[0001] Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Leitung der Abkühlgeschwindigkeit eines
aus einer Stranggiesskokille austretenden Gussstranges, der durch Aufbringen eines
fluiden Kühlmittels unmittelbar auf die Strangoberfläche gekühlt wird, durch Regelung
der Kühlleistung des Kühlmittels, umfassend fortlaufendes Messen der Kühlleistung,
Vergleichen dieser Messwerte mit der Führungsgrösse der geforderten Kühlleistung und
Beeinflussen der Zusammensetzung und/oder der zeitbezogenen Abgabemenge des Kühlmittels
im Sinne einer Angleichung an die Führungsgrösse.
[0002] Zudem liegt im Rahmen der Erfindung eine Stranggiessanlage mit auf die Zusammensetzung
und/oder die zeitbezogene Menge des abgegebenen Kühlmittels einwirkenden Stellgliedern,
ausgestattet mit einer Leiteinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
[0003] Beim Stranggiessen mit direkter Kühlung wird dem aus der Kokille austretenden Gussstrang
durch Beaufschlagen der Strangoberfläche mit einem fluiden Kühlmittel unmittelbar
unterhalb der Kokille Wärme entzogen. Die Wärmeentzugsrate und die resultierende Abkühlgeschwindigkeit
beeinflussen in hohem Masse das Gefüge des Gussstrangs und insbesondere die Ausgestaltung
der Gussstrangoberfläche. Gewöhnlich wird vom Giessbeginn bis zum Giessabbruch das
Kühlmittel in einer zeitbezogen konstanten Menge abgegeben. Um den speziellen Gegebenheiten
in der Angiessphase Rechnung zu tragen, wurde eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen
entwickelt, welche die Kühlintensität in dieser Phase verändern -- in der Regel reduzieren
-- helfen. Insbesondere für das berührungslose, vertikal abwärts gerichtete Stranggiessen
von Metallen im elektromagnetischen Wechselfeld wird beispielsweise in der EP-B-0
015 870 eine feine Regulierung des Kühlmittel-Auftreffwinkels und -Auftreffbereichs
durch eine kontrollierte Umlenkung des Kühlmittelstrahls vorgeschlagen, um damit
die Erstarrungsbedingungen den verschiedenen Giesslegierungen und Giessgeschwindigkeiten
optimal anpassen zu können. In der EP-B-062 606 ist zur Vermeidung einer konvexen
Wölbung des Strangfusses durch nicht-stationäre Kühlbedingungen in der Angiessphase
eine parallel zur Giessstrangachse bewegbare Ablenkfläche mit Ausnehmungen vorgesehen,
welche zumindest in der Angiessphase in die Bahn des Kühlmittels eingeschoben wird.
Die EP-B-0 082 810 beschreibt eine weitere Methode zur Verminderung der bei zu schroffer
Abkühlung des Stranges auftretenden Wölbung des Strangfusses. Dabei wird dem Kühlmittel
zumindest während der Angiessphase eine Substanz beigemischt, die beim Auftreffen
auf die heisse Strangoberfläche ein Gas als Zersetzungsprodukt abgibt, welches dort
einen den Wärmeabfluss vermindernden Isolierfilm bildet. Aus der EP-A-0 127 577 ist
zudem ein Verfahren zum Stranggiessen bekannt, bei welchem der entstehende Strang
mittels Kohlendioxid enthaltendem Wasser gekühlt wird, wobei die zugesetzte Menge
an Kohlendioxid während des Anfahrvorganges konstant gehalten, jedoch seine Konzentration
innerhalb des Kühlmittels durch Erhöhung des Wasserzuflusses vermindert und gleichzeitig
der thermiche Kontakt zwischen Strangoberfläche und Kühl mittel erhöht wird. Die
Zufuhr des Kohlendioxids soll dabei nach dem Anfahrvorgang oder nach Unterschreiten
eines bestimmten Kohlendioxid-Konzentrationswertes unterbrochen werden.
[0004] Bei all diesen Verfahren wird jedoch nicht berücksichtigt, dass Schwankungen der
Kühlmittelqualität beispielsweise durch Schwankungen der Temperatur oder der Verunreinigung,
sowie Druckunterschiede auftreten können, welche die Kühlleistung erheblich beeinflussen.
[0005] Zur teilweisen Beseitigung dieses Mangels ist aus der DE-A-19 41 816 ein Verfahren
zur Regelung der Abkühlungsgeschwindigkeit von langgestreckten, sich bewegenden,
heissen Gegenständen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen -- insbesondere von
aus der Kokille austretenden Gusssträngen -- bekannt, bei welchen die Regelung der
Abkühlungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur des sich
bewegenden Gegenstandes erfolgt. Im Beispiel einer Kühlung mittels eines Flüssikeits-Luft-Gemisches
wird dort vorgeschlagen, die Wassermenge, den Wasserdruck sowie die Gemischzusammensetzung
nach Massgabe der gemessenen Oberflächentemperatur zu beeinflussen. Da speziell bei
Aluminiumwerkstoffen die Anwendung eines Strahlungspyrometers infolge unterschiedlichen
Emissionsvermögens des Aluminiums und des Aluminiumoxids bei schwankender Oxidhautdicke
problematisch ist, wird dort ein Stechpyrometer eingesetzt.
[0006] Solche Oberflächenmessungen sind jedoch aufwendig und störungsanfällig. Die Platzverhältnisse
bei Stranggiessanlagen erschweren zudem die Installation dieser Messeinrichtungen.
Insbesondere beim Giessen von Metallen im elektromagnetischen Wechselfeld stören
solche in unmittelbarer Nähe der Gussstrangoberfläche angeordneten Vorrichtungen den
Giessablauf.
[0007] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten
Gattung zu schaffen, mittels welchem der Beitrag der Kühlleistung des Kühlmittels
zur Leitung der Abkühlgeschwindigkeit des Gussstranges kontrolliert werden kann,
ohne die unmittelbare Umgebung dieses Gussstranges zu stören bzw. durch diese gestört
zu werden.
[0008] Weiter soll ein Stranggiessanlage geschaffen werden, welche zur Durchführung dieses
Verfahrens ausgestattet ist.
[0009] In bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass
die Messung der Kühlleistung unter Verwendung von nicht mit dem Gussstrang in Berührung
gekommenem Kühlmittel an mindestens einer Stelle ausserhalb des Gussstranges durchgeführt
wird.
[0010] Im Falle eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs darf das zur Messung verwendete
Kühlmittel innerhalb desselben Zyklus nicht bereits mit dem Gussstrang in Berührung
gekommen sein.
[0011] Das Kühlmittel kann nach der Messung der Gussstrangoberfläche zugeführt oder direkt
abgeführt bzw. rezykliert werden.
[0012] In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird ein Teil
des zur Strangkühlung verwendbaren fluiden Kühlmittels auf mindestens eine Messstelle
ausserhalb des Gussstranges gelenkt. Diese Messstelle muss hierbei eine definierte
Temperatur aufweisen, welche höher liegt als die Temperatur des auftreffenden Kühlmittels.
Mittels Temperaturmessungen an der beaufschlagten Stelle wird dort die Kühlleistung
des Kühlmittels überwacht. Abweichungen von einem vorgegebenen soll-Verlauf der gemessenen
Temperatur lösen eine Korrektur der Kühlmittelzusammensetzung und/oder des Kühlmitteldrucks
aus. Besonders günstig ist es, die Messstellentemperatur möglichst nahe der Oberflächentemperatur
des Gussstrangs im Bereich des Kühlmittelaufpralls zu wählen. Die Abweichung der
absoluten Temperaturen soll 20 % jedenfalls nicht überschreiten. Damit kann die Gefahr
grosser, temperaturbedingter Unterschiede im qualitativen Kühlverhalten eingeschränkt
werden.
[0013] Eine zweckmässige Ausführung besteht darin, den zur Messung bestimmte Teil des Kühlmittels
auf einen lokal kontrolliert beheizten Körper zu lenken. Dabei kann die Heizung kontinuierlich
oder in definierten Intervallen auf den als Messstelle dienenden Bereich des Körpers
einwirken. Zur Erfüllung der hohen Anforderungen der Kühlleistungs-Messung haben
sich folgende beiden Methoden als besonders geeignet erwiesen: Die Temperatur der
mit dem Kühlmittel beaufschlagten Messstelle wird konstant gehalten, die hierfür
benötigte Heizleistung wird gemessen und mit einer vorgegebenen Führungsgrösse verglichen,
wonach das Kühlmittel nach Massgabe der Abweichung beeinflusst wird. Die zweite Methode
besteht darin, die Messstelle während einem vorgegebenen Zeitintervall nicht oder
nur mit reduzierter Leistung zu beheizen und den sich dabei einstellenden Temperaturabfall
als Mass für die aktuelle Kühlmittelleistung zu verwenden. Zwischen diesen Intervallen
wird der als Messstelle dienende Bereich des Körpers wieder auf die ursprüngliche
Temperatur geheizt.
[0014] Ein bevorzugtes Verfahren im Rahmen der Erfindung benutzt sowohl Messstellen, in
deren Bereich das Kühlmittel direkt auftrifft, als auch solche in einer Rieselzone,
in welcher das bereits aufgetroffene Kühlmittel der Körperoberfläche entlang, im wesentlichen
parallel zu dieser, abfliesst. Informationen aus diesen unterschiedlichen Kühlzonen
ermöglichen zusätzliche Rückschlüsse, welche dazu dienen, die verschiedenen Einflussgrössen
der Kühlmittelleistung gezielt zu korrigieren.
[0015] Das erfingunsgemässe Verfahren ist bevorzugt anzuwenden auf die Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit
eines aus einer Stranggiesskokille austretenden Gussstranges, der durch Aufbringen
solcher Kühlmittel unmittelbar auf die Strangoberfläche gekühlt wird, welche hierbei
ein Gas freisetzen. Die in der Regel auftretende Reduktion der Kühlmittelleistung
durch das freigesetzte Gas wird bei den Messungen in diesem Verfahren besonders wirklichkeitsnah
erfasst.
[0016] Der Vorteil der räumlichen Trennung der Giesszone und der Messzone im erfindungsgemässen
Verfahren kommen bei seiner Anwendung auf das berührungslose Stranggiessen von Metallen
im elektromagnetischen Wechselfeld besonders zur Geltung. Da der Gussstrang hierbei
praktisch ausschliesslich durch das fluide Kühlmittel zur Erstarrung gebracht wird,
ist eine Regelung der Leistung derselben von höchster Bedeutung.
[0017] Die Besonderheiten der Oberfläche von Gussträngen aus Aluminium und Aluminiumlegierungen
prädestinieren die Anwendung dieses von der Gussstrangoberfläche unabhängigen Regelverfahrens.
[0018] In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemässen Stranggiessanlage ist der
die Messstelle tragende Körper auf der dem Gussstrang abgewandten Seite des Kühlmittelbehälters
angebracht. Der Körper kann jedoch auch so positioniert oder in konventionelle Bestandteile
der Stranggiessanlage eingebaut werden, dass zumindest ein Teil des Kühlmittels
auf seinem Weg vom Kühlmittelbehälter zur Gussstrangoberfläche auf die Messstelle
trifft.
[0019] In bezug auf die Vorrichtung besteht die erfindungsgemässe Lösung der Aufgabe darin,
eine Stranggiessanlage mit auf die Zusammensetzung und/oder die zeitbezogene Menge
des abgegebenen Kühlmittel einwirkenden Stellgliedern mit einer Leiteinrichtung auszustatten,
welche folgende Elemente umfasst: mindestens einen Körper mit guter thermischer Leitfähigkeit;
mindestens eine Kühlmitteldüse, welche mit dem Kühlmittelbehälter in Verbindung steht
und auf eine Messstelle des Körpers gerichtet ist; eine auf diese Stelle des Körpers
einwirkende Heizvorrichtung; mindestens einen, unter der Oberfläche der Messstelle
des Körpers eingebauter Temperaturfühler; und eine mit dem Temperaturfühler, der Heizvorrichtung
und den Stellgliedern in Verbindung stehende Datenverarbeitungsanlage.
[0020] Die Heizvorrichtung kann beispielsweise als elektrische Widerstandsheizung oder als
Induktionsspule ausgebildet sein. Der als Messstelle des Körpers bestimmte Bereich
muss nicht in jeder Ausführung in der Messposition beheizt werden können; im Rahmen
der Erfindung liegen auch Vorrichtungen, in welchen die Messstellen zur Beheizung
in eine von der Messposition abweichende Heizposition gebracht werden können.
[0021] Eine besonders zweckmässige Ausführung der Stranggiessanlage weist im Messstellen-Körper
zwei eingebaute Temperaturfühler auf, welche in einem gegenseitigen Abstand von 20
bis 200 mm derart angeordnet sind, dass eine Kühlmitteldüse direkt auf einen dieser
Temperaturfühler gerichtet ist und der andere in der Richtung des hiervon abströmenden
Kühlmittels liegt. Die Oberfläche des Körpers ist hierbei bevorzugt so gestaltet,
dass die Bahn des auftreffenden und abströmenden Kühlmittels in etwa der entsprechenden
Bahn des Kühlmittels beim Gussstrang gleicht.
[0022] Ist die erfindungsgemässe Stranggiessanlage zum Giessen von Barren mit rechteckigem
Querschnitt -- beispielsweise Bändern -- bestimmt, so ist es vorteilhaft, sowohl
im Bereich der Querschittsecken, als auch im Bereich der Mitte der Querschnittslängsseiten,
Messstellen-tragende Körper anzuordnen. Insbesondere aufgrund örtlich unterschiedlicher
Druckverhältnisse des Kühlmittels auftretende Abweichungen der Kühlmittelleistung
können hiermit erfasst und bei der Optimierung des Kühlmittelzustandes berücksichtigt
werden.
[0023] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt
in den
Figuren 1 und 2 je einen schematisierten Querschnitt durch einen Teil einer erfindungsgemässen
Stranggiessanlage mit einem Gussstrang.
[0024] Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten elektromagnetischen Stranggiessanlagen
weisen einen Induktor 8, ein Kühlmittelbehälter 3 mit Kühlmitteldüsen 2 und einen
Schirm 9 auf. Die in Figur 1 dargestellte Anlage weist einen Körper 1 auf, welcher
am Kühlmittelbehälter 3 auf seiner dem Gussstrang 10 abgewandten Seite befestigt
ist. Das Kühlmittel tritt aus dem Kühlmittelbehälter 3 und strömt durch eine Oeffnung
zwischen dem Induktor 8 und dem Schirm 9 auf die Oberfläche des Gussstranges 10.
[0025] Der Gusstrang 10 besteht aus der Aluminiumlegierung AA 3004 und weist einen rechteckigen
Querschnitt von 500 mm × 1600 mm auf. Auf die Gussstrangoberfläche werden pro Minute
ca. 600 Liter Kühlmittel aufgebracht.
[0026] Der Kühlmittelbehälter 3 enthält in der Angiessphase ein Gemisch aus Wasser und NaHCO₃
in einem Gewichtsanteil von ca. 0.3 %. Nach Abschluss der Angiessphase, bei einer
Gussstranglänge von 100 mm, wird die Zugabe von NaHC03 in den Kühlmittelbehälter
3 abgestellt.
[0027] Ein Teilstrom aus dem Kühlmittelbehälter 3 wird durch eine Kühlmitteldüse 2 auf eine
erste Messstelle des Körpers 1 gelenkt. Unter dem Aufprallbereich ist ein Temperaturfühler
5 eingebaut. Dieser misst unmittelbar die Oberflächentemperatur und ist vom Typus
der in EP-A-0 162 809 beschriebenen Temperatursonde. In einem Abstand von 70 mm hierzu
ist vertikal darunter ein analoger Temperaturfühler 5′ eingebaut. Diese zweite Messstelle
liegt im Abströmbereich des auf die erste Messstelle geprallten Kühlmittels. Der die
beiden Temperaturfühler 5, 5′ umfassende Bereich des Körper 1 wird durch eine eingebaute
Heizvorrichtung 4, die als elektrische Widerstandsheizung gestaltet ist, kontrolliert
beheizt. Die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Mitteltemperatur benötigte Heizleistung
wird gemessen und die entsprechende Information einer Datenverarbeitungsanlage 7 übermittelt.
Die Mitteltemperatur wird aus den mit den Temperaturfühlern 5 und 5′ gemessenen und
der Datenverarbeitungsanlage 7 übermittelten Temperaturwerten errechnet.
[0028] Die mit dem Kühlmittel beaufschlagte Gussstrangoberfläche weist im Auftreffbereich
eine Temperatur von etwa 420 °C auf. Die erste Messstelle des Körpers 1 wird beim
Temperaturfühler 5 auf einer Temperatur von etwa 450 °C gehalten. Sowohl auf der
Gussstrangoberfläche als auch auf der Oberfläche des Körpers 1 wird vom in der Angiessphase
im Kühlmittel enthaltenen NaHCO₃ ein CO₂-Gas abgespalten, welches dort einen Film
bildet, der die Kühlleistung im Vergleich zu reinem Wasser erheblich reduziert. Der
Kühlmittelbehälter 3 ist zufuhrseitig mit Stellgliedern 6 versehen, welche zum einen
auf die NaHCO₃-Dosierung einwirken und zum andern den Wasserdruck beeinflussen. Die
Stellglieder 6 sind mit der Datenverarbeitungsanlage 7 verbunden und werden von dieser
aufgrund eines Vergleichs der von der Heizvorrichtung 4 sowie von den Temperaturfühlern
5,5′ stammenden Informationen mit vorgegebenen Führungsgrössen gesteuert.
[0029] Die in der Figur 2 dargestellte Ausführung benutzt den Schirm 9 als Körper 1. Die
Messstellen sind auf der Innenseite des Schirms 9 so angebracht, dass sie vom Kühlmittel
getroffen werden, welches vom Kühlmittelbehälter 3 zum Gussstrang 10 strömt. Bei der
Messstelle unter der Oberfläche des Schirms 9 sind Temperaturfühler 5 eingebaut.
Der Induktor 8 wirkt als Heizvorrichtung 4, welche den Schirm 9 bei konstanter Stromstärke
und konstanter Kühlleistung des Kühlmittels auf einer Gleichgewichtstemperatur hält.
Auch in dieser Ausführung sind die Temperaturfühler 5 mit einer Datenverarbeitungsanlage
7 verbunden, welche ihrerseits mit den am Kühlmittelbehälter 3 angebrachten Stellgliedern
6 in Verbindung steht und Information über die im Induktor 8 herrschende Stromstärke
empfängt.
1. Verfahren zur Leitung der Abkühlgeschwindigkeit eines aus einer Stranggiesskokille
austretenden Gussstranges, der durch Aufbringen eines fluiden Kühlmittels unmittelbar
auf die Strangoberfläche gekühlt wird, durch Regelung der Kühlleistung des Kühlmittels,
umfassend fortlaufendes Messen der Kühlleistung, Vergleichen dieser Messwerte mit
der Führungsgrösse der geforderten Kühlleistung und Beeinflussung der Zusammensetzung
und/oder der zeitbezogenen Abgabemenge des Kühlmittels im Sinne einer Angleichung
an die Führungsgrösse,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messung der Kühlleistung unter Verwendung von nicht mit dem Gussstrang in
Berührung gekommenem Kühlmittel an mindestens einer Stelle ausserhalb des Gussstranges
durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Kühlmittels
auf mindestens eine ausserhalb des Gussstranges befindliche Messstelle definierter
Temperatur oberhalb der Kühlmitteltemperatur gelenkt wird und dort die Kühlleistung
mittels Temperaturmessungen überwacht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die absolute Temperatur
der Messstelle nicht mehr als 20% von derjenigen der Gussstrangoberfläche an deren
Kühlmittel-Aufprallstelle abweicht.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel
auf einen lokal kontrolliert beheizten Körper gelenkt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Kühlleistung
die zur Konstanthaltung der Messstellentemperatur benötigte Heizleistung gemessen
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Kühlleistung
der sich in einem vorgegebenen Zeitintervall mit reduzierter oder wegfallender Heizleistung
einstellende Abfall der Messstellentemperatur gemessen wird.
7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messstellen sich sowohl im Aufprallbereich das Kühlmittel als auch in einer
flussabwärts liegenden Rieselzone, in welcher der Kühlmittelstrom im wesentlichen
parallel zur Körperoberfläche verläuft, befinden.
8. Anwendung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7 auf die Steuerung
der Abkühlgeschwindigkeit eines aus einer Stranggiesskokille austretenden Gussstranges,
der durch Aufbringen eines Kühlmittels unmittelbar auf die Strangoberfläche gekühlt
wird, wobei aus dem Kühlmittel ein Gas freigesetzt wird.
9. Anwendung nach Anspruch 8 auf das berührungslose Stranggiessen von Metallen im
elektromagnetischen Wechselfeld.
10. Anwendung nach Anspruch 8 oder 9 auf das Stranggiessen von Aluminium oder Aluminiumlegierungen.
11. Stranggiessanlage mit auf die Zusammensetzung und/oder die zeitbezogene Menge
des abgegebenen, fluiden Kühlmittels einwirkenden Stellgliedern (6), ausgestattet
mit einer Leiteinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der
Ansprüche 1 bis 7, umfassend:
mindestens einen Körper (1) mit guter thermischer Leitfähigkeit; mindestens eine
Kühlmitteldüse (2), welche mit dem Kühlmittelbehälter (3) in Verbindung steht und
auf eine Messstelle des Körpers (1) gerichtet ist; eine auf diese Stelle des Körpers
(1) einwirkende Heizvorrichtung (4); mindestens einen, unter der Oberfläche der Messstelle
des Körpers (1) eingebauten Temperaturfühler (5, 5′); und eine mit dem Temperaturfühler
(5, 5′), der Heizvorrichtung (4) und den Stellgliedern (6) in Verbindung stehende
Datenverarbeitungsanlage (7).
12. Stranggiessanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1)
auf der dem Gussstrang abgewandten Seite des Kühlmittelbehälters (3) angebracht ist.
13. Stranggiessanlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der
Körper (1) in einem gegenseiti gen Abstand von 20 bis 200 mm 2 Temperaturfühler (5,
5′) aufweist, wobei die Kühlmitteldüse (2) auf den Bereich des einen Temperaturfühlers
(5) gerichtet ist und der andere Temperaturfühler (5′) in Abströmrichtung hiervon
angeordnet ist.
14. Stranggiessanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 13 zum Giessen von
Barren mit rechteckigem Querschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl im Bereich
der Querschnittsecken, als auch im Bereich der Mitte der Querschnittslängsseiten Messstellen-tragende
Körper (1) angeordnet sind.