[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen oder semi-kontinuierlichen
Stranggiessen insbesondere bei einer Vertikalgiessanlage zum Abgiessen von Stahl,
bei dem bei Giessende nach dem Anhalten der Schmelzenzufuhr in einer gekühlten Kokille
der Strang abgesenkt wird.
[0002] Derartige Vertikalgiessanlagen werden bekanntlich zur Herstellung von verhältnismässig
kurzen Strängen mit grösseren Querschnittsformaten eingesetzt. Es wird dabei Metallschmelze
aus einem metallurgischen Gefäss, wie aus einer Pfanne oder einem Zwischenbehälter,
durch ein Giessrohr in eine wassergekühlte Kokille zum Beispiel aus Kupfermaterial
zugeführt. Der sich darin bildende Strang wird vertikal nach unten bis zum Erreichen
einer definierten Länge gegossen. Das Ausbringen dieser relativ kurzen Stränge wird
jeweils durch die Volumenreduktion des vergossenen Materials, insbesondere von Stahl,
bei der Erstarrung bestimmt. Diese Volumenreduktion führt dazu, dass sich ohne geeignete
Gegenmassnahmen ein Trichter am oberen Ende des erstarrten Stranges bildet. Um diesen
Trichter zu verringern oder gar zu verhindern und dadurch das Ausbringen der kontinuierlich
oder semi-kontinuierlich vergossenen Stränge zu erhöhen, werden verschiedenen Verfahren
vorgeschlagen.
[0003] Zum Beispiel ist ein Verfahren bei einer solchen Vertikalgiessanlage gemäss der Druckschrift
WO-A-2015/101 553 bekannt, bei dem nach dem Beenden des regulären Giessvorgangs weiter flüssiges Metall
in einem bestimmten Ausmass zugeführt wird. Es kann zudem eine um den oberen Endbereich
des Strangs positionierte Heizeinrichtung vorgesehen sein, die das flüssige Metallreservoir
oben im Innern des Strangs steuert. Mindestens die bei der Erstarrung auftretende
Schrumpfung der Metallschmelze kann damit ausgeglichen und der entstehende Schwindungshohlraum
im oberen Strangbereich verkürzt werden.
[0004] Es ist auch bekannt, auf die Kokille einen Hülsenkörper aus feuerfestem Material
aufzusetzen und damit Raum für ein thermisch isoliertes Schmelzreservoir zu bilden,
aus dem die Schmelze dann in den darunter befindlichen Kokillenbereich absinkt, in
dem die Erstarrung des Strangs beginnt. Nach Beendigung der Schmelzenzufuhr kann aus
diesem Reservoir die Volumenschrumpfung infolge der Erstarrung des Giessstranges ausgeglichen
werden.
[0005] Diese bekannten Verfahren zum Verringern des Schwindungshohlraums bei Strängen oder
Giessblöcken haben jedoch den Nachteil eines verhältnismässig sehr aufwendigen Aufbaus.
Experimentelle Untersuchungen zum zweiten Verfahren haben gezeigt, dass der Übergang
von der thermisch isolierten "Reservoirzone" zu der gekühlten Kokille kaum betriebssicher
gestaltet werden kann.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile weitgehend zu beheben und
ein Verfahren nach der eingangs genannten Art zu schaffen, welches sich beim kontinuierlichen
oder halbkontinuierlichen Giessen von relativ kurzen grossformatigen Strängen durch
eine einfache Handhabung auszeichnet und eine höhere Ausbringungsrate des verwendbaren
Strangs durch geringere Schwindungshohlräume und demzufolge auch Kostenersparnisse
ermöglicht.
[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
[0008] Die erfindungsgemässe Anlage hat den Vorteil, dass nur ein Eintauchen des Rohrelementes
in die Kokille und allenfalls eine Zugabe von isolierendem Giess- oder Abdeckpulver
über die Metallschmelze nach Ende des Giessprozesses erforderlich ist. Durch diese
einfache Verfahrensweise werden bessere Ausbringungsraten aufgrund des kürzeren wegzuschneidenden
oberen Strangendes ermöglicht.
[0009] Damit das vorteilhaft aus feuerfestem Material bestehende Rohrelement nach dem Ende
der Schmelzzufuhr in die Kokille einfach in dieselbe eingebracht werden kann, ist
gemäss der Erfindung vorgesehen, dass die Aussenabmessungen des Rohrelementes geringfügig
kleiner als die Innenabmessungen der Kokille sind, wobei der dazwischen gebildete
Spalt so bemessen ist, dass das Spaltmass zum Beispiel ungefähr der Dicke der im normalen
Giessprozess in der Kokille gebildeten Strangschale entspricht oder aber kleiner gewählt
wird. Die in diesem Spalt befindliche Schmelze erstarrt mit einer durch die Kokillenkühlung
vorgegebenen Erstarrungsgeschwindigkeit. Eine Verbindung zwischen der äusseren Strangschale
und dem Rohrmaterial kann gleichzeitig als Halteelement für das Rohrelement dienen,
während im Inneren des Rohrelementes der Erstarrungsprozess der Metallschmelze aufgrund
der isolierenden Wirkung des Rohrelementes mit stark reduzierter Erstarrungsgeschwindigkeit
fortgesetzt wird.
[0010] Vorteilhaft wird nach Giessende der oben noch flüssige Strang in der Kokille soweit
abgesenkt, dass sich die nach dem Einsetzen des Rohrelementes zur Aussenseite desselben
verdrängte Schmelze nicht über die Kokille hinausfliesst, sondern sich annähernd bis
zum gleichen Füllstand wie beim Abgiessen anhebt.
[0011] Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Aussenkontur des Rohrelementes der innenkontur
der Kokille so angepasst ist, dass der dazwischen gebildete Spalt im gesamten Umfang
gleichmässig dimensioniert ist.
[0012] Es ist fertigungstechnisch zweckmässig, wenn das Rohrelement eine über die gesamte
Länge gleichmässige Wandstärke aufweist. Zur Steigerung seiner Stabilität in der Kokille
und zur weiteren Erhöhung des Ausbringens kann seinem unteren Ende ein nach innen
vorstehender Ringansatz zugeordnet sein.
[0013] Es kann auch vorteilhaft sein, dass das Rohrelement aus verschiedenen Rohrsegmenten
zusammengesetzt wird, um zum Beispiel Rohrelemente für unterschiedliche Giessformate
aus Segmentteilen modular aufzubauen.
[0014] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Längsschnitt vereinfacht und schematisch des Kokillenbereichs einer Vertikalgiessanlage
mit einem Rohrelement vor dem Eintauchen in die Metallschmelze;
- Fig. 2
- einen schematischen Querschnitt einer rechteckigen Kokille und dem darin befindlichen
Rohrelement;
- Fig. 3a
- bis Fig. 3d Längsschnitte des Kokillenbereichs nach dem erfindungsgemässen Verfahren,
ebenfalls vereinfacht und schematisch dargestellt;
- Fig. 4
- einen Längsschnitt des Kokillenbereichs nach Fig. 1 mit einer Variante eines Rohrelementes
im eingetauchten Zustand; und
- Fig. 5
- einen schematischen Querschnitt einer rechteckigen Kokille und einem darin befindlichen
mehrteiligen Rohrelement.
[0015] Fig. 1 zeigt schematisch den Kokillenbereich mit einer Kokille 1 einer Vertikalgiessanlage
10, weiche durch kontinuierliches oder semi-kontinuierliches Stranggiessen zum Herstellen
insbesondere von kurzen grossformatigen Strängen dient. Bei semi-kontinuierliches
Stranggiessen wird dabei ein vertikal nach unten aus der Kokille 1 auslaufender Strang
5 erzeugt, welcher von unten gestützt ist und eine Länge von beispielsweise einigen
Metern bis 20 Metern aufweisen kann. Unterhalb der Kokille sind übliche Kühlzonen
für das Erstarren des Strangs angeordnet, die jedoch nicht näher veranschaulicht sind.
[0016] Die erfindungsgemässe Verfahrensweise nach dem Ende der Schmelzenzufuhr in die Kokille,
dem Giessende der Vertikalgiessanlage 10, ist in Fig. 3a bis Fig. 3d schematisch veranschaulicht,
wie nachfolgend erläutert ist:
Fig. 3a zeigt die Kokille 1 während dem Giessen von Stahlschmelze durch ein Giessrohr
13 aus einem nicht näher gezeigten metallurgischen Gefäss, wie beispielsweise aus
einer Pfanne oder aus einem als Zwischenbehälter dienenden Verteiler. Die Stahlschmelze
wird dabei auf herkömmliche Weise bei einem gegebenen Füllstand 15 beim oberen Kokillenende
fortwährend durch ein verstellbares Verschlussorgan, wie ein Stopfen oder ein Schiebeverschluss,
geregelt eingegossen und entsprechend wird der Strang 5 mit einer Abzugsgeschwindigkeit
aus der Kokille abgesenkt.
[0017] Nach dem Giessende, bei dem der Strang 5 mit der vorgegebenen Länge gegossen ist,
wird das Gefäss mit dem Giessrohr 13 entfernt und wie in Fig. 3b veranschaulicht ist,
wird der Strang 5 und damit der Füllstand 15' in der Kokille abgesenkt. Bevor jedoch
der Füllstand 15' am unteren Ende der Kokille 1 angelangt ist, wird der Strang angehalten.
[0018] Im nächsten Verfahrensschritt, wie dies aus Fig. 1 hervorgeht, wird ein Rohrelement
2 zum Beispiel mit einem Gewicht 19 mittels eines nicht näher gezeigten Manipulators
in die Kokille 1 eingesetzt. Zum Verbinden des Rohrelementes mit dem darauf liegenden
Gewicht sind Befestigungs- bzw. Kupplungsmittel in der Gestalt von beispielsweise
ein- und ausziehbaren Bolzen 9 oder dergleichen vorgesehen, die in entsprechende Bohrungen
des Rohrelementes lösbar hineingreifen.
[0019] Wie aus Fig. 3c ersichtlich ist, wird dieses Rohrelement 2 erfindungsgemäss mit seinem
unteren Ende 2' derart in die Metallschmelze in der Kokille 1 eingetaucht, dass der
Füllstand der Metallschmelze wie beim Giessen annähernd bis zum oberen Ende der Kokille
1 ansteigt. Das Rohrelement 2 wird gegebenenfalls mittels des Gewichts 19 beschwert,
und es bildet sich in diesem Rohrelement ein flüssiges Metallreservoir 12, welches
oben mit einem wärmeisolierenden Material, vorzugsweise Abdeckpulver 11, abgedeckt
werden kann.
[0020] Gemäss Fig. 2 ist das Rohrelement 2 als hülsenförmiger Körper aus feuerfestem Material
hergestellt, dessen Abmessungen geringfügig schmäler als die Innenabmessungen der
Kokille 1 sind. Es ist dabei über den gesamten Umfang der Kokille 1 ein Spalt 7 gebildet,
der so bemessen ist, dass sich das Rohrelement 2 innerhalb einer beim Giessen in der
Kokille bildenden Strangschale 5' befindet, während im Inneren des Rohrelementes der
Erstarrungsprozess der Stahlschmelze aufgrund der isolierenden Wirkung des Rohrelementes
mit gegenüber den Gegebenheiten ausserhalb des Rohrelementes stark reduzierter Erstarrungsgeschwindigkeit
fortgesetzt wird.
[0021] Dabei ist die Aussenkontur des Rohrelementes 2 der Innenkontur der Kokille 1 so angepasst,
dass der Spalt 7 zwischen ihnen im gesamten Umfang mit einer annähernd gleichmässigen
Dicke d dimensioniert ist. Dadurch bildet die beim Eintauchen des Rohrelementes in
den Spalt verdrängte Schmelze nach deren Erstarrung einen optimalen Haltering für
das Rohrelement, welcher eine ebenfalls gleichmässige Wandstärke aufweist. Vorteilhaft
ist dieser gebildete Spalt 7 etwa zwischen 1 und 10% der Innenabmessungen der Kokille
1 dimensioniert, damit ein optimaler Zustand durch diesen das Rohrelement umfassenden
Haltering erzielt werden kann.
[0022] Die Kokille und das Rohrelement sind im Querschnitt rechteckig ausgebildet. Sie könnten
aber selbstverständlich auch andersförmig ausgestaltet sein, wie zum Beispiel rund,
quadratisch, polygonal oder andersformatig.
[0023] Das Rohrelement 2 wird nach Beendigung der Schmelzenzufuhr um eine solche Länge in
die Kokille 1 eingetaucht, wie aus Fig. 3c entnommen werden kann, dass sein unteres
Ende 2' annähernd der sich bildenden Tiefe 14 des Schrumpfungstrichters 12 beim oberen
Strangende nach dem Erstarren des Strangs 5 und der Schmelze innerhalb des Rohrelementes
entspricht. Unter Berücksichtigung der Erstarrung des Stranges als auch derjenigen
innerhalb des Rohrelementes gleicht das im Innern des Rohrelementes befindliche Schmelzvolumen
den Volumenschrumpf infolge Erstarrung des sich unterhalb des Rohrelementes befindlichen
Stranges aus, wobei gewährleistet sein muss, dass die noch nicht erstarrte Schmelze
aus dem inneren Rohrvolumen in den unteren Strang nachfliessen kann.
[0024] Das Rohrelement 2 ist vorzugsweise mit seiner Wandstärke derart bemessen, dass es
im eingetauchten Zustand in der definierten Tiefe ein solches eingetauchtes Volumen
aufweist, dass sich der Füllstand 15 der Metallschmelze wie beim Giessen annähernd
bis zum oberen Ende der Kokille ergibt.
[0025] Darüberhinaus weist dieses Rohrelement 2 eine solche Länge auf, dass es im Zustand
in der definierten eingetauchten Tiefe am gegenüberliegenden oberen Ende über die
Kokille 1 hinaus vorstehen kann. An seinem oberen Ende ist es vorteilhaft mit einem
Gewicht 19 beaufschlagt, welches ein Aufschwimmen des leichteren Feuerfestmaterials
des Rohrelementes in der Schmelze verhindert und zudem als Verbindungsmittel mit dem
Rohrelement zum Kuppeln mit dem Manipulator oder einem Kran dienen kann. Damit kann
es von diesem über die Kokille herangeführt und anschliessend in diese hineingetaucht
werden kann. Zudem kann in diesem vorstehenden Bereich des Rohrelementes dieses wärmeisolierende
Material, vorzugsweise Abdeckpulver 11, auf die Metallschmelze 12 gefüllt werden.
[0026] Abschliessend wird gemäss Fig. 3d der Strang 5 zusammen mit dem Rohrelement 2 aus
der Kokille herausgeführt und, nach Erstarren der Schmelze innerhalb des Rohrelementes
2, der Oberteil 12 des Strangs 5 mit dem darin eingetauchten Rohrelement 2 getrennt.
Damit kann der mit dem Erstarren des gegossenen Metalls entstehende Schwindungshohlraum
14 kurz gehalten werden.
[0027] Fig. 4 zeigt eine Variante eines Rohrelementes 22 in der mit Bezug auf Fig. 3c erläuterten
Giessphase. Es unterscheidet sich vom Rohrelement 2 lediglich dadurch, dass an seinem
unteren Ende ein nach innen vorstehender Ringansatz 18 zugeordnet ist.
[0028] Fig. 5 zeigt ein aus mehreren Rohrsegmenten 25, 26 zusammengesetztes Rohrelement
24 in der Kokille 1 im Querschnitt. Die Aussenkontur des Rohrelementes 24 ist wiederum
der Innenkontur der Kokille 1 so angepasst, dass ein gleichmässig dicker Spalt 7 zwischen
ihnen über den gesamten Umfang vorhanden ist. Diese Rohrsegmente 25, 26 sind zum Beispiel
wie dargestellt flachwandig bzw. eckförmig ausgebildet und vorteilhaft aneinander
gemörtelt. Es könnten auch je nach Grösse mehr oder weniger solcher Rohrsegmente verwendet
werden.
[0029] Die Erfindung ist mit dem erläuterten Ausführungsbeispiel ausreichend dargetan. Als
Variante könnte dieses keramische Rohrelement bereits nach dem Anhalten der Schmelzenzufuhr
während dem Absenken des Strangs in der Kokille in die Schmelze eingetaucht werden.
Damit würde sich der Füllstand nur geringfügig absenken.
[0030] Das keramische Rohrelement könnte im Prinzip bei seiner Aussen- und/oder Innenform
mit einer Verjüngung im Querschnitt in Giessrichtung versehen sein. Die Verjüngung
der Aussenform könnte so gewählt sein, dass diese der erstarrten Strangschale, welche
in Giessrichtung zunimmt, angepasst ist. So könnte der Zwischenraum vom Rohrelement
und der Stranginnenform optimiert werden.
[0031] Das Rohrelement könnte theoretisch auch aus Metall, zum Beispiel Stahl, oder teilweise
aus keramischem Material und teilweise aus Stahl gefertigt sein. Eine Ausführung teilweise
aus Stahl vorteilhaft auf der Aussenseite des Rohrelementes erlaubt eine Verschmelzung
des Rohrelementes mit der im Spalt 7 zwischen Rohrelement und Kokille befindlichen
Schmelze, was aufgrund der durch die Kokillenkühlung bestimmten Erstarrung zu einer
festen Verbindung zwischen Rohrelement und der aussenseitigen Strangschale im Spalt
7 führt, so dass das Gewicht 19 zu einem sehr frühen Zeitpunkt nach dem Beenden des
Giessens entfernt werden kann.
[0032] Das Rohrelement könnte auch ohne diesen Spalt 7 in die Kokille hineinschiebbar sein
und dabei annähernd die Innenabmessungen der Kokille aufweisen.
[0033] Die wärmeisolierende Wirkung des Rohrelementes im Zusammenhang mit der allfälligen
Aufgabe des isolierenden Pulvers ist vorteilhaft so gewählt, dass trotz langsam fortschreitender
Erstarrung innerhalb des Rohrelementes ein Flüssigkeitsreservoir so lange gehalten
wird, dass der Volumenschrumpf im unterhalb des Rohrelementes befindlichen Strang
aufgrund der dort schneller fortscheitenden Erstarrung als in der innerhalb der Rohrelementes
befindlichen Schmelze annähernd oder vollständig ausgeglichen werden kann.
1. Verfahren zum kontinuierlichen oder semi-kontinuierlichen Stranggiessen insbesondere
bei einer Vertikalgiessanlage zum Abgiessen von Stahl, bei dem der Strang (5) bei
Giessende nach dem Anhalten der Schmelzenzufuhr in einer gekühlten Kokille (1) abgesenkt
wird, dadurch gekennzeichnet, dass
der Strang (5) angehalten wird bevor der Füllstand (15') das untere Ende der Kokille
(1) erreicht und dabei ein Rohrelement (2) mit seinem unteren Ende (2') derart in
die Metallschmelze in der Kokille (1) eingetaucht wird, dass der Füllstand (15') der
Metallschmelze annähernd bis zum oberen Ende der Kokille wie beim Giessen ansteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Aussenabmessungen des Rohrelements (2) geringfügig schmäler als die Innenabmessungen
der Kokille (1) sind, wobei der dazwischen gebildete Spalt (7) über den gesamten Umfang
der Kokille so bemessen ist, dass sich das Rohrelement (2) innerhalb einer beim Giessen
in der Kokille bildenden Strangschale (5') befindet, während im Inneren des Rohrelements
(2) der Erstarrungsprozess der Metallschmelze normal oder mit reduzierter Erstarrungsgeschwindigkeit
fortgesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Aussenabmessungen des Rohrelementes (2) den Innenabmessungen der Kokille (1) im
Querschnitt gesehen so angepasst sind, dass der dazwischen gebildete Spalt (7) über
den gesamten Umfang mit einer gleichmässigen Dicke (d) etwa zwischen 1 und 10% der
Innenabmessungen der Kokille (1) versehen ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
das Rohrelement (2) nach Beendigung der Schmelzenzufuhr um eine solche Länge in die
Kokille (1) eingetaucht wird, dass sein unteres Ende (2') annähernd der sich bildenden
Schrumpfungstiefe (14) beim oberen Strangende nach dem Erstarren des Strangs (5) entspricht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
das Rohrelement (2) mit seiner Wandstärke derart bemessen ist, dass es im eingetauchten
Zustand in der definierten Tiefe ein solches eingetauchtes Volumen aufweist, dass
sich der Füllstand (15) der Metallschmelze wie beim Giessen annähernd bis zum oberen
Ende der Kokille einstellt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
das Rohrelement (2) eine solche Länge aufweist, dass es im Zustand in der definierten
eingetauchten Tiefe am gegenüberliegenden oberen Ende über der Kokille vorsteht und
es an seinem oberen Ende mit einem Verbindungsmittel versehen ist, damit es von einem
Manipulator über die Kokille herangeführt und anschliessend in diese hineingetaucht
werden kann.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
das Rohrelement (2) eine solche Länge aufweist, dass es im Zustand in der definierten
eingetauchten Tiefe am gegenüberliegenden oberen Ende über der Kokille vorsteht und
in diesem Bereich ein wärmeisolierendes Material, vorzugsweise Abdeckpulver (11),
auf die Metallschmelze gefüllt wird.
8. Verwendung eines Rohrelementes für das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Rohrelement (2) mit seinen Aussenabmessungen im Querschnitt gesehen bzw. in seiner
Länge den Innenabmessungen der Kokille (1) bzw. der Schrumpfungstiefe (14) angepasst
ist.
9. Verwendung eines Rohrelementes nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
das Rohrelement (2) aus einem keramischen feuerfesten Material hergestellt ist.
10. Verwendung eines Rohrelementes nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
das Rohrelement (2) aus einer Kombination aus einem Feuerfestmaterial und einem Stahlmantel
hergestellt ist.
11. Verwendung eines Rohrelementes nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass
das Rohrelement (2) zylindrisch ausgebildet ist und über die gesamte Länge eine gleichmässige
Wandstärke aufweist, oder dass an seinem einen Ende ein nach innen vorstehender Ringansatz
(18) zugeordnet ist.
12. Verwendung eines Rohrelementes nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
das Rohrelement (24) aus verschiedenen Rohrsegmenten (25, 26) zusammengesetzt ist.
13. Verwendung eines Rohrelementes nach Anspruch 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
die wärmeisolierende Wirkung des Rohrelementes (2) so bemessen ist, dass die Erstarrung
im Inneren des Rohrelementes so erfolgt, dass aus der Schmelze im Inneren des Rohrelementes
der Volumenschrumpf aufgrund der Erstarrung im unterhalb des Rohrelementes befindlichen
Stranges (5) annähernd oder vollständig ausgeglichen werden kann.