Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur seitlichen Strömungsführung beim Bandgießen durch den Coanda-Effekt.

Aus EP 0 635 323 B1 ist eine Düse für Stranggießanlagen bekannt. Dabei wird eine Gießspitze für eine Düse einer Stranggießvorrichtung beschrieben. Aus US 4,526,223 ist eine Stranggießvorrichtung mit zwei Kühltrommeln bekannt. Aus EP 0 859 675 ist ein Verfahren und Vorrichtung zum Gießen eines Metallbandes bekannt. Aus WO 2008/087002 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vergießen von NE-Metallschmelzen, insbesondere Kupfer oder Kupferlegierungen bekannt.

Beim Bandgießen nach der Belt Casting Technologie muss die heiße, flüssige Schmelze aus dem Verteiler (tundish) auf das bewegte Unterband gebracht werden. Problematisch ist hier die Kombination aus der gleichförmigen, horizontalen Verteilung der Schmelze über die gesamte Gießbreite, die bis zu zwei Meter betragen kann, und der gleichzeitigen Realisierung hoher Gießgeschwindigkeiten von bis zu 30 m/min. Zu diesem Zweck werden spezielle Ausgieß- oder Homogenisierungsvorrichtungen verwendet, die man auch als Gießschnauzen (snout) bezeichnet. Die Gießschnauzen können geschlossen (closed snout) oder offen (open snout) sein. Bei einer offenen Gießschnauze steht die heiße Schmelze in direktem Kontakt mit dem umgebenen Gas (Luft, Inertgas). Auf der Gießschnauze bildet die aus dem Verteiler kommende Schmelze eine offene Gerinneströmung, die entweder unterkritisch (Froude-Zahl < 1) oder überkritisch (Froude-Zahl > 1) sein kann. Die Froude-Zahl für offene Gerinne ist definiert als $\mathrm{Fr}=\frac{\mathrm{u}}{\sqrt{\mathrm{g}{\mathrm{h}}_{\mathrm{hyd}}}};$ u ist die Fließgeschwindigkeit des Gerinnes, g die Erdbeschleunigung und h_hyd die hydraulische Höhe des Gerinnes.

Am Austritt der Gießschnauze verlässt die Schmelze das Feuerfestmaterial und bildet einen Schmelzenfall mit einer bestimmten Fallhöhe, welche von der Position der Gießschnauze über dem bewegten Band abhängig ist. Auf dem bewegten Band kühlt die Schmelze ab und wird abtransportiert. Die zunächst noch flüssige Schmelze auf dem Transportband ist aus strömungs- und wärmetechnischer Sicht gesehen extrem empfindlich. Langlebige Strömungsmuster bleiben bei der Erstarrung erhalten und erzeugen eine unerwünschte Gefügestruktur, sowohl aus mikroskopischer als auch aus makroskopischer Sicht.

Die infolge der Grenzflächenspannung beim Überlauf aus der Gießschnauze auf das Unterband seitlich eingeschnürte Schmelze bildet eine heiße Strähne, die beim Auftreffen auf das Transportband unerwünschte Verwirbelungen erzeugt oder auch dafür sorgt, dass der seitliche Bereich auf dem Unterband erst gar nicht mit Schmelze beaufschlagt oder ausgefüllt wird. Das Einschnüren der Schmelze tritt auch dann auf, wenn die Gießschnauze bis zum Austritt vollständig mit Schmelze ausgefüllt ist. Die Strähne induziert Verwirbelungen und Turbulenzen, die sich auf den schmalen, aber kritischen Seitenbereich des Schmelzenpools erstrecken.

Beim Bandgießen von Kupfer, Aluminium oder Zink, beispielsweise mit einem Hazelett-Caster, gestaltet sich die Situation ähnlich. Hier wird die Schmelze zwischen zwei schräg gestellte, umlaufende Transportbänder (Ober- und Unterband) gegossen, wobei der Abstand der Transportbänder die Gießdicke festlegt. Beim Übergang der Schmelze von der Gießschnauze in den zwischen den Bändern befindlichen Schmelzenpool bilden sich ebenfalls seitliche Strähnen aus, die tief in den Schmelzenpool eindringen und unerwünschte Wirbelstrukturen erzeugen. Die Achsen dieser Wirbelstrukturen richten sich im Wesentlichen normal zum Unterband aus. Die Strähnen bleiben im Schmelzenpool erhalten und legen sich unter Umständen stromabwärts, daher tief im Schmelzenpool, wieder an die Seitenabdichtung an. Hierbei kann die Schmelze sogar gegen die Transportrichtung des Bandes stromauf gelangen. Dadurch werden nahe der Seitenabdichtung relativ stabile, störende Strömungsmuster erzeugt, die bei der fortlaufenden Erstarrung erhalten bleiben und die Qualität der Bandkanten verschlechtern.

Im Fall einer sich um einen definierten Winkel stetig erweiternden offenen Gießschnauze (z.B. JP 62248543 A) löst die Schmelzenströmung unter Umständen bereits auf der Gießschnauze ab. Im Randbereich schnürt sich die Schmelze ein und dickt auf. Dabei bildet sich eine heiße Strähne. Die heiße Strähne tritt aus der Gießschnauze aus und trifft auf das darunter liegende bewegte Unterband mit hoher kinetischer Energie. Auf dem Band kommt es zu intensiven, unerwünschten Verwirbelungen. Die seitliche Strömung besitzt im Allgemeinen einen höheren Impuls und eine höhere kinetische Energie als die Strömung in der Bandmitte. Die Schmelze dringt daher seitlich mit hohem Impuls auf das Transportband auf, wobei die typische Strähnenstruktur erhalten bleibt und ein ungleichförmiges Geschwindigkeitsprofil induziert wird.

Im Fall paralleler Seitenwände der Gießschnauze (z.B. EP 0 962 271 A1) bleibt die Schmelze bis zum Austritt aus der Gießschnauze an den Seitenwänden anliegen. Es findet daher keine Strömungsablösung auf der Gießschnauze statt. Sobald die Schmelze die Gießschnauze verlässt, schnürt sie sich jedoch infolge fehlender Adhäsionskräfte und dann dominierender Kohäsionskräfte ein und es bildet sich wiederum die bereits beschriebene Strähne mit dem bekannten Strömungsmuster auf dem Transportband. Laseroptische Geschwindigkeitsmessungen am Wassermodell verdeutlichen diesen Effekt.

Zusätzliche Maßnahmen, wie induktives Rühren, müssen dieser Wirbelbildung entgegenwirken. Bandgießanlagen, die nach dem oben geschilderten Verfahren arbeiten, benötigen einen induktiven Rührer zur Homogenisierung der Schmelze.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur seitlichen Strömungsführung einer Metallschmelze beim Bandgießen bereitzustellen, wodurch die Strähnenbildung der Schmelze beim Überlauf von der Gießschnauze auf das bewegte Band und die damit verbundene unerwünschte Gefügestruktur im Band reduziert oder vollständig unterbunden werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein Verfahren zur seitlichen, unterstützenden Strömungsführung einer Metallschmelze beim Bandgießen gemäss Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen 2-7 hervor.

Die vorliegende Erfindung betrifft demnch ein Verfahren zur seitlichen, passiven Strömungsführung einer Metallschmelze beim Bandgießen unter Ausnutzung des Coanda-Effektes. Die seitliche, in das Schmelzeninnere gerichtete Einschnürung eines offenen Schmelzenstrahls bei der Verteilung auf ein laufendes Transportband (Bandgießtechnologie) wird erfindungsgemäß reduziert. Dadurch wird die erstarrende Schmelze gleichmäßiger über die Gießbreite auf dem Transportband verteilt. Die charakteristischen unerwünschten Strömungsmuster an den Bandkanten werden verhindert.

Die Schmelze wird über eine Gießschnauze geführt, bei der die letzte Strecke der feuerfesten Seitenwand speziell dreidimensional gebogen (konvex, konkav), und zwar in Form eines flügelähnlichen, im Folgenden so genannten Coanda-Profils ausgebildet ist. Der Coanda-Effekt beschreibt die Eigenschaft eines Fluidstrahls oder -jets (gasförmig, flüssig), sich an eine in der Nähe befindliche, konvexe Wand anzulegen und dieser entlang zu folgen. Auf diese Weise ändert der Fluidstrahl seine ursprüngliche Ausbreitungsrichtung. Die Wirkungsweise des Coanda-Effektes basiert aus der Überlagerung mehrer physikalischer Mechanismen, im Wesentlichen sind dies der Bernoulli-Effekt, die molekularen Kräfte zwischen Wand und Fluidstrahl, die Strömungsgrenzschicht und der Druckgradient in Strömungsrichtung.

Im vorliegenden Fall beginnt die Kontur des Coanda-Profil bereits in oder auf der Gießschnauze und wird über die Gießschnauze hinaus sowie gleichzeitig auch in Richtung des Laufbandes speziell geformt. Es wird eine dreidimensionale, tragflügelförmige Kontur aus Feuerfestmaterial, wie SiC, MgO geformt. Die Schmelze folgt aufgrund des Coanda-Effektes der Kontur des Coanda-Profils und wird gleichzeitig nach außen von der Bandmitte weg sowie nach unten in Richtung des bewegten Bades umgelenkt. Dies wirkt der Einschnürung des Schmelzenstrahls entgegen, diese wird daher vermieden. Das Geschwindigkeitsprofil im Pool wird über die gesamte Gießbreite deutlich homogenisiert.

Die besondere, geometrische Formgebung am Auslass einer Gießschnauze bewirkt, dass sich die abfließende Schmelze horizontal aufweitet. Dadurch wird die Strähnenbildung reduziert. Hierbei sorgt u. a. der Coanda-Effekt für eine Aufweitung der Schmelzenströmung und damit für eine Homogenisierung der Schmelze über die Gießbreite.

Die kinetische Energie muss beim Überlauf der Schmelze aus der Gießschnauze auf das Band möglichst gering sein. Damit wird einerseits der Einzug von Gasblasen in die Schmelze und andererseits die Erzeugung von Strömungsmustern minimiert. Die seitliche Strähnenbildung beim Überlauf der Schmelze auf das bewegte Band einer Bandgießanlage wird reduziert und die Gefügestruktur verbessert.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die passive Strömungsführung durch das Coanda-Profil den Homogenisierungsprozess auf der Basis des magnetischen Rührers unterstützt. Das neue Verfahren ist dadurch kostengünstig. Die Feuerfestform der Verteileinrichtung zwischen Stranggießverteiler und Transportband muss lediglich geändert werden. Die Dimension des induktiven Rührers wird bei gleichzeitigem Einsatz des Coanda-Profils reduziert.

Das u. a. auf dem Coanda-Effekt beruhende Prinzip kann überall dort angewendet werden, wo freie Gießstrahlen durch eine passive Strömungsführung ohne äußere Einwirkung nur durch formgebende Maßnahmen, beeinflusst werden sollen. Das Verfahren kann auch bei Bandgießanlagen für NE-Metalle angewendet werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird weiter durch eine Vorrichtung zum Bandgießen mit seitlicher Strömungsführung einer Metallschmelze mit einer Gießschnauze gemäss Anspruch 8 gelöst. Der Austritt der Gießschnauze ist bevorzugt flügelförmig und gleichzeitig in Form eines Rotationsellipsoids oder Tragflügels (2) in direkter Gießrichtung x ausgebildet.

Die genaue Geometrie des Coanda-Profils ist unter anderem von der Fließgeschwindigkeit der Schmelze auf der Gießschnauze abhängig. Die Breiten der Ausgießvorrichtung und des Transportbandes liegen gewöhnlich zwischen 1.0 m und 2.0 m. Die Länge der Ausgießvorrichtung liegt bei etwa 1 m. Der Abstand von der Gießschnauze zum Laufband, daher die Fallhöhe der Schmelze aus der Gießschnauze auf das mitlaufende Band, beträgt etwa 20 mm bis 80 mm. Die Geschwindigkeit des Laufbandes beträgt bis 30 m/min. Der Winkel zwischen der Gießpfanne und dem Laufband beträgt 0° bis 20°. Die Temperatur der Schmelze hängt von der Stahlzusammensetzung ab. Bei Low Carbon Steel liegt die Temperatur bei 1550°C, bei hochlegierten Stählen bei 1450°C. Das Verfahren kann außer auf Stahlsorten auch auf Kupfer-, Aluminium oder Zinkbandguss angewandt werden. Die kinematische Viskosität der Schmelze beträgt etwa ν = 1x10^-6 m²/s. Die Schmelze ist Kupfer, Aluminium, Zink, LowCarbon Steel oder hochlegierter Stahl. Die Feuerfest-Beschichtung enthält MgO oder SiC.

In einer Bandgießanlage fließt die Schmelze aus der Pfanne in einen Stranggießverteiler. Unterhalb des Verteilers kann sich ein weiteres Gefäß befinden, das die eigentliche Aufgabe- und Verteilvorrichtung, insbesondere Gießschnauze, der Schmelze auf das bewegte Unterband darstellt. Aus dem Verteiler fließt die Schmelze über das so genannte Tauchrohr (SEN - Submerged Entry Nozzle) in die Aufgabevorrichtung, welche die Schmelze beruhigt und verteilt.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Formgebung am seitlichen Austritt der Gießschnauze maßgebend. Die letzte Strecke der feuerfesten Seitenwand am Austrittsbereich der Gießschnauze, der bis zu etwa 30 cm lang sein kann, ist strömungsoptimiert ausgebildet. Die Kontur ist flügelförmig in direkter Gießrichtung ausgebildet. Augrund dieser speziellen Kontur folgt die Schmelze relativ lange, daher ablösungsfrei an der Kontur entlang. Dieses Verhalten wird durch den Coanda-Effekt unterstützt. Das Coanda-Profil wird ähnlich wie ein Tragflügel am Flugzeug von vorne angeströmt. Gleichzeitig wird die Schmelze nach dem Verlassen von der Gießschnauze auch weiter geführt. Die Schmelze wird möglichst ruhig, mit geringer Geschwindigkeit und turbulenzarm auf das laufende Unterband transportiert. Der Flügel ragt über die Gießschnauze hinaus. Durch die Verknüpfung dieser beiden Bedingungen weist das Coanda-Profil die Form eines strömungsoptimierten Rotationsellipsoids auf.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung und eines Beispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a

zeigt eine Draufsicht auf eine stetig erweiternde Gießschnauze nach dem Stand der Technik,

Fig. 1b

zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Gießschnauze,

Fig. 1c

zeigt eine seitliche Ansicht einen erfindungsgemäßen Austritt der Gießschnauze,

Fig. 2

zeigt anhand einer Draufsicht auf eine Gießschnauze die typische Strömungsablösung, wenn der Öffnungswinkel der Gießschnauze zu groß ist,

Fig. 3a

zeigt anhand einer Draufsicht auf eine Gießschnauze das Ergebnis einer quantitativen laseroptischen Geschwindigkeitsmessung im Pool einer stehenden Kokille (Hazelett-Caster) für den Fall ohne Coanda-Profil,

Fig. 3b

zeigt anhand einer Draufsicht auf eine Gießschnauze das Ergebnis einer quantitativen laseroptischen Geschwindigkeitsmessung im Pool einer stehenden Kokille (Hazelett-Caster) für den Fall mit Coanda-Profil,

Fig. 4

eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Gießschnauze,

Fig. 5

eine Vergrößerung des erfindungsgemäßen Coanda-Profils aus Fig. 4.

Fig. 1 a zeigt die grundlegende Situation am Austritt der Gießschnauze mit der darunter liegenden Poolströmung mit einer sich um einen definierten Winkel (0° < α < 20°) stetig erweiternden, offenen Gießschnauze 1. Die Schmelzenströmung 7 löst bereits auf der Gießschnauze 1 im Punkt A ab. Im Randbereich schnürt sich die Schmelze 3 ein, dickt auf und es bildet sich eine Strähne, die aus der Gießschnauze 1 austritt und mit hoher kinetischer Energie auf das darunter liegende, bewegte Unterband 4 mit Seitenabdichtung trifft. Das Unterband 4 bewegt sich in x-Richtung. Die Strähne führt im Pool auf dem Transportband 4 zu intensiven, unerwünschten Verwirbelungen 5 oder auch zu Bereichen, die nicht mit Schmelze 3 beaufschlagt werden. Die Entwicklung der Verwirbelung 5 wird über die Strömungsablösung A und Einschnürung 6 in Fig. 2, hier am Beispiel eines Wassermodells gezeigt. Generell besitzt die seitliche Strömung 7 einen höheren Impuls und eine höhere kinetische Energie als die Strömung 7 in der Bandmitte. Die Schmelze 3 dringt daher tiefer in den Schmelzenpool des Transportbands 4 ein, wobei die typische Strähnenstruktur erhalten bleibt und ein ungleichförmiges Geschwindigkeitsprofil 8 induziert wird. Stromab des Auftreffpunktes auf dem Band 4 legt sich die Strähne an die Seitenabdichtung (Dämmblockkette) im Wiederanlegepunkt bzw. Staupunkt B an. Dieser Ablauf wird anhand der Laseroptischen Messungen im Kokillenpool eines Hazelett-Caster-Wassermodells beim Ausströmen ohne Coanda-Profil in Fig. 3a dargestellt. Hierbei kann die Schmelze 3 sogar gegen die Transportrichtung x des Bandes 4 stromauf gelangen, wodurch nahe der Seitenabdichtung relativ stabile, störende Strömungsmuster erzeugt werden, die bei der fortlaufenden Erstarrung unter Umständen erhalten bleiben. Beobachtungen an einem in Betrieb befindlichen Hazelett-Caster haben gezeigt, dass es sich um einen hochgradig instationären Prozess handelt, wobei der Wiederanlegepunkt B stromauf und - stromab wandert. Es ergibt sich ein ungleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil 8.

Im Fall paralleler Wände (α = 0°) bleibt die Schmelze 3 bis zum Austritt der Gießschnauze 1 an den Seitenwänden anliegen. Es findet daher keine Ablösung auf der Gießschnauze 1 statt. Sobald die Schmelze 3 die Gießschnauze 1 verlässt, schnürt sie sich jedoch infolge fehlender Adhäsionskräfte und dann dominierender Kohäsionskräfte ein und es bildet sich wiederum die bereits beschriebene Strähne mit dem bekannten Strömungsmuster. Laseroptische Geschwindigkeitsmessungen verdeutlichen diesen Effekt, wie in Fig. 3a gezeigt wird.

Die Gießschnauze 1 gemäß Fig. 1b zeigt die erfindungsgemäße generelle Formgebung am seitlichen Austritt. Die letzte Strecke der feuerfesten Seitenwand wird flügelförmig ausgebildet. Es ist wesentlich, dass das Coanda-Profil 2 über die Gießschnauze 1 hinaus in y-Richtung und gleichzeitig auch in Richtung des Laufbandes in x-Richtung geformt wird. Es wird folglich eine dreidimensionale, tragflügelförmige und damit strömungsgünstige Flügelkontur 2 aus Feuerfestmaterial geschaffen. In diesem Fall folgt die Schmelze 3 infolge des Coanda-Effektes der Flügelkontur 2 und wird gleichzeitig nach außen in z-Richtung sowie nach unten in y-Richtung, daher von der Bandmitte weg, umgelenkt, wie es zusätzlich in Figuren 1b, 1c und 4 gezeigt wird. Dadurch wird die Einschnürung 6 vermieden und das Geschwindigkeitsprofil 8 über die gesamte Gießbreite homogenisiert. Es wird ein gleichförmiges Geschwindigkeitsprofil 8 erhalten. Fig. 3b zeigt eine laseroptische Geschwindigkeitsmessung im Wassermodell, bei der im Vergleich zu Fig. 3a lediglich ein Coanda-Profil 2 installiert wurde. Es wird deutlich, dass die Strähnenbildung reduziert wird.

1

Ausgießvorrichtung / Verteilvorrichtung / Gießschnauze / Open Snout

2

Coanda-Profil / Flügelkontur / Flügelprofil / Tragflügel / Rotationsellipsoid

3

Schmelze / Schmelzenströmung

4

Transportband / Band / bewegtes Unterband

5

Wirbel / Verwirbelungen

6

Einschnürung

7

Strömung

8

Geschwindigkeitsprofil

A

Strömungsablösung

B

Wiederanlegepunkt / Staupunkt