp des Kühlwassers unterhalb eines vorgegebenen Maximalwer-
tes gehalten wird, dass die Kühlwasserströmungsrichtung in Stranggießrichtung verläuft und dass sich hierdurch eine Nusselt-Schicht im Kühlkanal ausbildet, die auf Höhe des Gießspiegels dünner als die Nusselt-Schicht am Kokillenausgang ist, wobei durch die kontrollierte (variable) Einstellung der Wasserströmungsgeschwindigkeit und ggfs. durch die kontrollierte (variable) Einstellung der Kühlwasservorlauftemperatur über die Dicke der Nusselt-Schicht auf Höhe des Gießspiegels die Temperatur der Kokillenwand bzw. -platte am Gießspiegel bzw. Meniskus geregelt wird. Durch diese Regelung kann die Temperatur der Kokillenwand auf Höhe des Gießspiegels trotz steigender Gießgeschwindigkeiten über ein bestimmtes Betriebsfenster konstant gehalten werden.According to the method, it is proposed that the water flow rate in the mold cooling water channels be adjusted in a controlled manner, that the pressure loss Δp of the cooling water is below a predetermined maximum value. tes is kept that the cooling water flow direction runs in the continuous casting direction and that this forms a Nusselt layer in the cooling channel, which is thinner at the level of the casting level than the Nusselt layer at the mold outlet, whereby through the controlled (variable) setting of the water flow speed and, if necessary. Through the controlled (variable) setting of the cooling water supply temperature via the thickness of the Nusselt layer at the level of the casting level, the temperature of the mold wall or plate on the casting level or meniscus is regulated. With this regulation, the temperature of the mold wall at the level of the pouring level can be kept constant over a certain operating window despite increasing pouring speeds.
Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Umkehrung der Wasserströmungsrichtung in den Kühlkanälen zur Kühlung der Kupferkokille von ursprünglich einer Strömungsrichtung entgegen die Gießrichtung hin zu einer Strömungsrichtung in Gießrichtung, was gleichbedeutend ist mit der Richtung vom Kokillen- eingang zum Kokillenausgang bzw. einer Richtung von oben nach unten, wobei sich eine Nusselt-Schicht bildet, die auf Höhe des Gießspiegels dünner als die Nusselt-Schicht am Kokillenausgang ist. Die Nusselt-Schicht kann als laminare Strömungsschicht betrachtet werden, durch die der Wärmetransport vorwiegend über Leitung und nicht wie in der turbulenten Zone vorwiegend über Zwangskonvektion stattfindet. Durch die Nusselt-Schicht ergibt sich ein bestimmter Grenzflächenwiderstand an der Kupferplattenkaltseite der Kokille im Bereich der Kühlwasserkanäle. Es wird demnach erreicht, dass die laminare Strömungsschicht im Bereich des Gießspiegels dünner ist als am Kokillenausgang und damit der Grenzflächenwiderstand an der Kupferplattenkaltseite der Kokille kleiner ist. Auf diese Weise wird das Temperaturmaximum am Gießspiegel abgebaut, und es erfolgt eine Vergleichmäßigung der Kokillenhauttem- peratur über die Kokillenhöhe.The invention is characterized by the reversal of the water flow direction in the cooling channels for cooling the copper mold from originally a flow direction opposite the casting direction to a flow direction in the casting direction, which is synonymous with the direction from the mold inlet to the mold outlet or a direction from top to bottom , whereby a Nusselt layer forms which is thinner at the level of the casting level than the Nusselt layer at the mold exit. The Nusselt layer can be viewed as a laminar flow layer through which the heat is transported primarily via conduction and not, as in the turbulent zone, primarily via forced convection. The Nusselt layer results in a certain interface resistance on the copper plate cold side of the mold in the area of the cooling water channels. It is thus achieved that the laminar flow layer is thinner in the area of the casting level than at the mold exit and thus the interface resistance on the copper plate cold side of the mold is smaller. In this way, the maximum temperature at the mold level is reduced and the mold skin temperature is evened out over the mold height.
Bei der beschriebenen Kokillenkühlung nach dem Stand der Technik steigt die Temperatur der Kupferplatte im Gießspiegelbereich mit zunehmender Gießgeschwindigkeit und somit einem größeren Wärmeanfall an, da die Wasserein-
lauftemperatur und die Wasserdurchflussmenge konstant gehalten werden. Im Gegensatz hierzu wird mittels der Erfindung erreicht, dass die Temperatur der Kupferplatte auf Höhe des Gießspiegels trotz steigender Gießgeschwindigkeit konstant gehalten werden kann. Durch die kontrollierte Einstellung im Sinne einer Steuerung oder Regelung der Wasserströmungsgeschwindigkeiten bzw. der Wassermengen und darüber hinaus der Wassertemperatur kann die Temperatur der Kupferplatte im Gießspiegelbereich unabhängig von der Gießgeschwindigkeit innerhalb bestimmter Betriebsfenster frei eingestellt und konstant gehalten werden.In the case of the mold cooling described according to the prior art, the temperature of the copper plate in the area of the mold level rises with increasing casting speed and thus a greater amount of heat, since the water running temperature and the water flow rate are kept constant. In contrast to this it is achieved by means of the invention that the temperature of the copper plate at the level of the pouring level can be kept constant despite increasing pouring speed. Through the controlled setting in the sense of controlling or regulating the water flow speeds or the water quantities and moreover the water temperature, the temperature of the copper plate in the area of the pouring level can be freely set and kept constant within certain operating windows regardless of the pouring speed.
Durch die Steuerung bzw. Regelung der Wasserströmungsgeschwindigkeit wird das Verhältnis zwischen der Dicke der Nusselt-Schicht bzw. die laminare Strömungsschicht und der Dicke der turbulenten Zone eingestellt und somit die Temperatur in der Kupferplatte im Gießspiegelbereich. Auf diese Weise ist es möglich, einen jeweils für eine bestimmte Stahlsorte optimierten Temperatur- verlauf einzustellen.The ratio between the thickness of the Nusselt layer or the laminar flow layer and the thickness of the turbulent zone is set by controlling or regulating the water flow rate and thus the temperature in the copper plate in the area of the mold level. In this way, it is possible to set a temperature curve that is optimized for a particular steel grade.
Bevorzugt werden die Wasserströmungsgeschwindigkeiten in den Kokillenkühlwasserkanälen so kontrolliert eingestellt, dass die mittlere Geschwindigkeit nicht unter Werte von 3m/s sinkt. Der Druckverlust des Kühlwasserdrucks zwi- sehen Kanaleintritt und -austritt soll vorzugsweise bei maximal 4 bar liegen, wobei der Kühlwasser-Eingangsdruck p0 (15) vorzugsweise bei mehr als 6 bar liegt.The water flow speeds in the mold cooling water channels are preferably set in a controlled manner so that the average speed does not drop below 3 m / s. The pressure loss of the cooling water pressure between the channel inlet and outlet should preferably be a maximum of 4 bar, the cooling water inlet pressure p 0 (15) preferably being more than 6 bar.
Insbesondere eignet sich das Verfahren zum Stranggießen mit hohen Gießge- schwindigkeiten, die bis zu 15 m/min betragen.The process is particularly suitable for continuous casting at high casting speeds of up to 15 m / min.
Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, wobei der Kanaleintritt der Kokillenkühlwasserkanäle und der Kanalaustritt so angeordnet sind, dass die Kühlwasserströmungsrichtung in Gießrichtung verläuft, wobei die sich ausbildende Nusselt-Schicht auf Höhe des Gießspiegels dünner als die Nusselt-Schicht am Kokillenausgang ist. Der Kanaleintritt eines Kühl-
wasserkanals befindet sich am Kokilleneingang, während sich der Kanalaustritt am Kokillenausgang befindet. Zudem weist sie eine Einrichtung zur kontrollierten Einstellung der Wasserströmungsgeschwindigkeit und ggfs. zusätzlich eine Einrichtung zur kontrollierten Einstellung der Wassertemperatur auf.A device is proposed for carrying out the method, the channel inlet of the mold cooling water channels and the channel outlet being arranged such that the cooling water flow direction runs in the pouring direction, the Nusselt layer that forms at the level of the pouring level being thinner than the Nusselt layer at the mold outlet. The channel entry of a cooling Water channel is at the mold entrance, while the channel exit is at the mold exit. In addition, it has a device for the controlled adjustment of the water flow rate and, if necessary, an additional device for the controlled adjustment of the water temperature.
Die Erfindung, gekennzeichnet im wesentlichen durch die Umkehrung der Kühlwasserrichtung von oben nach unten statt wie bisher von unten nach oben sowie eine geregelte Einstellung der Wasserströmungsgeschwindigkeit, führt zu den folgenden Vorteilen wie einer Vergleichmäßigung der Wärmestromdichte im Gießspiegel über die Kokillenbreite, einer Vergleichmäßigung der thermi- sehen Belastung der Kupferplatte und besonders der Kupferplattenheißseite HF über die Kokillenhöhe. Diese Vorteile führen als Folge zu längeren Kokillenstandzeiten und verbesserter Strangoberfläche durch im wesentlichen Vermeidung von Längsrissen der Kupferplattenoberfläche im Gießspiegelbereich und in der Oberfläche der Strangschale, was sich insbesondere beim Gießen der ersten Brammen einer Gießsequenz im Falle von rissempfindlichen Stahlgüten bemerkbar macht. Insgesamt wird eine große Gießsicherheit erreicht.The invention, characterized essentially by the reversal of the cooling water direction from top to bottom instead of from bottom to top as before and a regulated adjustment of the water flow rate, leads to the following advantages such as a homogenization of the heat flow density in the mold level over the mold width, an equalization of the thermal see loading of the copper plate and especially the copper plate hot side HF above the mold height. As a result, these advantages lead to longer mold service lives and an improved strand surface by essentially avoiding longitudinal cracks in the copper plate surface in the area of the mold level and in the surface of the strand shell, which is particularly noticeable when casting the first slabs of a casting sequence in the case of crack-sensitive steel grades. Overall, a high level of casting reliability is achieved.
Durch die Einstellung einer bestimmten Kupferplatten-Temperatur auf Höhe des Gießspiegels innerhalb eines Betriebsfensters werden optimale Bedingungen für das zum Einsatz kommende Gießpulver ermöglicht, wobei ein optimales und konstantes Verhalten des Gießpulvers und des Schlackenfilms unabhängig von der Gießgeschwindigkeit und der Dicke der Kokillen-Kupferplatte ist. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die in der Figur dar- gestellte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert wird. Dabei sind neben den oben aufgeführten Kombinationen von Merkmalen auch Merkmale alleine oder in anderen Kombinationen erfindungswesentlich. Es zeigen:By setting a certain copper plate temperature at the level of the casting level within an operating window, optimal conditions for the casting powder used are made possible, whereby an optimal and constant behavior of the casting powder and the slag film is independent of the casting speed and the thickness of the mold copper plate. Further details and advantages of the invention emerge from the subclaims and from the following description, in which the embodiment of the invention illustrated in the figure is explained in more detail. In addition to the combinations of features listed above, features alone or in other combinations are also essential to the invention. Show it:
Fig.1 : nach dem Stand der Technik schematisch im Schnitt eine Hälfte einer Kokille mit einer Kupferkokillenplatte mit Wasserkühlung, den Verlauf der Wärmestrombelastung I* (MW/m2) sowie der Tempe-
raturverlauf T der Kupferplattenhauttemperatur in der Oberfläche der Kupferplattenheißseite HF, jeweils über die Kokillenhöhe, die Darstellung der Kühlwasserströmung im Schnitt ML am Gießspiegel und im Schnitt F am Kokillenausgang mit der Nusselt-Schichtdicke im Verhältnis zur Dicke der turbulenten Zone ;Fig. 1: according to the prior art, schematically in section half of a mold with a copper mold plate with water cooling, the course of the heat flow load I * (MW / m 2 ) and the temperature rature course T of the copper plate skin temperature in the surface of the copper plate hot side HF, in each case via the mold height, the representation of the cooling water flow in section ML at the mold level and in section F at the mold outlet with the Nusselt layer thickness in relation to the thickness of the turbulent zone;
Fig. 2: schematisch im Schnitt eine Hälfte einer erfindungsgemäßen Kokille mit einer Kupferkokillenplatte mit Wasserkühlung mit einer Strömungsrichtung in Gießrichtung, den Verlauf der Wärmestrombelastung I* (MW/m2) sowie der Temperaturverlauf T der Kupferplattenhauttemperatur in der Oberfläche der Kupferplattenheißseite HF, jeweils über die Kokillenhöhe, die Darstellung der Kühlwasserströmung im Schnitt ML am Gießspiegel und im Schnitt F am Kokillenausgang mit der Nusselschicht-Dicke im Verhältnis zur Dicke der turbulenten Zone.Fig. 2: schematically in section one half of a mold according to the invention with a copper mold plate with water cooling with a flow direction in the casting direction, the course of the heat flow load I * (MW / m 2 ) and the temperature course T of the copper plate skin temperature in the surface of the copper plate hot side HF, in each case over the mold height, the representation of the cooling water flow in section ML at the pouring level and in section F at the mold outlet with the walnut layer thickness in relation to the thickness of the turbulent zone.
Fig. 3 schematisch die Gegenüberstellung der Kühlverfahren für eine Stranggießkokille nach dem Stand der Technik und nach der Erfindung.Fig. 3 shows schematically the comparison of the cooling process for a continuous casting mold according to the prior art and according to the invention.
Die Erfindung wird beispielhaft mit Hilfe der Fig. 2 näher beschrieben. Fig. 1 stellt den Stand der Technik dar, der bereits im Detail diskutiert worden ist. Fig. 2 macht im Vergleich zu Fig. 1 die Erfindung mit ihrer unerwarteten Lösung zur Vergleichmäßigung der thermischen Belastung (20) der Kupferplattenheißseite HF (10.1 ) deutlich. Zu Fig. 1 gleiche Bauteile bzw. Größen sind in Fig. 2 mit entsprechenden Bezugszeichen versehen.The invention is described in more detail by way of example with the aid of FIG. 2. Fig. 1 represents the prior art, which has already been discussed in detail. 2 makes the invention clear in comparison to FIG. 1 with its unexpected solution for equalizing the thermal load (20) of the copper plate hot side HF (10.1). Components or sizes that are the same as FIG. 1 are provided with corresponding reference symbols in FIG. 2.
Durch betriebliche Messungen und mathematisch-physikalische Simulation konnte nachgewiesen werden, dass durch die Umkehrung der Strömungsrichtung des Kokillenkühlwassers (18) von oben nach unten sich eine Nusselt- Schicht (19) im Gießspiegel ML (19.1) ausbildet, die kleiner als die Nusselt- Schicht (19.2) am Kokillenausgang (8) ist (vgl. hierzu die unteren Darstellungen der Dicke der Nusselt-Schicht). Durch diese dünnere Nusselt-Schicht bzw. la-
minare Grenzschicht (Reynolds-Zahl Re < 2.300) ergibt sich ein geringerer Grenzflächenwiderstand (19) im Gießspiegel (7), womit die thermische Belastung (20) sich über die Kokillenhöhe (2) vergleichmäßigt und die hohe Belastung der Kupferplattenheißseite HF (10.1) vermieden werden kann und sich ein relativ gleichförmiges Temperaturprofil (20.1 ) ohne Maximum einstellt.Operational measurements and mathematical-physical simulation have shown that by reversing the direction of flow of the mold cooling water (18) from top to bottom, a Nusselt layer (19) is formed in the ML level (19.1) which is smaller than the Nusselt layer (19.2) is at the mold exit (8) (cf. the lower representations of the thickness of the Nusselt layer). Due to this thinner Nusselt layer or The minimum boundary layer (Reynolds number Re <2,300) results in a lower interfacial resistance (19) in the mold level (7), making the thermal load (20) even over the mold height (2) and avoiding the high load on the hot copper plate side HF (10.1) can be and a relatively uniform temperature profile (20.1) without a maximum.
Gleichzeitig läßt die Fig. 2 erkennen, dass die Wärmestrombelastung der Kokille I* in 1. Näherung unverändert gleich gegenüber der Wärmestrombelastung bleibt, wie sie sich bei der Kokille nach dem Stand der Technik ergibt. Die Kühlwasserkanäle 18 können als Schlitze oder Bohrungen ausgebildet sein mit 10-80% Wasserbedeckung oder als Ringspalt bei 100% Wasserbedeckung.At the same time, FIG. 2 shows that the heat flow load of the mold I * in the 1st approximation remains unchanged compared to the heat flow load, as is the case with the mold according to the prior art. The cooling water channels 18 can be designed as slots or bores with 10-80% water coverage or as an annular gap with 100% water coverage.
Die Fig. 2 macht auch deutlich, dass durch das Umkehren der Strömungsrichtung des Kokillenkühlwassers (18) der hohe Druck P0 (15) im Gießspiegel ML (7) voll zur Wirkung kommt und hierdurch außerdem ein höherer Verdamp- fungsdruck des Wassers (Gasfilmbildung) gegenüber dem Kokillenausgang (8) mit dem Druck Pi (15.1 ) sich einstellt. Dieser höhere Druck des Wassers im Gießspiegel (7) erhöht außerdem die Sicherheit vor einer möglicherweise eintretende Wassergasblasen- oder Wassergasfilm-Bildung (Leidenfrost-Effekt) im Vergleich zum Stand der Technik.FIG. 2 also makes it clear that by reversing the direction of flow of the mold cooling water (18), the high pressure P 0 (15) in the casting level ML (7) comes into full effect and thereby also a higher evaporation pressure of the water (gas film formation) opposite the mold outlet (8) with the pressure Pi (15.1). This higher pressure of the water in the pouring level (7) also increases the security against a possibly occurring water gas bubble or water gas film formation (Leidenfrost effect) compared to the prior art.
Das Kühlwasser erhält durch eine geeignete Pumpe 21 am Kanaleintritt (10.5) vorzugsweise eine solche Strömungsgeschwindigkeit, dass sich eine mittlere Wasserströmungsgeschwindigkeit von mehr als 3 m/s ergibt. Die Kokille wird mittels einer Oszillationseinrichtung (hier schematisch mit 22 gekennzeichnet) gegenüber dem Strang bzw. der erstarrten Strangschale 6 oszilliert, indem die Kokille vertikal auf- und abbewegt wird. Alternativ ist es möglich, dass der Strang in einer feststehenden Kokille auf- und abbewegt wird, beispielsweise durch Anlegen eines pulsierenden Magnetfeldes unterhalb der Kokille.A suitable pump 21 at the channel inlet (10.5) preferably provides the cooling water with a flow rate such that an average water flow rate of more than 3 m / s results. The mold is oscillated with respect to the strand or the solidified strand shell 6 by means of an oscillation device (here schematically identified by 22), in that the mold is moved vertically up and down. Alternatively, it is possible for the strand to be moved up and down in a fixed mold, for example by applying a pulsating magnetic field below the mold.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Gegenüberstellung der Kokillenkühlung nach dem Stand der Technik (links) und nach der Erfindung (rechts) anhand von Prozess-
Schaubildern. Bei der Kokille nach dem Stand der Technik oder der „klassischen" Kokille strömt das Kühlwasser entgegen der Gießrichtung, wie durch die Pfeile 23 gekennzeichnet. Die Geschwindigkeit des Kühlwassers Vwasser sowie die Temperatur des eintretenden Kühlwassers Teiπ bzw. Tin sind konstant. Mit steigender Geschwindigkeit (vc m/min) steigt die Temperatur an der Kokillen- platten-Heißseite auf der Höhe des Gießspiegels bzw. des Meniskus an. Es ergibt sich somit eine variable Temperatur Theißseite Meniskus- Im Gegensatz hierzu wird nach dem vorgeschlagenen Verfahren die Temperatur an der Kokillenplatten-Heißseite auf Höhe des Meniskus (THeißseite Meniskus) geregelt eingestellt, wobei die Strömungsrichtung des Kühlwassers in Richtung der Gießrichtung läuft (vgl. Pfeile 24) und sich auf Höhe des Meniskus eine dünnere Nusselt- Schicht als am Kokillenausgang ausbildet, deren Dicke und damit die Temperatur an der Kokillenplatten-Heißseite auf der Gießspiegelhöhe Taus mittels der Wasserströmungsgeschwindigkeit Vwasser und der Kühlwassertemperatur TΘin bzw. Tin regelbar ist. Mit Hilfe dieses Regelkonzeptes kann die Temperatur der Kokillenplatte im Gießspiegel innerhalb bestimmter Betriebsfelder frei gewählt und kontrolliert werden. Hierzu wird die Ist-Temperatur Taus abgegriffen und zusammen mit weiteren Prozessdaten die zur Einregelung auf eine Soll- Temperatur benötigte Wasserströmungsgeschwindigkeit Vwasser mit der Einrichtung 25 sowie die Wässertem peratur Tein eingestellt. Mit zunehmender Gießgeschwindigkeit vc wird die Kühlwasservorlauftemperatur TΘin bzw. Tin abgesenkt und die Kühlwasserströmungsgeschwindigkeit vWaSser erhöht. Zudem wird aus der Gegenüberstellung auch ersichtlich, dass zwischen den unterschiedlichen Kokillenkühlungen frei wählbar ist. Die Modifikation im Wasserkreislauf des Kokillensystems besteht aus einem Online-Rechner, der bei Ab- Schaltung die konventionelle Kokillenkühlstrategie selbst während des Gießens sofort wieder zuläßt.
Bezugszeichenliste3 schematically shows a comparison of the mold cooling according to the prior art (left) and according to the invention (right) using process Graphs. In the case of the mold according to the prior art or the “classic” mold, the cooling water flows counter to the pouring direction, as indicated by the arrows 23. The speed of the cooling water V water and the temperature of the cooling water entering T e i π or T in are constant With increasing speed (v c m / min) the temperature on the mold plate hot side rises at the level of the pouring level or the meniscus. This results in a variable temperature the Tis side meniscus. In contrast to this, the proposed method the temperature on the hot plate side of the mold at the level of the meniscus (T He ß side meniscus) is regulated, the direction of flow of the cooling water runs in the direction of the pouring direction (see arrows 24) and a thinner Nusselt layer at the level of the meniscus than at the mold exit forms, their thickness and therefore the temperature at the hot mold plates page on the casting level of T is adjustable by means of the water flow rate Vw a sser and the cooling water temperature T Θ in or T in . With the help of this control concept, the temperature of the mold plate in the mold level can be freely selected and controlled within certain operating fields. For this purpose, the actual temperature T off is tapped and, together with further process data, the water flow rate Vw asse r required for regulation to a target temperature is set with the device 25 and the water temperature T e in. With increasing pouring speed v c , the cooling water inlet temperature T Θin or T in is lowered and the cooling water flow velocity v WaS ser is increased. In addition, the comparison also shows that there is a free choice between the different mold cooling systems. The modification in the water cycle of the mold system consists of an online computer, which, when switched off, allows the conventional mold cooling strategy to be used again immediately, even during casting. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Wärmestrom I vom Strang durch die Kokillenplatte in das Kokillenkühlwasser1 heat flow I from the strand through the mold plate into the mold cooling water
2 Kokillenhöhe2 mold height
3 Gießgeschwindigkeit 3.1 Gießrichtung 4 Tauchausguß3 Casting speed 3.1 Casting direction 4 Immersion pouring
5 Gießpulver5 mold powder
5.1 Gießschlacke5.1 pouring slag
5.2 Gießschlackenfilm5.2 Cast slag film
6 Strangschale 6.1 Schmelze6 strand shell 6.1 melt
7 Gießspiegel ML7 Casting level ML
8 Kokillenausgang8 mold exit
9 Strangmitte9 middle of the strand
10 Kokillenkupferplatte 10.1 Kupferplattenheißseite, HF, der Strangschale zugewandt10 Chill copper plate 10.1 copper plate hot side, HF, facing the strand shell
10.2 Kupferplattendicke10.2 Copper plate thickness
10.3 Kupferplattenkaltseite, CF, dem Kokillenwasser zugewandt10.3 Copper plate cold side, CF, facing the mold water
10.4 Kokillenkühlwasserkanäle10.4 Chilled water cooling channels
10.5 Kanaleintritt 10.6 Kanalaustritt10.5 Channel entry 10.6 Channel exit
1 1 Kokillenkühlwasserkanal mit einer Fließrichtung des Kühlwassers entgegen der Gießrichtung von unten nach oben1 1 permanent mold cooling water channel with a flow direction of the cooling water against the pouring direction from bottom to top
12 Kokilleneingang12 mold entrance
13 Wärmestrombelastung der Kokille I* in MW/m2 13.1 Wärmestromprofil bzw. -verlauf über die Kokillenhöhe (2)13 Heat flow load of the mold I * in MW / m 2 13.1 Heat flow profile or profile over the mold height (2)
13.2 Maximum des Wärmestromprofils im Bereich des Gießspiegels ML (7)
14 Kupferplattenhauttemperatur T, Temperaturbelastung, thermische Belastung13.2 Maximum of the heat flow profile in the area of the pouring level ML (7) 14 copper plate skin temperature T, temperature load, thermal load
14.1 Temperaturprofil über die Kokillenhöhe (2)14.1 Temperature profile over the mold height (2)
14.2 Maximum des Temperaturprofils im Bereich des Gießspiegels ML (7) 15 Eingangsdruck P0 des Kokillenkühlwassers 15.1 Ausgangsdruck Pi des Kokillenkühlwassers 15.2 Druckunterschied ΔP = P0 - Pi14.2 Maximum of the temperature profile in the area of the pouring level ML (7) 15 inlet pressure P 0 of the mold cooling water 15.1 outlet pressure Pi of the mold cooling water 15.2 pressure difference ΔP = P 0 - Pi
16.1 Nusselt-Schicht bzw. Grenzflächenwiderstand bzw. laminare Grenzschicht (Reynolds-Zahl Re < 2.300, x2 ) bei einer Kühlwasserströmungsrichtung von unten nach oben am Schnitt F 16.2 Nusselt-Schicht bei einer Kühlwasserströmungsrichtung von unten nach oben am Schnitt ML16.1 Nusselt layer or interfacial resistance or laminar boundary layer (Reynolds number Re <2,300, x 2 ) with a cooling water flow direction from bottom to top at section F 16.2 Nusselt layer with a cooling water flow direction from bottom to top at section ML
17 Turbulente Zone mit Wärmetransport über Zwangskonvektion, Reynolds- Zahl Re > 2.300, x3 17 Turbulent zone with heat transfer via forced convection, Reynolds number Re> 2,300, x 3
18 Kokillenkühlwasserkanal mit einer Fließrichtung des Kühlwassers in Richtung Gießrichtung von oben nach unten bzw. vom Kokilleneingang18 mold cooling water channel with a flow direction of the cooling water in the direction of pouring from top to bottom or from the mold entrance
(12) zum Kokillenausgang (8)(12) to the mold exit (8)
19.1 Nusselt-Schicht bzw. Grenzflächenwiderstand bzw. laminare Grenzschicht bei der Wasserströmungsrichtung von oben nach unten am Schnitt ML (Höhe Gießspiegel (7)) 19.2 Nusselt-Schicht bei einer Wasserströmung von oben nach unten am Schnitt F (Kokillenausgang (8))19.1 Nusselt layer or interfacial resistance or laminar boundary layer in the water flow direction from top to bottom at the cut ML (height of the casting level (7)) 19.2 Nusselt layer with water flow from top to bottom at the cut F (mold outlet (8))
20 Thermische Belastung der Kupferplattenheißseite HF (10.1 ) bei der Strömungsrichtung des Kokillenkühlwassers von oben nach unten20 Thermal loading of the copper plate hot side HF (10.1) when the mold cooling water flows from top to bottom
20.1 relativ gleichförmiges Temperaturprofil bzw. thermische Belastung über die Kokillenhöhe (2)20.1 relatively uniform temperature profile or thermal load over the mold height (2)
21 . Pumpe21. pump
22. Oszillationseinrichtung22. Oscillation device
23. Richtungspfeil für Kühlwasser-Strömungsrichtung23. Direction arrow for cooling water flow direction
24. Richtungspfeil für Kühlwasser-Strömungsrichtung 25. Einrichtung zur Einstellung von v asser
F Schnitt der Wasserströmung am Kokillenausgang (8), Strömungsprofil mit Nusselt-Schicht (16.2) ML Schnitt der Wasserströmung im Gießspiegelbereich ML, Strömungsprofil mit Nusselt-Schicht (16.2).
24. Direction arrow for cooling water flow direction 25. Device for setting v a sser F Section of the water flow at the mold outlet (8), flow profile with Nusselt layer (16.2) ML Section of the water flow in the area of the liquid level ML, flow profile with Nusselt layer (16.2).