[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stranggießen von Brammen,
insbesondere aus Stahl, wobei schmelzflüssiges Material über ein Gießrohr in eine
Kokille als Primärkühlzone gegossen wird und anschließend ein Strang aus der Kokille
abgezogen und über einen Rollenstrang als Sekundärkühlzone geführt wird, der Mittel
zum Aufbringen eines Kühlmittels auf die Strangoberfläche aufweist.
[0002] Grundsätzlich wird beim Gießen von Brammen zwischen Standardbrammen und Dünnbrammen
unterschieden. Die Brammenformate betragen für Standardbrammen ca. 3.500 - 600 x 150
- 400 mm und und für Dünnbrammen ca. 3.500 - 600 x 30 - 150 mm. Die Gießgeschwindigkeiten
bewegen sich bei Standardbrammen zwischen 0,3 - 2,5 m/min und für Dünnbrammen bis
max. 10 m/min. Bedeutend für ein oberflächenfehlerfreies Gießen ist eine gleichmäßige
Wärmeabfuhr, insbesondere in der Kokille. Folge einer ungleichmäßigen Wärmeabfuhr
sind beispielsweise Längsrisse auf den beiden Breitseiten einer Bramme in der Kokille
unmittelbar unter dem Gießspiegel.
[0003] Eine herkömmliche Stranggießmaschine (Figur 2) setzt sich im wesentlichen zusammen
aus der Kokille 1 mit der Kokillenlänge 4.1, die für die Primärkühlung 1.1 des Stranges
erforderlich ist, und aus der Rollenstrangführung 4.2, die nach dem Stand der Technik
mit einer symmetrischen Spritzkühlung 5.1 ausgestattet ist, die für die Sekundärkühlung
des Stranges notwendig ist. Symmetrische Spritzkühlung bedeutet, daß die Spritzdüsen
zum Aufbringen des Kühlwassers symmetrisch zur Mittenachse über die Strangbreite mit
gleichem Druck und gleicher Kühlwassermenge arbeiten. Es ist festzuhalten, daß in
der Kokille ca. 20 ― 30 % der Energie frei wird, die bis zur Durcherstarrung der Bramme
am Maschinenende abgeführt werden muß. Diese 20 ― 30 % der Energie werden über die
Kupferplatten an das Kokillenkühlwasser abgegeben. Die restliche Energie wird frei
im Sekundärkühlbereich, der aus einem Rollenkäfig, der Rollenstrangführung auf der
Los- und Festseite und der Spritzkühlung besteht, die die Strangoberfläche und die
Strangschale mit Spritzwasser symmetrisch zur Mittenachse über die Breite in der Regel
bis zum Maschinenende kühlt.
[0004] Die Erstarrungszeit einer Standardbramme mit einer Dicke von beispielsweise 200 mm
beträgt ca. 16 min, eine Dünnbramme mit einer Erstarrungsdicke von beispielsweise
50 mm benötigt ca. 1 min für ihre Erstarrung. Somit sind die Anlagenlängen zum Gießen
der Standardbramme im Vergleich zu denen der Dünnbramme bei gleicher Gießleistung
und einer Gießgeschwindigkeit von 1 m/min im Falle der 200 mm dicken Standardbramme
16 m bzw. im Falle der 50 mm dicken Dünnbramme 4 m. Dieses Beispiel zeigt, daß die
spezifische Energiedichte im Falle der Dünnbramme pro m
2 Strangführung in erster Näherung 4 mal größer ist als bei der Standardbramme. Diese
Beispiele machen deutlich, daß die Energiedichten und die Gleichmäßigkeit der Energieverteilung
eine bedeutende Rolle für die Strangoberflächenqualität, Stranginnenqualität, koaxiale
Führung des Stranges in der Rollenstrangführung, Stranggeometrie und Gießsicherheit
spielen.
[0005] Zudem ist bekannt, daß die Wärmeströme in der Kokille mit steigender Gießgeschwindigkeit
und sinkender Strangdicke ansteigen und auch die Kokillenplatten auf der Heißseite
belasten.
[0006] Beim Gießen von Brammen sowohl im Falle der Standardbramme als auch im Falle der
Dünnbramme sind Fehler wie Längsrisse oder Schräglauf der Bramme innerhalb der Strangführung
möglich. Ein Schräglauf führt zu Störungen in der Brammengeometrie - ausgedrückt als
Abweichung von einer mittensymmetrischen (Keiligkeit) und konvexen (max. 2 % seiner
Banddicke 40 mm neben der Schmalseite) Brammenform, die die Ursache für die Minderung
sowohl der Gießsicherheit als auch der Walzsicherheit und Warmbandqualität darstellen.
[0007] Weiterhin ist am Innenleben einer Bramme mit Hilfe von Untersuchungen im Bereich
der Enderstarrungsstruktur anhand von Kernlockerungen bzw. der Seigerungen häufig
festzustellen, daß die Bramme nicht gleichförmig über die Brammenbreite zur Enderstarrung
kommt. Begleitet wird diese zur Mittenachse in Gießrichtung (Z) (vgl. Figur 2) unsymmetrische
Sumpfspitzenlage 6.1 von einer Auslenkung 7 des Brammenverlaufs aus der Maschinenmittenachse
in Breitenrichtung (X) am Ende der Strangführung.
[0008] Es ist bekannt, die Wärmestromverteilung in der Kokille zu messen. Eine dieser Methoden
der Wärmestrommessung ist die integrale Messung jeder einzelnen Kokillenplatte (DE
4117073). Allerdings geben diese Messungen keine über die Breite einer Breitseitenplatte
1.2 differenzierte und über die Kokillenlänge 4.1 integralen Meßwerte wieder.
[0009] Es ist auch bekannt, mit Hilfe von Thermoelementen, die in die Kokillenplatte gleichförmig
verteilt eingelassen sind, diskrete Temperaturen und Wärmeströme zu messen. Allerdings
handelt es sich um diskrete Messungen, die nur mit hohem Aufwand integrale und über
die Kokillenbreite differenzierte Meßwerte zulassen.
[0010] Ein anderes, relativ einfaches Meßsystem stellt die Messung der Wärmeströme bzw.
der Temperaturanstiege an den Auslauföffnungen zwischen der Kokillenplatte und dem
Wasserkasten (DE 197 22 877) dar, in Figur 2 schematisch dargestellt. Hier werden
mit Wassertemperatur-Meßfühlern 9.1 die Temperaturanstiege über die Breitseiten 1.2
der Kokille 1 einzeln gemessen und mit Hilfe der jeweiligen partiellen Wassermenge
10.1 die partiellen Wärmeströme 11.1 ermittelt. Die Summe dieser Meßwerte 10.1 und
11.1 ist gleich den Gesamtwerten, die am Kokilleneingang und -ausgang gemessen werden.
[0011] Ausgehend von einem derartigen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stranggießen von Brammen vorzuschlagen,
mit denen es möglich wird, eine symmetrische Enderstarrung bzw. symmetrische Brammengeometrie
und eine über die Breite mittensymmetrische Energie- und Temperaturverteilung sicherzustellen.
[0012] Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen der Anspruchs 1 sowie
einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den Unteransprüchen offenbart.
[0013] Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß die Ursachen der Fehler, wie der unsymmetrische
Enderstarrungsverlauf, d.h. eine unsymmetrische Sumpfspitzenlage, und die Auslenkung
der Bramme aus der Mittenachse (Z), die auch eine unsymmetrische Geometrie der Bramme
in Form einer Keilbildung nach sich zieht, bereits in einer unsymmetrischen Wärmeabfuhr
über die Breite der Kokille zu suchen sind. Diese Störungen beim Gießen von Brammen
sind auf die ungleichförmige Wärmeabfuhr über die Kokillenbreite, ausgedrückt als
'hot spots' oder 'cold spots' zurückzuführen, die beispielsweise durch ungleichförmige
Schlackenbildung und/oder Schmelzeturbulenzen in der Kokille und im Gießspiegel speziell
im Bereich des Tauchausgusses verursacht werden.
[0014] Es ist nun die unerwartete erfinderische Lösung der oben gestellten Aufgabe, Abweichungen
dieser ungleichmäßigen Energieverteilungen, insbesondere Wärmestromverteilungen, von
einer symmetrischen Wärmestromverteilung vorzugsweise am Kokillenaustritt zur Regelung
eines dynamischen Spritzsystems, das über die Strangbreite der Rollenstrangführung
frei wählbare Wasserverteilungen realisieren kann, zu nutzen.
[0015] Durch Regelung der Kühleinrichtung der Sekundärkühlzone in Abhängigkeit der Wärmestromverteilung
in der Primärkühlzone ist eine symmetrische Energie- und Temperaturverteilung über
die Brammenbreite einstellbar. Hieraus ergibt sich eine symmetrische Brammenform.
Die unerwünschte Keiligkeit der Bramme wird unterdrückt, ebenso wie der Schräglauf
(Säbeligkeit). Es ist ein koaxialer Lauf der Bramme mit der Strangführung in Z-Richtung
erreichbar. Zudem ist eine hohe Gießsicherheit und eine verbesserte Strangoberflächen-
und Stranginnenqualität möglich.
[0016] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung: Hierbei zeigen:
- Figur 1
- eine schematische Schnittansicht einer Stranggießvorrichtung bestehend aus Kokille
und Rollenstrangführung mit der erfindungsgemäß geregelten Kühlung der Sekundärkühlzone;
- Figur 2
- eine schematische Schnittansicht einer Stranggießvorrichtung nach dem Stand der Technik;
- Figuren 3a,b
- Darstellungen von Wärmestromverteilungen über die Kokillenbreite über die Zeit der
Fest- und Losseite der Kokille.
[0017] Figur 1 zeigt schematisch eine Stranggießkokille 1 mit der Kokillenlänge 4.1, die
der Primärkühlzone 4.1 entspricht, sowie eine Rollenstrangführung 4.2 als Sekundärkühlzone.
[0018] Die Stranggießkokille 1 besteht aus zwei Breitseiten 1.2 und zwei Schmalseiten 1.3,
in die flüssiger Stahl mit Hilfe eines Tauchausgusses 2 unter Einsatz von Gießpulver
3 eingeleitet wird. Mit 1.1. sind eine Wasserzu- und ableitung für die Primärkühlung
bezeichnet, mit 1.4 der Gießspiegel. Der Kokillenaustritt ist mit 1.5 gekennzeichnet.
[0019] Beim Gießprozeß und den Erstarrungsvorgängen in der Strangkokille kommt es zu einer
ungleichmäßigen Wärmestromverteilung. Wärmestromspitzen in der Kokillenplatte oder
,hot spots' 12, (hier beispielhaft gezeigt) bzw. Wärmestromsenken (,cold spots'),
führen zu einer Unterkühlung bzw. zu einer Überhitzung sowohl in der Strangschale
als auch im Stranginneren, das aus flüssigem Stahl besteht. Diese lokalen Temperaturunterschiede
werden mittels WassertemperaturMeßfühlern 9.1 gemessen und mit Hilfe der jeweiligen
partiellen Wassermenge 10.1 die partiellen Wärmeströme 11.1 ermittelt. Es wird die
Abweichung der ermittelten Temperatur- bzw. Wärmestromverteilung von einer zur Strangmittenachse
symmetrischen Temperatur-bzw. Wärmestromverteilung am Kokillenaustritt 1.5 ermittelt.
In Abhängigkeit von diesem Wert kommt es zu einer Regelung der Sekundärkühlung über
die Breite und Länge der Rollenstrangführung durch individuelle Ansteuerung der Spritzdüsen
hinsichtlich Menge und Verteilung. Somit kann die ungleichmäßige Wärmestromverteilung
durch eine dynamische Spritzkühlung 5.2, die über die Breite variabel arbeiten kann,
im Bereich der Rollenstrangführung 4.2 wieder abgebaut werden. Hierdurch wird sowohl
die Brammenenergie als auch die Brammenoberflächentemperatur über die Brammenbreite
symmetrisch zur Brammenmittenachse (Z), womit eine Auslenkung der Bramme 7.1 geringer
bzw. unterdrückt wird und der Strang koaxial zur Mittenachse der Strangführung verläuft.
Gleichzeitig weist die Bramme eine symmetrische Geometrie 8.1 ohne eine störende Keiligkeit
bei symmetrischer Strangführung auf.
[0020] Die Sekundärkühlzone der Rollenstrangführung 4.2 ist in unabhängig arbeitende Spritzzonen
5.2.1 eingeteilt, die sich entlang der Längsachse der Rollenstrangführung erstrecken.
In Bereichen von hot spots in der Kokillenplatte der Primärkühlzone kommt es zu Unterkühlungen
im Strang, diese Bereiche werden in der Sekundärkühlzone weniger gekühlt. Aufgrund
der geregelten Kühlung in der Sekundärkühlzone ergibt sich eine Bramme mit einem symmetrischen
Erstarrungsverlauf 6.2.
[0021] Folgende Einrichtungen sind zur Durchführung des Verfahrens notwendig: Wärmestrommessung
oder Temperaturmessung über die Kokillenbreite über die Zeit am Kokillenausgang, unabhängige
Spritzzonen über die Kokillenbreite 5.2.1 in der Rollenstrangführung 4.2 bzw. Sekundärkühlzone,
eine Meßeinrichtung 14, vorzugsweise am Ende der Sekundärkühlzone, zur Bestimmung
der Strangauslenkung 7.1 von der Strangführungsmittenachse in X-Richtung und/oder
zur Bestimmung der Stranggeometrie 8.1 (Keiligkeit/Balligkeit) und/oder eine Meßeinrichtung
14 zur Bestimmung der Brammentemperatur 14.1 über die Brammenbreite. Eine Auslenkung
des Brammenverlaufs (7.1) wird vorzugsweise mittels eines optischen Systems oder mittels
einer Zeilenkamera ermittelt. Die Brammengeometrie 8.1, wie Keiligkeit und Balligkeit,
wird vorzugsweise mittels eines Systems bestimmt, das auf dem Prinzip elektromagnetischer
Wellen arbeitet. Zur Aufnahme der Brammengeometrie sind auch mechanische Systeme denkbar.
Die Temperaturverteilung 14.1 wird ebenfalls mittels optischer Systeme bzw. einer
Zeilenkamera ermittelt.
[0022] Die Energie- bzw. Temperaturverteilung in Breitenrichtung (X) am Kokillenausgang
1.5 über die Zeit wird vorzugsweise mittels Thermoelementen, die gleichförmig verteilt
in den Kupferplatten der Schmal- und Breitseiten 1.2 und 1.3 der Kokille 1 eingebracht
sind, diskret gemessen und über eine
online"-Datenverarbeitung bestimmt.
[0023] Des weiteren sind zwischen den Strangführungsrollen 4.3 der Rollenführung 4.2 Meßeinrichtungen
zur Bestimmung der Strangoberflächentemperatur über der Strangbreite angeordnet.
[0024] Figur 2 zeigt im Vergleich hierzu eine Kokille 1 mit einer Rollenstrangführung 4.2
und einer symmetrisch über die Brammenbreite (X) spritzenden Spritzkühlung 5.1 nach
dem Stand der Technik. Entsprechende Bauteile der Figur 2 sind mit den gleichen Bezugszeichen
der Figur 1 bezeichnet. Aufgrund der symmetrischen Spritzkühlung kommt es zu einem
unsymmetrischen Enderstarrungsverlauf 6.1. Die Brammengeometrie ist unsymmetrisch.
[0025] Figur 3 stellt die im Produktionsbetrieb gemessene, über die Kokillenlänge 4.1 integrale
und über die Kokillenbreite (Y) partielle Wärmestromverteilung in Abhängigkeit von
der Gießzeit sowohl für die Festseite (Figur 3 a) als auch für die Losseite (Figur
3 b) dar. Diese dreidimensionalen Wärmestrombilder der Los- und Festseite, die die
partiellen Wärmeströme 11.1 als 'online'-Bilder über die Gießzeit (t) darstellen,
lassen erkennen, daß die Wärmestromdichte einer Kokillenplatte nicht gleichförmig
über die Kokillenbreite (Y) und gleichzeitig sich nicht stetig über die Gießzeit (t)
verhält, sondern ständig über Ort und Zeit wechselt. So entstehen sowohl über die
Breite (Y) als auch über die Zeit (t) 'hot spots' oder Wärmestromspitzen 12 in der
Kokillenplatte bzw. 'cold spots' oder Wärmestromsenken 13, die beim Stand der Technik
durch die symmetrische Spritzkühlung 5.1 in der Rollenstrangführung 4.2 eingefroren
werden und in der Konsequenz zu einer unsymmetrischen Enderstarrung 6.1 und einer
unsymmetrischen Sumpfspitze und Temperaturverteilung, in Breitenrichtung (X) gesehen,
führen.
Bezugszeichenliste
[0026]
- (1)
- Kokille
- (1.1)
- Primärkühlung
- (1.2)
- Breitseiten
- (1.3)
- Schmalseiten
- (1.4)
- Gießspiegel
- (1.5)
- Kokillenaustritt
- (2)
- Tauchausguß
- (3)
- Gießpulver
- (4.1)
- Kokillenlänge
- (4.2)
- Rollenstrangführung
- (4.3)
- Strangführungsrollen
- (5.1)
- symmetrische Spritzkühlung über die Brammenbreite
- (5.2)
- dynamische Spritzkühlung über die Brammenbreite
- (5.2.1)
- unabhängig arbeitende Spritzzonen über die Brammenbreite
- (X)
- Breitenrichtung
- (Z)
- Gießrichtung, Mittenachse der Strangführung
- (6.1)
- unsymmetrischer Enderstarrungsverlauf
- (6.2)
- symmetrischer Enderstarrungsverlauf
- (7)
- Auslenkung des Brammenverlaufs in Breitenrichtung (X)
- (7.1)
- minimierte Auslenkung des Brammenverlaufs in Breitenrichtung (X)
- (8)
- unsymmetrische Brammengeometrie aufgrund von Keilbildung der Brammenquerschnittsform
- (8.1)
- symmetrische Brammengeometrie aufgrund minimierter Keilbildung der Brammenquerschnittsform
- (9.1)
- Wassertemperatur-Meßfühler an den Übergängen Kokillenplatte/Wasserkasten
- (10.1)
- partielle Wassermenge pro Übergang Kokillenplatte/Wasserkasten
- (11.1)
- partielle Wärmeströme an den Übergängen Kokillenplatte/Wasserkasten
- (t)
- Gießzeit
- (12,13)
hot spots" oder Wärmestromspitzen in der Kokillenplatte bzw.
cold spots"
- (14)
- Meßeinrichtung
- (14.1)
- Brammentemperatur
1. Verfahren zum Stranggießen von Brammen, insbesondere aus Stahl, wobei schmelzflüssiges
Material über ein Gießrohr in eine Kokille als Primärkühlzone gegossen wird und anschließend
ein Strang aus der Kokille abgezogen und über einen Rollenstrang als Sekundärkühlzone
geführt wird, der Mittel zum Aufbringen eines Kühlmittels auf die Strangoberfläche
aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß folgende Schritte ablaufen:
Ermittlung einer über die Kokillenbreite differenzierten Energie-bzw. Temperaturverteilung
der Primärkühlungszone an einer definierten Stelle der Kokille als ein erster Istwert
eines Regelkreises,
Bestimmung der Abweichung des Istwertes von einer zur Strangmittenachse symmetrischen
Energie- bzw. Temperaturverteilung als Sollwert,
Regelung der Sekundärkühlung über die Breite und Länge der Rollenstrangführung (4.2)
in Abhängigkeit der Abweichung von Ist- zu Sollwert durch individuelle Ansteuerung
der Mittel zum Aufbringen des Kühlmittels hinsichtlich der Menge des Kühlmittels
sowie Ermittlung von physikalischen Eigenschaften der Bramme (14.1) und/oder der Auslenkung
des Brammenverlaufs (7.1) und/oder der Brammengeometrie (8.1) in der Sekundärkühlzone
als ein zweiter Istwert, der in den Regelkreis eingeht.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Energie-bzw. Temperaturverteilung der Primärkühlungszone am Kokillenaustritt
(1.5) ermittelt wird.
3. Vorrichtung zum Stranggießen von Brammen, insbesondere aus Stahl, umfassend eine Stranggießkokille
als Primärkühlzone, in die schmelzflüssiges Material mittels eines Gießrohrs gießbar
ist, sowie einen Strangabzugrollenstrang als Sekundärkühlzone mit Mittel zum Aufbringen
eines Kühlmittels auf die Strangoberfläche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kokille (1) Mittel aufweist zur Ermittlung der Energie- bzw. Temperaturverteilung
über die Kokillenbreite über die Zeit,
daß die Mittel zum Aufbringen eines Kühlmittels in der Sekundärkühlzone individuell
regelbar sind,
daß zur Ermittlung der physikalischen Eigenschaften der Bramme (14.1) und/oder der
Auslenkung des Brammenverlaufs (7.1) und/oder der Brammengeometrie (8.1) in der Sekundärkühlzone
Meßsysteme (14) vorgesehen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei den Meßsystemen (14) um optische oder elektromagnetische Systeme handelt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zum Aufbringen eines Kühlmittels in der Sekundärkühlzone zu sich längs
der Kokillenachse erstreckenden Kühlmittelzonen (5.2.1) zusammengefaßt sind, wobei
jede Zone individuell regelbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zur Ermittlung der Temperatur- bzw. Energieverteilung Thermoelemente
sind, die gleichförmig verteilt in den Kupferplatten der Schmal- und Breitseiten (1.2,
1.3) der Kokille eingebracht sind.