Gebiet der Technik
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum semi-kontinuierlichen Stranggießen
eines Strangs, vorzugsweise eines Vorblocks, aus Stahl in einer Stranggießmaschine
und eine dazu geeignete Stranggießmaschine.
Stand der Technik
[0002] Der überwiegende Teil der heute produzierten Gesamtstahlmenge wird in kontinuierlich
betriebenen Stranggießmaschinen mit hohem Durchsatz zu Strängen vergossen. Nur ca.
5% der Gesamtstahlmenge wird zu Vorblöcken (engl.
ingots) vergossen. Das Vorblockgießen ist bspw. beschrieben im
ASM Handbook, Volume 15: Casting, Kapitel "Steel Ingot Casting", Seiten 911-917, DOI: 10.1361/asmhba0005295. Obwohl der Anteil von flüssigem Stahl der über die sog.
Ingotroute zu Vorblöcken vergossen wird klein ist, ist die Ingotroute aber wegen der Eignung
für spezielle Stahlsorten und -formate sehr profitabel.
[0003] Vorteile des Vorblockgießens sind:
- Hohe Flexibilität in den Produktabmessungen, günstig bei kleinen Losgrößen, einzigartig
bei großen Formaten;
- Eignung für spezielle Stahlsorten (z.B. für Kaltformstähle CHQ; HSLA Stähle; hochlegierte
Stähle mit ca. 5% Legierungsanteilen, wie Cr, Ni, Mo; Kettenstähle; Automatenstähle
mit einem hohen Anteil von S, Pb, Bi; Lagerstähle mit ca. 1% C, 1,2% Cr, 0,25% Ni,
0,25% Mo; etc.); und
- höhere Qualität in punkto Vermeidung von Zentrumsseigerung und Porosität, insbesondere
von Fadenporosität im Zentrum des Strangs.
[0004] Nachteile des Vorblockgießens sind:
- langsame aber nur unzureichend kontrollierbare Abkühlgeschwindigkeiten in der Vorblockkokille;
- höhere Ausbringverluste durch das Abtrennen des Kopf- und Fußteils des Vorblocks;
- höhere Betriebskosten; und
- geringere Gefügesymmetrie und Reinheit.
Zusammenfassung der Erfindung
[0005] Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass die höhere Qualität des Vorblockgießens
in Bezug auf Zentrumsseigerung und Porosität hauptsächlich durch die langsame Erstarrungsgeschwindigkeit
und die vom Stranganfang zum Strangende hin gerichtete Erstarrung im Zentrumsbereich
des Vorblocks bewirkt wird. Die Erstarrung im Zentrum erfolgt globular bzw. mit einer
axial ausgerichteten Erstarrungsfront, sodass eventuell auftretende Dendriten vermieden
werden, welche im Zentrum Brücken bilden und das Nachsaugen der Schmelze behindern.
Eine Fadenporosität im Zentrum ist somit weitgehend ausgeschlossen. Im Gegensatz dazu
sind die Eigenschaften beim kontinuierlichen Stranggießen genau umgekehrt. Extrem
niedrige Abkühlraten wie beim Vorblockgießen sind bei kontinuierlich betriebenen Stranggießmaschinen
nicht realisierbar, da die Maschinenlänge aus wirtschaftlichen Gründen beschränkt
ist. Durch die höhere Abkühlgeschwindigkeit verbunden mit der eher radial von außen
nach Innen gerichteten Erstarrung beim kontinuierlichen Stranggießen wird eine dendritische
Erstarrung und damit Zentrumsseigerung und Porosität verursacht. Daher werden nach
dem Stand der Technik große Formate, die im Wesentlichen frei von Zentrumsseigerungen
und Porositäten, insbesondere von Fadenporositäten, sein sollen, über die Ingotroute
hergestellt. Die höheren Betriebskosten, geringere Ausbringung und Nachteile in der
Gefügesymmetrie und Reinheit des Vorblocks werden dabei in Kauf genommen.
[0006] Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden
und ein Verfahren zum semi-kontinuierlichen Stranggießen eines Strangs, vorzugsweise
eines Vorblocks, aus Stahl darzustellen, bei dem der Strang
- eine geringe Zentrumsseigerung und Porosität aufweist, und
- dennoch rasch, d.h. mit hohem Durchsatz, vergossen werden kann. Dadurch soll der semi-kontinuierlich
vergossene Strang einerseits ähnliche bzw. sogar bessere metallurgische Eigenschaften
wie ein durch die klassische Ingotroute hergestellter Vorblock haben; andererseits
soll der Strang aber mit einem ähnlich hohen Durchsatz produziert werden können wie
in einer kontinuierlich betriebenen Stranggießmaschine.
[0007] Schließlich soll eine dafür geeignete Stranggießmaschine angegeben werden.
[0008] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
[0009] Erfindungsgemäß werden beim Verfahren zum semi-kontinuierlichen Stranggießen eines
Strangs, vorzugsweise eines Vorblocks, aus Stahl in einer Stranggießmaschine, wobei
die Stranggießmaschine eine gekühlte Durchlaufkokille zur Primärkühlung des Strangs,
nachfolgend eine Strangführung zum Stützen und Führen des Strangs mit einer - typischerweise
mehrere Kühldüsen umfassenden - Sekundärkühlung zum Abkühlen des Strangs, und wiederum
nachfolgend eine Tertiärkühlung zum weiteren Abkühlen des Strangs aufweist, folgende
Verfahrensschritte durchgeführt:
- Gießstart der Stranggießmaschine, wobei flüssiger Stahl in die durch einen Kaltstrang
verschlossene Durchlaufkokille gegossen wird und der flüssige Stahl mit dem Kaltstrang
einen durcherstarrten Stranganfang und nachfolgend einen teilerstarrten Strang ausbildet;
- Ausziehen des teilerstarrten Strangs aus der Durchlaufkokille;
- Stützen und Führen des teilerstarrten Strangs in der Strangführung, wobei der teilerstarrte
Strang durch die Sekundärkühlung abgekühlt wird;
- Gießende der Stranggießmaschine, wobei das Vergießen von flüssigem Stahl in die Durchlaufkokille
beendet wird und sich ein Strangende ausbildet;
- Ausziehen des Strangendes aus der Durchlaufkokille;
- Beenden des Ausziehens, sodass das Strangende außerhalb der Durchlaufkokille (d.h.
im Bereich der Sekundärkühlzone oder der Tertiärkühlzone der Stranggießmaschine) liegt;
- Beenden der Sekundärkühlung;
- gesteuertes oder geregeltes Abkühlen des teilerstarrten Strangs bis zur Durcherstarrung
des Strangs in der Tertiärkühlzone der Stranggießmaschine, wobei das Abkühlen am Stranganfang
stärker und zum Strangende hin abnehmend eingestellt wird;
- Ausfördern des Strangs aus der Stranggießmaschine.
[0010] Die dabei verwendete Stranggießmaschine ist dreiteilig gegliedert. An die typischerweise
aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung bestehende gekühlte Durchlaufkokille zur Primärkühlung
des Strangs folgt eine Strangführung zum Stützen und Führen des Strangs mit einer
Sekundärkühlung, typischerweise umfassend mehrere Einstoff- (meistens sog.
water only Düsen) und/oder Mehrstoffdüsen (meistens sog.
airmist Düsen), zum Abkühlen der teilerstarrten Strangschale, und eine Tertiärkühlzone zum
weiteren Abkühlen des Strangs nach.
[0011] Um das Biegen bzw. das Rückbiegen des Strangs zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn
die Stranggießmaschine als eine Vertikalstranggießmaschine mit einer senkrechten Kokille,
einer senkrechten Strangführung und einer senkrechten Tertiärkühlzone ausgebildet
ist.
[0012] Das erfindungsgemäße Verfahren läuft wie folgt ab: Beim Gießstart der Stranggießmaschine
wird flüssiger Stahl (typischerweise von einem metallurgischen Gefäß, wie einer Pfanne
oder einem Gießverteiler) in die durch einen Kaltstrang verschlossene Durchlaufkokille
vergossen, wobei der flüssige Stahl mit dem Kaltstrang einen durcherstarrten Stranganfang
und einen dem Stranganfang nachfolgenden teilerstarrten Strang (d.h. eine erstarrte
Strangschale und einen flüssigen Kern) ausbildet. Der Durchfluss vom metallurgischen
Gefäß in die Durchlaufkokille kann bspw. über einen Schieberverschluss oder einen
Stopfenantrieb eingestellt werden. Anschließend wird der teilerstarrte Strang aus
der Durchlaufkokille ausgezogen, wobei der Gießspiegel in der Kokille, der sich durch
den Zufluss von flüssigem Stahl in die Kokille und das Ausziehen des teilerstarrten
Strangs durch angetriebene Strangführungsrollen einstellt, in etwa konstant gehalten
wird. Der teilerstarrte Strang wird nach der Durchlaufkokille in der Strangführung
gestützt, geführt und durch die Sekundärkühlung weiter abgekühlt. Insbesondere bei
höheren Gießgeschwindigkeiten ist es vorteilhaft, wenn die Sekundärkühlung mehrere
Kühldüsen aufweist; bei langsamen Gießgeschwindigkeiten kann jedoch die Kühlung durch
Strahlung bereits ausreichen, eine tragfähige Strangschale zu bilden. Die Kühlintensitäten
in der Primär- und Sekundärkühlung werden je nach Auszugsgeschwindigkeit so eingestellt,
dass die Schale des teilerstarrten Strangs dem maximal auftretenden ferrostatischen
Druck in der Stranggießmaschine standhält. Wenn der Strang die gewünschte Länge bzw.
das gewünschte Gewicht erreicht hat, wird der Gießvorgang beendet, bspw. durch das
Verschließen des metallurgischen Gefäßes. Dadurch bildet sich ein typischerweise nicht
völlig durcherstarrtes Strangende des Strangs aus. Das Strangende wird nun zumindest
soweit aus der Durchlaufkokille ausgezogen, dass es im Bereich der Sekundärkühlung
oder der Tertiärkühlung der Stranggießmaschine zu liegen kommt. Spätestens wenn das
Strangende die Sekundärkühlzone passiert hat, wird die Sekundärkühlung beendet. Der
teilerstarrte Strang wird nun - im Vergleich zum kontinuierlichen Stranggießen - langsam,
gesteuert oder geregelt in der Tertiärkühlzone der Stranggießmaschine bis zur völligen
Durcherstarrung abgekühlt. Dabei erfolgt die Abkühlung kontrolliert - stärker im Fußbereich
(d.h. im Bereich des Stranganfangs) des Stranges und zum Strangkopf d.h. im Bereich
des Strangendes) hin abnehmend. Damit wird im Zentrumsbereich eine von unten nach
oben gerichtete Erstarrungsfront bewirkt. Im Zentrum des teilerstarrten Strangs stellt
sich so entweder ein globulares oder dendritisches Gefüge mit nur äußerst geringen
Seigerungen und Porositäten ein. Bei dendritischer Erstarrung können die Dendriten
im Strangzentrum nicht zusammenwachsen, wodurch die Fadenporosität im Strangzentrum
vermieden wird. Schließlich wird der durcherstarrte Strang aus der Stranggießmaschine
ausgefördert.
[0013] Das Abkühlen des teilerstarrten Strangs in der Tertiärkühlzone erfolgt entweder gesteuert
oder geregelt. Als Soll-Wert für die Abkühlung kann die Oberflächentemperatur des
Strangs, oder bevorzugt eine - in einem 2- oder 3-dimensionalen Modell beinhaltend
die Wärmeleitungsgleichung für den Strang und gegebenenfalls unter Berücksichtigung
der Vorgänge bei der Gefügeumwandlung - in Echtzeit berechnete Gefügezusammensetzung
im Zentrum des Strangs herangezogen werden. Dadurch kann die Abkühlung und die Gefügeausbildung
im Strang sehr genau eingestellt werden. In der Tertiärkühlung wird der Strang primär
durch Wärmestrahlung und ggf. durch Konvektion abgekühlt; eine Spritzkühlung ist typischerweise
nicht erforderlich.
[0014] Durch die langsame Abkühlung des Strangs können eventuell notwendige Glühbehandlungen
des Strangs zwecks Spannungsabbau und weiterer Strukturverbesserung bereits in der
Tertiärkühlzone der Stranggießmaschine durchgeführt werden.
[0015] Vorteilhafterweise wird das langsame, geregelte oder gesteuerte, Abkühlen des Strangs
durch zumindest eine der folgenden Maßnahmen beeinflusst:
- a) Beeinflussung der Wärmeisolation des Strangs,
- b) Heizung des Strangs,
- c) Oberflächenkühlung des Strangs.
[0016] Durch die gezielte Beeinflussung der Wärmeisolation kann ohne zusätzliche Energie
die Abkühlung am Stranganfang stärker als am Strangende eingestellt werden. Durch
eine gezielte Heizung des Strangs kann dies mit zusätzlicher Energie sichergestellt
werden. Schließlich kann eine - ggf. nur lokal - vorliegende - zu langsame Abkühlung
des Strangs durch eine Oberflächenkühlung des Strangs behoben werden.
[0017] Um ein zu rasches Abkühlen des teilerstarrten Strangs in der Tertiärkühlzone zu verhindern,
ist es vorteilhaft, wenn der teilerstarrte Strang, vorzugsweise dessen Mantelfläche,
in der Tertiärkühlzone durch eine, bevorzugt induktive, Heizvorrichtung aufgeheizt
wird. Alternativ kann der Strang aber auch durch Brenner aufgeheizt werden.
[0018] Obwohl ein zu langsames Abkühlen des teilerstarrten Strangs gemäß der Erfindung nicht
auftreten sollte, kann ein lokal zu langsames Abkühlen verhindert werden, wenn der
teilerstarrte Strang in der Tertiärkühlzone durch eine, bevorzugt verfahrbare, Kühlvorrichtung
abgekühlt wird.
[0019] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Heizvorrichtung in Auszugsrichtung der Stranggießmaschine
verfahrbar ist. Dadurch kann die Temperatur des Strangs nur durch eine einzige Heizvorrichtung
beeinflusst werden, ohne dass hierzu verteilt angeordnete Vorrichtungen benötigt werden.
[0020] Für die Einstellung der Erstarrung ist es besonders vorteilhaft, wenn der teilerstarrte
Strang in der Tertiärkühlzone durch eine Wärmeisolation vor zu rascher Abkühlung geschützt
wird. Vorteilhaft ist es, wenn die Wärmeisolation vor dem Gießstart vorgeheizt wird.
Eine besonders effektive Wärmeisolation die zudem die Entgasung der noch nicht erstarrten
Schmelze fördert und außerdem vor Verzunderung schützt, besteht darin, den Strang
in einem Vakuum oder in einer Atmosphäre aus Schutzgas zu halten.
[0021] Bei der Wärmeisolation ist es vorteilhaft, wenn die Isolationswirkung entweder statisch
voreingestellt wird oder während des Betriebs gesteuert oder geregelt eingestellt
wird ist. Die Einstellung kann z.B. durch schwenkbare Isolationslamellen erfolgen.
Die Isolationslamellen können während der Tertiärkühlphase über die Stranglänge auf
verschiedene, jedoch statisch gleichbleibende, Schwenkwinkel eingestellt werden. Die
Schwenkwinkel können aber auch je nach Produktionsprogramm während der Abkühlphase
dynamisch verstellt werden. Bspw. können die Schwenkwinkel unten - d.h. im Bereich
des Stranganfangs - größer als oben eingestellt werden, wodurch der Strangendbereich
langsamer als der Stranganfangsbereich abgekühlt wird.
[0022] Um den Durchsatz im semi-kontinuierlichen Gießbetrieb zu erhöhen, ist es äußerst
vorteilhaft, wenn nachdem das Strangende die Sekundärkühlung passiert hat, die gekühlte
Durchlaufkokille, bevorzugt die Durchlaufkokille und die Sekundärkühlzone, von der
Tertiärkühlzone getrennt (bspw. abgehoben) werden und die abgetrennten Bauteile quer
zur Auszugsrichtung der Stranggießmaschine zu einer anderen Gießstation, d.h. zu einer
weiteren Tertiärkühlzone, verfahren werden. Bei der weiteren Tertiärkühlzone kann
ein weiterer Strang gegossen werden, währenddessen der zuvor erzeugte Strang in der
Tertiärkühlzone langsam abgekühlt wird. Durch diese Maßnahmen wird die hohe Qualität
des Vorblockgießens mit der hohen Produktivität des kontinuierlichen Stranggießens
vereint.
[0023] Nach dem Trennen der gekühlten Durchlaufkokille, bzw. der Durchlaufkokille mit der
Sekundärkühlzone, von der Tertiärkühlzone ist es vorteilhaft, wenn das Strangende
durch eine Wärmeisolation vor zu rascher Abkühlung geschützt wird.
[0024] Weiters ist es vorteilhaft, wenn das Strangende durch eine Heizeinrichtung, insbesondere
eine induktive Heizeinrichtung, einen Lichtbogenofen, eine Plasmaheizung oder durch
das Abbrennen von exothermem Abdeckpulver, erwärmt wird.
[0025] Durch das Isolieren und das Erwärmen des Strangendes wird der obere Bereich des Strangs
bis zum Durcherstarrungsende mit flüssigem Sumpf gehalten und das Nachsaugen der Schmelze
in das Strangzentrum sichergestellt. Durch diese Maßnahmen wird eine hohe Qualität
erzielt und eine zu große Trichterbildung im Strangende vermieden. Ähnliche Maßnahmen
sind aber auch im unteren Bereich des Strangs möglich. Durch diese Maßnahmen werden
die Ausbringverluste reduziert, da nur ein kürzerer Abschnitt vom Stranganfang und
-ende abgetrennt werden muss.
[0026] Zur Erzielung einer gleichmäßigen Innenstruktur ist eine Rühreinrichtung wie eine
Rührspule vorteilhaft. Diese ist günstigerweise entlang der Strangachse verfahrbar.
Alternativ dazu kann der teilerstarrte Strang in der Tertiärkühlzone um seine eigene
Achse abwechselnd im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn gedreht werden. Durch
die Richtungsumkehr wird eine besonders innige Vermischung im Inneren des Strangs
sichergestellt.
[0027] Damit der gegossene Strang möglichst schnell eine tragfähige Schale erhält und dadurch
die Länge der Sekundärkühlung möglichst kurz gehalten werden kann, ist es vorteilhaft,
wenn der Strang einen runden Querschnitt hat. Ein ähnlicher Effekt kann auch bei einem
Strang mit einem dreirunden, vierrunden etc. Querschnitt erzielt werden.
[0028] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung nach Anspruch
10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
[0029] Die erfindungsgemäße Stranggießmaschine umfasst
- eine Einrichtung zum Ausziehen eines Strangs aus einer Durchlaufkokille und eine Einrichtung
zum Ausfördern des Strangs aus der Stranggießmaschine,
- die gekühlte Durchlaufkokille zur Primärkühlung des Strangs, nachfolgend
- eine Strangführung zum Stützen und Führen des Strangs mit einer Sekundärkühlzone,
typischerweise umfassend mehrere Kühldüsen, zum Abkühlen des Strangs, und wiederum
nachfolgend
- eine Tertiärkühlzone zum weiteren Abkühlen des Strangs, dadurch gekennzeichnet,
dass die Tertiärkühlzone eine statisch voreinstellbare oder eine dynamisch gesteuert
oder geregelt einstellbare Wärmeisolation zum gesteuerten oder geregelten Abkühlen
des teilerstarrten Strangs aufweist.
[0030] Anstelle der statisch voreinstellbaren oder dynamisch (d.h. während des Betriebs)
gesteuert oder geregelt einstellbaren Wärmeisolation in der Tertiärkühlzone kann die
erfindungsgemäße Stranggießmaschine auch eine, vorzugsweise induktive, insbesondere
in der Auszugsrichtung verfahrbare, Heizeinrichtung aufweisen.
[0031] Durch die Heizvorrichtung kann die Mantelfläche des Strangs aufgeheizt werden, wodurch
die Abkühlung (und dadurch die Gefügeausbildung) im Zentrumsbereich des teilerstarrten
Strangs in der Tertiärkühlzone der Stranggießmaschine sehr genau eingestellt werden
kann.
[0032] Um die langsame Abkühlung des teilerstarrten Strangs bei einem niedrigen Energieverbrauch
für die Heizvorrichtung zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die Tertiärkühlzone
eine, insbesondere statisch einstellbare oder eine dynamisch gesteuert oder geregelt
einstellbare, Wärmeisolation aufweist.
[0033] Zweckmäßig ist es, wenn die Durchlaufkokille, die Sekundär- und die Tertiärkühlzone
in einer Reihe (sog. in-line) angeordnet sind.
[0034] Die Produktivität der semi-kontinuierlichen Stranggießmaschine wird wesentlich erhöht,
wenn die Stranggießmaschine mehrere, quer zur Auszugsrichtung der Stranggießmaschine,
versetzte Tertiärkühlzonen aufweist, wobei der Maschinenkopf der Stranggießmaschine,
umfassend die Durchlaufkokille und vorzugsweise die Sekundärkühlzone, mit einer Tertiärkühlzone
verbindbar und trennbar sind und zumindest der Maschinenkopf quer zur Auszugsrichtung
verfahrbar ist. Wie oben beschrieben, kann ein einziger Maschinenkopf mehrere Tertiärkühlzonen
bedienen, sodass ein hoher Durchsatz trotz der langsamen Abkühlung der teilerstarrten
Stränge erreicht wird.
[0035] Vorzugsweise wird der Maschinenkopf zu einer weiteren Tertiärkühlzone verfahren,
währenddessen der Strang stationär ist. Dadurch wird die gesteuert oder geregelte,
langsame Abkühlung im Zentrumsbereich des Strangs nicht gestört. Alternativ dazu kann
aber auch der Strang, ggf. mit der Tertiärkühlung, vom Maschinenkopf weggefahren werden.
[0036] Bei der Verstellung der Wärmeisolation ist es vorteilhaft, wenn die verstellbare
Wärmeisolation zumindest ein - vorteilhafterweise mehrere - Isolationspanel (auch
Lamelle genannt) aufweist, dass in der Auszugsrichtung der Stranggießmaschine verlagerbar
oder zur Auszugsrichtung schwenkbar ist. Dadurch kann die Abkühlgeschwindigkeit des
teilerstarrten Strangs passiv, d.h. ohne zusätzlichen Energieeintrag, eingestellt
werden.
[0037] Mehrere Stränge mit kleinem Format können gleichzeitig erzeugt werden, wenn der Maschinenkopf
der Stranggießmaschine mehrere gekühlte Durchlaufkokillen und mehrere dahinter angeordnete
Strangführungen mit Sekundärkühlzonen aufweist.
[0038] Eine einfache und robuste Stranggießmaschine weist einen Strangabzugswagen zum Ausziehen
des Strangs auf, wobei der Strangabzugswagen in Auszugsrichtung, beispielsweise durch
Spindel-, Zahnstangen- oder Zylinderantriebe, verfahrbar ist. Dabei stützt sich der
Stranganfang über den Kaltstrang auf dem Strangabzugswagen ab.
[0039] Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stranggießmaschine ist der Strangabzugswagen
mit dem Maschinenkopf verbunden, wobei der Strangabzugswagen mit dem Maschinenkopf
quer zur Auszugsrichtung verfahrbar ist. Dabei wird der gegossene Strang nach dem
Gießende z.B. auf einem Podest auf dem Hallenboden abgestellt und der Maschinenkopf
mit dem Strangabzugswagen zur einer anderen Tertiärkühlung verfahren. Die langsame
Abkühlung des abgestellten Strangs kann z.B. durch eine über den Strang gestülpte
Thermohaube sichergestellt werden.
[0040] Alternativ dazu wäre es auch möglich, dass der Maschinenkopf stationär ist und der
gegossene Strang quer zur Auszugsrichtung verfahrbar ist. Hier wird der gegossene
Strang z.B. auf einem Podest abgestellt, wobei das Podest samt dem Strang zu einer
weiteren Tertiärkühlzone verfahren werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0041] Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele, wobei die Figuren zeigen:
Fig 1 mit den Teilfiguren 1a...1f zeigen schematisch die Verfahrensschritte beim semi-kontinuierlichen
Stranggießen eines Vorblocks aus Stahl.
Fig 2a und 2b zeigen zwei alternative Ausführungsformen einer Tertiärkühlung für das
semi-kontinuierlichen Stranggießen eines Vorblocks aus Stahl.
Fig 3 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Heizaggregats zum Erwärmen eines Vorblocks
in einer Tertiärkühlung.
Fig 4 zeigt die Temperaturen bei der Abkühlung des Strangs 1 in der Tertiärkühlzone
5.
Fig 5 zeigt die Temperaturverläufe über der Zeit zu Fig 4.
Fig 6a und 6b zeigen eine erfindungsgemäße Stranggießmaschine in einem Auf- und einem
Kreuzriss.
Fig 7 zeigt einen Maschinenkopf einer erfindungsgemäßen Stranggießmaschine in zwei
Rissen.
Fig 8a, 8b zeigen schematisch das Ausfördern eines durcherstarrten Strangs aus einer
Tertiärkühlzone.
Beschreibung der Ausführungsformen
[0042] In den Fig 1a...1f sind die Verfahrensschritte beim semi-kontinuierlichen Stranggießen
eines Strangs 1 in einer Stranggießmaschine gezeigt.
[0043] In Fig 1a wird aus einem nicht extra dargestellten Pfannenverteiler flüssiger Stahl
über ein Tauchrohr in eine gekühlte Durchlaufkokille 2 gegossen, wobei beim Gießstart
der Stranggießmaschine die Durchlaufkokille 2 durch den Kaltstrang 6 fluiddicht verschlossen
ist, sodass sich in der Kokille ein Gießspiegel M (auch Meniskus genannt) einstellt.
Durch das Verbinden des flüssigen Stahls mit dem Kopf des Kaltstrangs 6 bildet sich
ein durcherstarrter Stranganfang 1a (siehe Fig 1c) aus. Durch die Primärkühlung der
gekühlten Durchlaufkokille 2 ist der dem durcherstarrten Stranganfang 1a entgegen
der Auszugsrichtung A nachfolgende teilerstarrte Strang 1b nicht durcherstarrt, sondern
weist lediglich eine dünne Strangschale und einen flüssigen Kern auf. Um den Gießspiegel
M in der Kokille 2 trotz des über das Tauchrohr nachströmenden flüssigen Stahls in
etwa konstant zu halten, wird der Strang 1 aus der Kokille 2 ausgezogen. Dazu weist
die Stranggießmaschine einen Strangabzugswagen 11 auf, der den Kaltstrang 6 selbst,
eine Gewindespindel 12, eine Gewindemutter 13 und einen Motor 14 zum Verfahren des
Strangabzugswagens 11 in die Auszugsrichtung A umfasst. Der Motor 14 ist über ein
Getriebe und die Gewindespindel 12 mit der Gewindemutter 13 verbunden und weist einen
Durchtrieb für die Gewindespindel 12 auf.
[0044] In Fig 1b wurde der Strang 1 bereits weiter aus der Durchlaufkokille 2 ausgezogen,
wobei der Strang 1 in der der Kokille 2 nachfolgenden Strangführung 3 durch mehrere
Strangführungsrollen 3a gestützt, geführt und durch mehrere Kühldüsen 4a in der Sekundärkühlung
4 abgekühlt wird. Dabei bildet der Strang 1 eine tragfähige Strangschale aus, die
dem ferrostatischen Druck standhalten kann. Somit wird ein Durchbruch des Strangs
1 verhindert.
[0045] In Fig 1c hat der Stranganfang 1a bereits die Sekundärkühlung 3 der Stranggießmaschine
passiert und ist in die Tertiärkühlzone 5 eingetreten. In der Tertiärkühlzone 5 wird
der Strang 1 weiter langsam gesteuert oder geregelt abgekühlt, sodass im Zentrum des
teilerstarrten Strangs 1b die Durcherstarrung mit einer nach oben orientierten Richtung
erfolgt. Dadurch bildet sich entweder ein globulares bzw. zumindest ein dendritisches,
die Fadenporosität vermeidendes, Gefüge aus. Um das zu rasche Abkühlen des teilerstarrten
Strangs 1b zu verhindern, weist die Tertiärkühlzone 5 eine Wärmeisolierung 9 und eine
in Fig 1f dargestellte Heizeinrichtung 7 auf. In der Fig 2a ist ein Beispiel einer
Wärmeisolierung 9 für eine Tertiärkühlung gezeigt, wobei die Atmosphäre zwischen dem
Strang 1 und der Wärmehaube 9 durch eine Vakuumpumpe (hier eine Strahlpumpe 15) evakuiert
wird. Hierzu wird ein Druckanschluss der Strahlpumpe 15 mit einem Druckluftnetz und
der Sauganschluss der Strahlpumpe 15 mit dem Raum innerhalb der Wärmeisolierung 9
verbunden. Durch diese Maßnahme wird zudem auch eine Oxidation, d.h. Verzunderung,
des Strangs 1 verhindert; außerdem wird durch die Vakuumbehandlung die noch nicht
durcherstarrte Schmelze im Strang entgast. Die Wärmeisolation 9 weist mehrere Isolationspanele
9a auf, die unabhängig voneinander geschlossen (Öffnungswinkel 0°), geöffnet (Öffnungswinkel
90°)oder teilweise geöffnet (90° > Öffnungswinkel > 0°) werden können.
[0046] In Fig 1d wurde das Gießen in der Stranggießmaschine beendet, sodass sich ein Strangende
1c ausbildet. Durch das Ausziehen des Strangendes 1c aus der Kokille 2, liegt der
Gießspiegel M unterhalb des strichliert dargestellten Gießspiegels gemäß den Verfahrensschritten
1a-1c.
[0047] Die Fig 1e zeigt die Situation nachdem das Strangende 1c des Strangs 1 die Sekundärkühlzone
3 passiert hat, die Sekundärkühlung beendet wurde und das Strangende 1c bündig mit
dem oberen Ende der Tertiärkühlzone 5 abschließt. In der Tertiärkühlzone 5 wird die
langsame, gesteuert oder geregelte Abkühlung des teilerstarrten Strangs 1b durch die
Wärmeisolation 9 und die Erwärmung des Strangs durch die in der Auszugsrichtung A
verfahrbare Heizeinrichtung 7 sichergestellt (siehe Fig 1f). Nach dem Trennen und
Abheben des Maschinenkopfs, umfassend die Durchlaufkokille 2, die Strangführung 3
und die Sekundärkühlung 4, von der Tertiärkühlung 5, wird das Strangende 1c durch
eine induktive Kopfheizung 10 erwärmt, sodass eine zu rasche Abkühlung des Strangendes
1c verhindert wird.
[0048] Gemäß den Figuren 1a...1f wurde ein runder Stahlstrang 1 mit einem Durchmesser von
1200 mm und einer Länge von 10 m produziert. Die Auszugsgeschwindigkeit des Strangs
1 aus der Durchlaufkokille 2 beträgt 0,25 m/min. Durch die Wärmeisolation 9 und das
Wiedererwärmen des Strangs 1 durch die verfahrbare Heizeinrichtung 7 wird die vollständige
Durcherstarrung des Strangs 1 erst nach 13 h erreicht. Das Vergießen des Strangs -
ohne dem langsamen Abkühlen des Strangs in der Tertiärkühlzone 5 - wurde aber bereits
nach 46 min beendet. Da das Vergießen im Gegensatz zur langsamen Durcherstarrung rasch
beendet ist, ist es zur Erhöhung des Durchsatzes des semi-kontinuierlichen Stranggießverfahrens
vorteilhaft, wenn der in Fig 1f nicht mehr dargestellte Maschinenkopf von der Tertiärkühlzone
5 getrennt und quer zur Auszugsrichtung A zu einer weiteren Tertiärkühlzone 5 verfahren
wird. Dort kann ein neuer Strang vergossen werden, währenddessen der in Fig 1f dargestellte
Strang 1 weiter langsam abgekühlt wird. Nach dem langsamen Abkühlen des Strangs 1
bis zu dessen vollständiger Durcherstarrung wird der Strang aus der Stranggießmaschine
ausgefördert, bspw. durch eine Vorrichtung gem. den Fig 8a und 8b.
[0049] In der Fig 2a ist eine erste alternative Ausführungsform der Tertiärkühlzone 5 von
Fig 1 dargestellt. Dabei wird der Raum zwischen dem Strang 1 und der Wärmeisolierung
9 durch eine Strahlpumpe 15 evakuiert, wodurch eine gute Wärmeisolation und eine langsame
Abkühlung erreicht wird. Außerdem wird die Oberfläche des Strangs 1 vor Verzunderung
geschützt und die Restschmelze entgast. Die Strahlpumpe ist einfach und verschleißfrei;
dessen Druckanschluss wird mit einem Druckluftanschluss P und dessen Sauganschluss
mit dem zu evakuierenden Raum innerhalb der Tertiärkühlzone verbunden. Das Abblasen
kann gegen Umgebungsdruck U erfolgen. Die induktive Kopfheizung 10 ist gegenüber einer
Plasmaheizung vorteilhaft, da das magnetische Feld auch durch die Wärmisolierung des
Strangendes 1c wirkt.
[0050] Die Fig 2b zeigt eine zweite Alternative der Tertiärkühlzone 5 von Fig 1. Dabei sind
die Isolationslamellen 9a der Wärmeisolierung 9 zur Auszugsrichtung verschwenkbar,
sodass der Luftwechsel zwischen der Umgebungsluft und dem Strang 1 im Inneren der
Tertiärkühlzone 9 einstellbar ist. Lediglich zur Illustration der Funktion der Isolationslamellen
9a wurden die Isolationslamellen 9a auf der rechten Seite des Strangs 1 geschlossen
und auf der linken Seite um 10° zur Auszugsrichtung A geöffnet dargestellt. Die Verstellung
der Lamellen 9a kann entweder manuell oder durch Aktoren erfolgen.
[0051] Die Fig 3 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf des Verfahrwegs s der induktiven
Heizvorrichtung 7 zum Wiedererwärmen der Mantelfläche des Strangs 1. Hierbei ist die
Heizvorrichtung 7 im oberen Bereich des Strangs 1 durchgezogen und im unteren Bereich
strichliert dargestellt. Da sich die Erstarrungsfront während der Abkühlung von unten
nach oben (d.h. vom Stranganfang 1a zum Strangende 1c) verschiebt, verringert sich
auch der Verfahrweg s der Heizvorrichtung 7 über der Zeit. Alternativ zu einer verfahrbaren
Heizvorrichtung 7 könnten auch mehrere, in Auszugsrichtung A verteilt über die Länge
der Tertiärkühlzone 5 angeordnete Heizeinrichtungen (z.B. Brenner) verwendet werden.
[0052] Die Fig 4 zeigt die Temperaturen in °C des gemäß Fig 1 erzeugten Strangs 1 in einer
Schnittdarstellung 3h nach Gießstart (Teilfigur 1), 8,3h nach Gießstart (Teilfigur
2) und bei Durcherstarrung des Strangs 1, ca. 13h nach Gießstart (Teilfigur 3). Der
zeitliche Verlauf der Temperaturen des Strangs 1 an unterschiedlichen Positionen an
der Oberfläche und im Zentrum des Strangs sind in Fig 5 dargestellt. Daraus geht hervor,
dass das Vergießen des Strangs und damit auch die Primär- und die Sekundärkühlung
46 min nach dem Gießstart beendet wird und anschließend der Strang 1 lediglich durch
die Tertiärkühlung 5 kontrolliert abgekühlt wird.
[0053] In den Figuren 6a, 6b ist eine erfindungsgemäße VertikalStranggießmaschine in zwei
Ansichten dargestellt. Der flüssige Stahl wird von einer Pfanne 30 über ein Schattenrohr
in den Gießverteiler 31 gegossen, anschließend strömt die Schmelze über ein nicht
dargestelltes Tauchrohr (
SEN) in die Durchlaufkokille 2 ein. Durch die Primärkühlung in der Kokille 2 bildet sich
ein teilerstarrter Strang 1 mit einer tragfähigen Strangschale aus. In der Kokille
2 wird die Schmelze durch eine optionale Rühreinrichtung 32 noch weiter beeinflusst.
Der Strang 1 wird in der Strangführung 3 gestützt, geführt und in der Sekundärkühlzone
4 weiter abgekühlt. Zumindest die Durchlaufkokille 2, die Rührspule 32, die Strangführung
3 mit der Sekundärkühlzone 4, und optional auch die Tertiärkühlzone 5, sind auf einem
Gießwagen 33 auf der Gießbühne G verfahrbar. Der Strang 1 mit dem Kaltstrang 6 wird
über den Strangabzugswagen 11 aus der Durchlaufkokille 2 ausgezogen. Dazu wird der
Strangabzugswagen 11 über vier Gewindespindeln 12 angetrieben und durch zusätzliche
Führungsschienen 34 geführt, wobei ein Motor über ein Getriebe und die Gewindespindel
12 mit der Gewindemutter 13 verbunden ist. Nachdem der Gießvorgang beendet und der
Strang 1 auf dem Amboss 40 abgestellt worden ist, kann der Gießwagen 33 quer zur Auszugsrichtung
A zu einer weiteren Gießstation verfahren werden, da das Gießen des teilerstarrten
Strangs, d.h. ohne der Tertiärkühlung des Strangs 1, wesentlich weniger Zeit benötigt
als die Tertiärkühlung des Strangs 1 bis zu dessen Durcherstarrung. In der Tertiärkühlzone
5 wird der Strang 1 durch die Wärmeisolierung 9 und ggf. durch eine hier nicht dargestellte
Heizeinrichtung langsam abgekühlt, sodass die Erstarrung im Zentrum des Strangs mit
einer nach oben orientierten Erstarrungsfront erfolgt.
[0054] Eine detailliertere Darstellung des Maschinenkopfes der Stranggießmaschine aus den
Fig 6a, 6b ist in Fig 7 dargestellt.
[0055] Die Fig 8a, 8b zeigen schematisch eine Ausführungsform für das Ausfördern des durcherstarrten
Strangs 1 aus der Tertiärkühlzone. Der Strang 1 wird durch zwei Bügel 38 seitlich
gestützt, sodass auf der Stranggießmaschine auch stark unterschiedliche Durchmesser
(siehe Grundriss von Fig 8a) vergossen werden können. In Fig 8a ist der Strang 1 gegenüber
der Vertikalen bereits ausgeschwenkt worden und liegt an den Bügeln 38 auf. In Fig
8b wird der Strang 1 über den Schwenkantrieb 39 auf einen Rollgang 37 abgelegt, wo
er in Pfeilrichtung entnommen werden kann.
[0056] Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert
und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele
eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden,
ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
[0057]
- 1
- Strang
- 1a
- Stranganfang
- 1b
- teilerstarrter Strang
- 1c
- Strangende
- 2
- Durchlaufkokille, Primärkühlung
- 3
- Strangführung
- 3a
- Strangführungsrollen
- 4
- Sekundärkühlung, Sekundärkühlzone
- 4a
- Kühldüse
- 5
- Tertiärkühlung, Tertiärkühlzone
- 6
- Kaltstrang
- 7
- Heizvorrichtung
- 9
- Wärmeisolation
- 9a
- Isolationspanel
- 10
- Kopfheizung
- 11
- Strangabzugswagen
- 12
- Gewindespindel
- 13
- Gewindemutter
- 14
- Motor
- 15
- Strahlpumpe
- 30, 30'
- Pfanne
- 31
- Gießverteiler
- 32
- Rührspule
- 33
- Gießwagen
- 34
- Führungsschiene
- 35
- Oszilliereinrichtung
- 36
- Wasserabstreifer
- 37
- Rollgang
- 38
- Bügel
- 39
- Schwenkantrieb
- 40
- Amboss
- A
- Auszugsrichtung
- G
- Gießbühne
- M
- Gießspiegel
- P
- Druck in einem Druckluftnetz
- S
- Verfahrweg
- U
- Umgebungsdruck
1. Verfahren zum semi-kontinuierlichen Stranggießen eines Strangs (1), vorzugsweise eines
Vorblocks, aus Stahl in einer Stranggießmaschine, wobei die Stranggießmaschine
- eine gekühlte Durchlaufkokille (2) zur Primärkühlung des Strangs (1), nachfolgend
- eine Strangführung (3) zum Stützen und Führen des Strangs (1) mit einer Sekundärkühlung
(4) zum Abkühlen des Strangs (1), und wiederum nachfolgend
- eine Tertiärkühlung (5) zum weiteren Abkühlen des Strangs (1)
aufweist, umfassend die Verfahrensschritte:
- Gießstart der Stranggießmaschine, wobei flüssiger Stahl in die durch einen Kaltstrang
(6) verschlossene Durchlaufkokille (2) gegossen wird und der flüssige Stahl mit dem
Kaltstrang einen durcherstarrten Stranganfang (1a) und nachfolgend einen teilerstarrten
Strang (1b) ausbildet;
- Ausziehen des teilerstarrten Strangs (1b) aus der Durchlaufkokille (2);
- Stützen und Führen des teilerstarrten Strangs (1b) in der Strangführung (3), wobei
der teilerstarrte Strang (1b) durch die Sekundärkühlung (4) abgekühlt wird;
- Gießende der Stranggießmaschine, wobei das Vergießen von flüssigem Stahl in die
Durchlaufkokille (2) beendet wird und sich ein Strangende (1c) ausbildet;
- Ausziehen des Strangendes (1c) aus der Durchlaufkokille (2);
- Beenden des Ausziehens, sodass das Strangende (1c) außerhalb der Durchlaufkokille
(2) liegt;
- Beenden der Sekundärkühlung (4);
- gesteuertes oder geregeltes Abkühlen des teilerstarrten Strangs (1b) bis zur Durcherstarrung
des Strangs (1) in der Tertiärkühlzone (5) der Stranggießmaschine, wobei das Abkühlen
am Stranganfang (1a) stärker und zum Strangende (1c) hin abnehmend erfolgt;
- Ausfördern des Strangs (1) aus der Stranggießmaschine.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des teilerstarrten Strangs (1b) in der Tertiärkühlzone (5) durch die
Beeinflussung zumindest eines aus der Gruppe:
- Wärmeisolation des Strangs (1, 1b),
- Heizung des Strangs (1, 1b),
- Oberflächenkühlung des Strangs (1, 1b) eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der teilerstarrte Strang (1b) in der Tertiärkühlzone (5) durch eine Heizvorrichtung
(7) aufgeheizt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das die Heizvorrichtung (7) in die Auszugsrichtung (A) der Stranggießmaschine verfahrbar
ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der teilerstarrte Strang (1b) in der Tertiärkühlzone (5) durch eine Wärmeisolation
(9) vor zu rascher Abkühlung geschützt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationswirkung der Wärmeisolation (9) eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strangende (1c) durch eine Kopfheizung (10) erwärmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des teilerstarrten Strangs (1b) durch eine Kühlvorrichtung (4a) in
der Tertiärkühlzone (5) abgekühlt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der teilerstarrte Strang (1b) in der Tertiärkühlzone (5) durch eine stationäre oder
in der Auszugsrichtung (A) verfahrbaren Rührspule (32) gerührt wird oder der teilerstarrte
Strang (1b) um seine eigene Achse in der Tertiärkühlzone (5) abwechselnd im Uhrzeigersinn
und gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird.
10. Stranggießmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis
9 mit
- einer Einrichtung zum Ausziehen eines Strangs (1) aus einer Durchlaufkokille (2)
und einer Einrichtung (37, 38, 39) zum Ausfördern des Strangs (1) aus der Stranggießmaschine,
- der gekühlten Durchlaufkokille (2) zur Primärkühlung des Strangs (1), nachfolgend
- einer Strangführung (3) zum Stützen und Führen des Strangs (1) mit einer Sekundärkühlzone
(4) zum Abkühlen des Strangs (1), und wiederum nachfolgend
- einer Tertiärkühlzone (5) zum weiteren Abkühlen des Strangs (1), dadurch gekennzeichnet,
dass die Tertiärkühlzone (5) eine statisch voreinstellbare oder eine dynamisch gesteuert
oder geregelt einstellbare Wärmeisolation (9) zum gesteuerten oder geregelten Abkühlen
des teilerstarrten Strangs (1b) aufweist.
11. Stranggießmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Tertiärkühlzone (5) eine, insbesondere in die Auszugsrichtung (A) der Stranggießmaschine
verfahrbare, Heizvorrichtung (7) aufweist.
12. Stranggießmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 11, gekennzeichnet durch mehrere, quer zur Auszugsrichtung (A) der Stranggießmaschine, versetzte Tertiärkühlzonen
(5), wobei der Maschinenkopf der Stranggießmaschine, umfassend die Durchlaufkokille
(2) und vorzugsweise die Sekundärkühlzone (4), mit einer Tertiärkühlzone (5) verbindbar
und trennbar sind.
13. Stranggießmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Tertiärkühlzonen (5) bogenförmig, vorzugsweise kreisförmig, oder linear hintereinanderliegend
angeordnet sind.
14. Stranggießmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Wärmeisolation (9) zumindest ein Isolationspanel (9a) aufweist,
dass in Auszugsrichtung (A) verlagerbar oder zur Auszugsrichtung (A) verschwenkbar
ist.
15. Stranggießmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stranggießmaschine einen Strangabzugswagen (11) zum Ausziehen des Strangs (1)
aufweist, wobei der Strangabzugswagen (11) in Auszugsrichtung (A) verfahrbar ist.
16. Stranggießmaschine nach Anspruch 11 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Strangabzugswagen (11) mit dem Maschinenkopf verbunden ist und beide quer zur
Auszugsrichtung (A) verfahrbar sind.
17. Stranggießmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Maschinenkopf stationär ist und der Strang (1) quer zur Auszugsrichtung (A) verfahrbar
ist.