Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Einleitung einer Schmelze aus einem Verteiler über ein Tauchrohr in eine Stranggießkokille, umfassend eine Durchflußregelung für die Schmelze im Verteiler mittels Stopfstange, wobei im Einlaufbereich des Tauchrohres ein Drallerzeuger angeordnet ist.
Stand der Technik beim Stranggießen von Metallen ist eine Einleitung von Schmelze aus einem Verteiler in eine Kokille durch stopfen- oder schiebergeregelte Ausgußsysteme, wobei Schmelze durch feuerfeste Tauchrohre in die Kokille strömt. Die Strömungszustände innerhalb des Ausgußsystems und der Kokille sind instationärer Natur, so daß es selbst bei stationären Gießbedingungen zu asymmetrischen und ungleichmäßigen Strömungsausbildungen kommt. Diese können je nach Intensität die Produktqualität negativ beeinflussen. Zudem können sich unter bestimmten Bedingungen an den Wandungen des durchströmten Ausgußsystems Ablagerungen von im Stahl vorhandenen dispergierten nichtmetallischen Einschlüssen bilden. Dieses "Clogging" kann die Strömungsausbildung innerhalb der Kokille und am Badspiegel beeinträchtigen und zu Störungen des Gießbetriebes führen. Zudem können abgebrochene Ablagerungen in den Strang gelangen. Signifikante Qualitätseinbußen am Gußprodukt können die Folge sein.
Das Dokument DE 34 44 228 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer gerichteten Strömung beim Vergießen einer Schmelze aus einem Schmelzenvorratsbehälter in eine Kokille, insbesondere in eine Stranggießkokille. Die Schmelze wird bereits im Auslaufbereich des Schmelzenvorratsbehälters und/oder im Zufuhrbereich zum Gießspiegel in eine in Zufuhrrichtung rotierende Bewegung versetzt. Mittels der erzeugten Rotation des Schmelzenstrahles wird die Schmelze in der Kokille in eine um die Längsachse des Gußstückes, insbesondere um die Strangachse umlaufende Bewegungsrichtung versetzt.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des bekannten Verfahrens besteht aus einem Schmelzevorratsbehälter mit Bodenausguß und aus einem von der Ausgußöffnung bis in die Kokille ragenden Tauchausguß. Die Innenoberfläche des Ausgusses weist zur Gießrichtung geneigte Leitflächen auf. Auf dem Boden des Schmelzenvorratsbehälters sind in unmittelbarer Nähe der Ausgußöffnung plattenförmige feuerfeste Elemente lotrecht zum Boden angeordnet und einander derart zugeordnet, daß zwischen jeweils einer Stirnfläche eines Elements und einer Seitenfläche eines benachbarten Elements ein den Schmelzendurchfluß erlaubender Spalt verbleibt. Dabei ist jedoch nicht mit Sicherheit vermeidbar, daß sich zwischen der rotierend einströmenden Schmelze im Verteiler, insbesondere bei vergleichsweise geringer Schmelzenhöhe, eine Strömungskupplung mit höher gelegenen Schmelzenbereichen ergibt, die sich zum vorgenannten Vortex selbstverstärkend entwikkelt. Ein solcher Wirbel würde insbesondere bei geringen Füllständen im Verteiler Teile der Verteilerabdeckmasse in die Kokille spülen und damit die Produktqualität beeinträchtigen. Zusätzlich weist die Innenoberfläche des Tauchausgusses zur Gießrichtung geneigte Leitflächen auf.
Aus dem daraus erkennbaren Stand der Technik ergibt sich, daß die Erzeugung einer drallbehafteten Schmelzenströmung innerhalb des Tauchrohres zur Vermeidung von Ablagerungen nichtmetallischer Einschlüsse an der Tauchrohrwand bisher nicht erkannt und nicht genutzt wurde. Auch über einen positiven Einfluß des Dralls auf die Gleichmäßigkeit der Strömung, d.h. die Verminderung von instationären Strömungszuständen am Gießspiegel, wird nichts berichtet.
Drallströmungen in Kokillen oder Tauchausgußsystemen können auch mit elektromagnetischen Wechselfeldem erzeugt werden, wobei der technische Aufwand aufgrund der notwendigen elektrotechnischen Einrichtungen sehr hoch ist.
Ausgehend von dieser Erkenntnis liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, welche in unkomplizierter Weise und mittels technisch ausgereifter Mittel das Entstehen von nichtmetallischen Ablagerungen (Clogging) an der Tauchrohrinnenwand möglichst weitgehend verhindert und gleichzeitig instationäre Strömungszustände in der Kokille in ihrer Intensität vermindert, ohne dass bei der Verwendung des Drallerzeugers ein vorlexartiger Strudel in der hereinströmenden Schmelze insbesondere bei niedrigem Verleiterfüllstand erzeugt wird.
Zur Lösung der Aufgabe wird bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 mit der Erfindung zum Vermeiden von Ablagerungen nichtmetallischer Einschlüsse einer Schmelze an der Tauchrohrinnenwandung vorgeschlagen, daß der Drallerzeuger mit einer Bodenplatte und einer Deckplatte ausgeführt ist, zwischen welchen ein oder mehrere in den Einlaufbereich einmündende Strömungskanäle ausgebildet sind. Überraschenderweise können hiermit schädliche Anlagerungen an der Tauchrohrinnenwand wesentlich verringert oder sogar völlig vermieden werden, wenn die Schmelze das Tauchrohr in Rotation durchströmt. Damit ergibt sich eine aussichtsreiche Maßnahme zur Verhinderung von dem sogenannten "Clogging", weil durch die Wirkung der Zentripetalkraft auf spezifisch leichtere Partikel als Schmelze eine Ablagerung dieser Partikel wesentlich erschwert wird. Gleichzeitig wird der Drall zur Stabilisierung der Strömung im Tauchrohr genutzt, so daß die instationären Strömungszustände, die üblicherweise bereits beim Austreten der Strömung aus dem Tauchrohr in die Kokille auftreten, vermindert werden.
In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, daß sowohl die Bodenplatte, als auch die Deckplatte zum Durchritt der Stopfstange mit jeweils einer Öffnung ausgebildet sind.
Weitere erfindungsgemäße Ausbildungen der Vorrichtung sind entsprechend den Unteransprüchen vorgesehen.
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles.
Es zeigen:
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Vermeiden von Ablagerungen nichtmetallischer Einschlüsse einer Schmelze an der Tauchrohrinnenwand 16 eines Tauchrohres 15 beim Stranggießen mit einer Stranggießkokille. Mit 24 ist der Spiegel der Schmelze im Verteiler 18 bezeichnet, mit 25 eine darauf befindliche Schwimmschicht leichterer Partikel, insbesondere von Schlacke und anderen nichtmetallischen Partikeln. Die Schlackenschicht dient als thermische und chemische Abdeckschicht gegen die Umgebung.
Die Vorrichtung weist eine Durchflußregelung für den Schmelzenfluß durch das Tauchrohr 15 auf, wobei als Regelorgan eine Stopfstange 5 verwendet ist. An diesem unteren Bereich, unmittelbar vor der Einströmöffnung 23 des Tauchrohres 15 befindet sich ein Drallerzeuger 4. Dieser ist am Einlaufbereich 23 mit einer Bodenplatte 1 und darüber mit einer einen vortexartigen Strudel in der einströmenden Schmelze 22 verhindernden Deckplatte 2 ausgebildet. Zwischen diesen sind tangential in den Einlaufbereich einmündende Drallschaufeln 3 unter Ausbildung tangential ausgerichteter Strömungskanäle 10 bis 10"' gemäß Darstellung in den Fig. 2a, 2b angeordnet. Varianten der Drallschaufeln 3 und der durch diese ausgebildeten Strömungskanäle 10 -10"' sind aus den Fig. 5a bis 5c zu ersehen. Die Zahl der Strömungskanäle kann je nach Ausgußsystem unterschiedlich sein. Eine ausreichend stark ausgeprägte Drallströmung ist bereits mit einem einzelnen Strömungskanal zu erzielen. In der praktischen Auslegung empfiehlt sich jedoch die Ausgestaltung mehrerer Kanäle, die vorzugsweise gleichmäßig verteilt um den Einlaufbereich angeordnet sind.
Zum Durchtritt der Stopfstange 5 ist sowohl die Bodenplatte 1, als auch die Deckplatte 2 mit jeweils einer Öffnung 6, 7 ausgebildet, wie dies Fig. 1 und Fig. 2a zu entnehmen ist. Aus Fig. 2a ist auch erkennbar, daß die Drallschaufeln 3 die Form von spitz zulaufenden Keilen 14 besitzen.
Jeweils zwei Drallschaufeln 3, 3' sind mit gegen die Öffnungen 6, 7 tangential ausrichtbaren inneren Seitenflächen 8, 9 versehen. Diese sind relativ zueinander in einem Winkel α von 90° unter Ausbildung jeweils eines Strömungskanals 10 bis 10"' zwischen einer Spitze 11 des einen Keils 14 und der Stimfläche 12 des angrenzenden Keils 14' angeordnet.
Eine Ausgestaltung des Drallerzeugers 4 sieht vor, daß die Drallschaufeln 3 zur Änderung des zwischen ihnen ausgebildeten Querschnitts der Strömungskanäle 10 bis 10''' um je eine feststehende vertikale Achse 13 bis 13"' verschwenkbar einstellbar und in der erreichten Position fixierbar sind.
Die durch die Kanäle erzwungene gezielte Anströmung des Tauchrohreinlaufbereiches, in Fig. 5a und Fig. 5b bspw. dargestellt durch die Mittenlinie entlang des Anströmkanals, kann als Sekante, Tangente oder den Einlaufbereich seitlich passierend ausgeführt sein.
Für die Ausgestaltung der Strömungskanäle im Querschnitt empfehlen sich einfache geometrische Formen wie Kreise, Ellipsen, Rechtecke, Quadrate, Trapezoide oder Rhomboiden, wobei die letzteren geometrischen Konturen auch Verrundungen aufweisen können (Fig. 2c). Die Anströmkanäle können in Mittellinienrichtung verdrillt ausgeführt sein. Entlang eines Anströmkanals kann die Größe der offenen Querschnittsfläche unverändert, abnehmend oder zunehmend ausgestaltet sein.
Der Drallerzeuger wird industriell vorzugsweise als Einweg-Feuerfestbauteil ausgeführt und im Verteilerauslaufbereich am Verteilerboden fixiert. Im einfachsten Fall ist die Ausführung des Drallerzeugers als kompaktes Einzelbauteil vorgesehen. Aber auch eine Ausführung aus mehreren austausch- und zusammenfügbaren Feuerfest-Einzelkomponenten ist denkbar, so daß die Kanalkontur und/oder -führung leicht veränderbar ist. Durch spezielle konstruktive Maßnahmen kann die Veränderbarkeit der Strömungskanäle auch während des Betriebes vorgesehen werden.
Weiterhin ist vorgesehen, daß das Tauchrohr wenigstens bereichsweise mit porösen Wandverkleidungen 26 ausgestattet ist, die mit Mitteln 17 zur Zufuhr von Gas, bevorzugt Inertgas, in Verbindung stehen, derart, daß Gas durch die Wandverkleidungen 16 in den rotierenden Schmelzenstrom des Tauchrohres 15 in Form eines "Gasvorhanges" eingeleitet wird und das Ablagem nichtmetallischer Partikel an der Tauchrohrinnenwand zusätzlich verhindert wird.
Ein derartiger Gasvorhang ist in der Fig. 3c dargestellt. Darin sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Das Tauchrohr 15 ist innen mit einem Wandbereich 26 aus porösem Material ausgekleidet, hinter welchem ein Luftspalt 20 in Form eines Schlitzes angeordnet ist, der mit dem Anschlußkanal 17 an Mittel zur Gaszufuhr angeschlossen ist. Mit der Bezugsziffer 19 und den entsprechenden Pfeilen ist ein Gasvorhang rein schematisch angedeutet.
Entsprechend dem Gesetz der Zentrifugalkraft zeigen die Figuren 3a und 3b den numerisch berechneten Einfluß einer Drallströmung der Schmelze auf die Bewegung nichtmetallischer Einschlüsse in einem zylindrischen Tauchrohr für einen typischen Betriebszustand. Einschlüsse mit einem Partikel-Durchmesser dp von 150 µm und einem Gewicht von Pρ = 3500 kg/m3 bewegen sich innerhalb der spezifisch schwereren Schmelze deutlich von der Tauchrohrinnenwand weg zum Zentrum hin. Bei Einschlüssen mit einem Partikel-Durchmesser dp von 50 µm ist dieser Effekt etwas geringer. In jedem Falle ist zu erwarten, daß sich die Zentripetalkraft positiv hinsichtlich einer Verringerung der Teilchenablagerung an der Tauchrohrinnenwand 16 auswirkt.
Fig. 4a im Vergleich zu Fig. 4b zeigt die Nutzung einer Drallströmung im Tauchrohr zur Vergleichmäßigung der Schmelzengeschwindigkeit in der Kokille und insbesondere am Gießspiegel. Die Meßergebnisse für die Strömung am Gießspiegel bei stationärem Betriebszustand im Wassemnodell ohne, Fig. 4a, und mit, Fig. 4b, Drallströmung im Tauchrohr belegen, daß sich die zeitabhängigen Geschwindigkeitsfluktuationen unter Nutzung des Dralls in ihrer Amplitude erheblich reduzieren lassen. Dies spricht für eine Stabilisierung der Strömung in der Kokille verbunden mit einer maßgeblichen Verbesserung der oberflächennahen Strömungsverhältnisse in der Kokille. Dies läßt eine Verbesserung der Produktqualität oder eine Steigerung der Produktivität bei gleichbleibender Produktqualität erwarten.
Um Ansatzbildungen an der Tauchrohrinnenwand zu vermeiden, wurde bisher in der betrieblichen Praxis häufig ein relativ hoher Inertgasvolumenstrom in das Tauchrohr zugegeben. Dies hat den Nachteil, daß es zu unerwünschten Gaseinschlüssen im erstarrten Produkt führt, wogegen bei drallbehafteter Durchströmung die Zugabe einer nur geringen Inertgasmenge durch die poröse Tauchrohr-Wandverkleidung 26 ausreichend ist, um die Neigung zur Ansatzbildung noch wesentlich weiter zu verringern. Sowohl Modellversuche als auch Simulationsrechnungen lassen den Schluß zu, daß die Erzeugung eines "Gasvorhanges" im Betrieb von wesentlichem Vorteil ist. Es ist zu erwarten, daß dabei Partikel-Einschlüsse wirkungsvoll von der Wand weg zum Zentrum der Schmelzenströmung transportiert werden.