TAUCHROHRKÜHLUNG SOWIE VERFAHREN ZUM BETRIEB EINER TAUCHROHRKÜHLUNG

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Tauchrohrkühlung (1) und ein Verfahren zum Betrieb einer Tauchrohrkühlung (1) zur Absenkung der Gießtemperatur einer Schmelze (A) bei Stranggießanlagen, umfassend einen, ein nicht beanspruchtes Tauchrohr (2) in axialer Richtung zumindest abschnittsweise umschließenden, Behälter (3), wobei zwischen dem Behälter (3) und dem Tauchrohr (2) ein Kanal (4) ausgebildet wird, wobei der Behälter (3) an einem ersten Ende mit einem Fluideinlass (3.1) und an einem zweiten Ende mit einem Fluidauslass (3.2) zur Kühlung der in dem Tauchrohr (2) beförderten Schmelze (A) ausgebildet ist.

Beschreibung

Gebiet:

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tauchrohrkühlung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Tauchrohrkühlung mit hohen Durchsätzen beziehungsweise Gießgeschwindigkeiten, dünnen Abmessungen und / oder bei Gießwalzanlagen.

Stand der Technik:

[0002] Bei bestimmten Stranggießanlagen, beispielsweise bei Stranggießanlagen mit großen Pfannen, gelangt wegen der notwendigen Überhitzung der Schmelze die Schmelze beim Angießen zu heiß in die Kokille. Zum Gießende steigt das Oberflächen-Volumenverhältnis der Schmelze in der Pfanne zu Gunsten der Oberfläche an. Dies führt zu einer beschleunigten Auskühlung der Schmelze. Mit sinkendem Spiegel der Schmelze in der Pfanne nähert sich die Temperatur der Schmelze der idealen Gießtemperatur an.

[0003] Im Folgenden definiert der Begriff Schmelze im Wesentlichen Stahlschmelzen, wobei sowohl das Verfahren als auch die Vorrichtung grundsätzlich auch zur Absenkung der Gießtemperatur von Nichteisenmetallschmelzen geeignet sind.

[0004] Aus dem Stand der Technik sind Tauchrohrkühlungen und Verfahren zum Betreiben einer Tauchrohrkühlung bekannt, deren Funktion darin besteht, die Gießtemperatur der Schmelzen zu senken, um einen gewünschten Grad an Feststoffanteilen, bspw. Keime zur Kristallisation bei der Erstarrung, in der Schmelze aufzuweisen, bevor die Schmelze in die Kokille eingefüllt wird.

[0005] So offenbart die WO 2011/117296 A1 ein Verfahren zum Vergießen einer Schmelze und ein dafür geeignetes Tauchrohr für eine Stranggießanlage. Ziel der WO 2022/117296 A1 ist es, ein Verfahren und ein Tauchrohr zu schaffen, mit denen ein Gießprodukt mit einem homogenen, feinen Gefüge und einem geringen Seigerungsanteil erhalten werden kann.

[0006] Dazu wird die aus einer Pfanne fließende Schmelze in dem Tauchrohr abgekühlt, sodass die Schmelze beim Verlassen des Tauchrohrs den gewünschten Feststoffanteil aufweist. Die Abkühlung der Schmelze erfolgt mittels Wärmerohren oder eines Thermosiphons, die an das Tauchrohr angebunden sind.

[0007] Es wird zwischen zwei Bauformen von Wärmerohren unterschieden: Der Heatpipe und dem Zwei-Phasen-Thermosiphon. Das grundlegende Funktionsprinzip ist bei beiden Bauformen gleich. Der Rücktransport des Fluids erfolgt bei beiden Bauformen passiv und damit ohne Hilfsmittel wie etwa einer Umwälzpumpe. Heatpipes oder Thermosiphons bestehen normalerweise aus hermetisch verschlossenen Rohren oder einer anderen geschlossenen Struktur.

[0008] Ein erstes Ende des Tauchrohres steht im Kontakt mit der Wärmequelle, wodurch das flüssige Fluid im Kontaktbereich mit der Außenwandung des Tauchrohrs verdampft wird. Der Dampf strömt durch das Tauchrohr zum zweiten Ende des Tauchrohres der Vertikalen um einen spitzen Winkel geneigte Anordnung des Tauchrohres oder durch Ausnutzung des Kapillaren-Effekts zurück an das mit der Wärmequelle in Kontakt stehende Ende transportiert.

[0009] Nachteilig bei der in der WO 2011/117296 A1 vorgeschlagenen Tauchrohrkühlung ist jedoch, dass die Verwendung von Wärmerohren oder eines Thermosiphons aufwändig ist und diese nur eine kleine Oberfläche des Tauchrohres abkühlen. Mithin ist eine effiziente Kühlung nur bei einem begrenzten Volumenstrom an Schmelze möglich. Um eine flächige Abkühlung des Tauchrohres zu erzielen, sind eine Vielzahl von Wärmerohren oder Thermosiphonen nötig. Darüber hinaus ist von Nachteil, dass eine Einstellung der abgeführten Wärme nicht oder kaum möglich ist und die Kühlung passiv erfolgt. Mithin ist es mit dem Verfahren und der Vorrichtung nicht möglich, die Schmelze am Auslass des Tauchrohres auf eine spezifische und gleichbleibende Temperatur zu kühlen, bei sich verändernder Temperatur der Schmelze am Einlass des Tauchrohres. Darüber hinaus ist ein Betreiben der Vorrichtung nur mit einem flüssigen Kühlmittel möglich.

Aufgabe der Erfindung:

[0010] Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die zum Gießbeginn vorherrschende hohe Temperatur der Schmelze durch eine einfache Gas- oder Wasserkühlung des Tauchrohrs möglichst schnell zu reduzieren und eine konstante Temperatur der Schmelze beim Gießvorgang in die Kokille zu erzielen. Darüber hinaus soll eine benutzerfreundliche und konstruktiv einfach gestaltete Tauchrohrkühlung geschaffen werden.

Erfindung:

[0011] Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie mit den nebengeordneten Ansprüchen 14, 15 und 16. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren.

[0012] Die erfindungsgemäße Tauchrohrkühlung zur Absenkung der Gießtemperatur einer Schmelze bei Stranggießanlagen umfasst einen, ein nicht beanspruchtes Tauchrohr in axialer Richtung zumindest abschnittsweise umschließenden, Behälter, wobei zwischen dem Behälter und dem Tauchrohr ein Kanal ausgebildet wird, wobei der Behälter an einem ersten Ende mit einem Fluideinlass und an einem zweiten Ende mit einem Fluidauslass zur Kühlung der in dem Tauchrohr beförderten Schmelze ausgebildet ist.

[0013] Die im Folgenden verwendeten Zahlenwörter ("erste", "zweite", ...) dienen vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen und geben insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vor. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung.

[0014] Die Erfindung bietet gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch die großflächige Kühlung, mittels des das Tauchrohr umgebenden und mit dem Fluid durchströmten Behälters, eine große Wärmemenge abgeführt werden kann. Infolge dessen kann der Volumenstrom der Schmelze und mithin die Gießgeschwindigkeit erhöht werden. Darüber hinaus bietet die Erfindung den Vorteil, dass mit der vorgeschlagenen Tauchrohrkühlung eine konstruktiv einfache Vorrichtung geschaffen wird.

[0015] Vorteilhafte Ausführungen der Tauchrohrkühlung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 13 dargestellt.

[0016] Vorzugsweise wird der Behälter aus zumindest zwei miteinander verbundenen Schalen gebildet. Die zumindest zwei Schalen sind so definiert, dass diese das Tauchrohr jeweils in Umfangsrichtung abschnittsweise umgeben. Bei gemeinsamer Betrachtung umgeben die beiden Schalen das Tauchrohr zu 360°, wobei der jeweilige Umfangsabschnitt der Schalen größer oder kleiner als 180° sein kann. Ferner ist auch eine Aufteilung auf mehr als zwei Schalen denkbar, die das Tauchrohr ebenfalls in Umfangsrichtung in Kombination vollständig umgeben.

[0017] Vorzugsweise besteht zumindest eine der Schalen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Aluminium bzw. dessen Legierungen sind gute Wärmeleiter, so dass auch über die Außenoberfläche der Tauchrohrkühlung Wärmeenergie von dem Fluid, an das Metall und wiederum vom Metall an die Außenluft abgegeben werden kann. Die Verwendung von Aluminium oder einem anderen gut wärmeleitenden Metall erhöht somit die Kühlleistung der Tauchrohrkühlung. Wesentlich ist es, dass die Dimensionierung der Schalen und der Fluidmengen an die jeweiligen Gießbedingungen angepasst werden, um die bestmögliche Abkühlung zu erzielen.

[0018] In einer zu den Schalen alternativen Ausführungsform des Behälters, ist der Behälter als Kühlmanschette ausgebildet. Die zweite Ausführungsform des Behälters unterscheidet sich von der Ausführungsform des Behälters aus zumindest zwei Schalen zunächst dadurch, dass die Tauchrohrkühlung aus einer rohrförmigen Kühlmanschette gebildet wird, die das Tauchrohr ebenfalls umgibt und einen Kanal zwischen sich und dem Tauchrohr ausbildet. Wie auch die Schalen, besteht auch die Kühlmanschette selbst aus einem gut wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder aus einer Kupferlegierung.

[0019] Gemäß der zweiten Ausführungsform ist der aus der Kühlmanschette gebildete Behälter an seinen beiden axialen Enden luft- und/oder flüssigkeitsdicht, wobei der Behälter an dem einen Ende den Fluideinlass und an dem gegenüberliegenden anderen Ende den Fluidauslass aufweist. Mit anderen Worten ist der Behälter gemäß der zweiten Ausführungsform vollständig geschlossen, weist jedoch an seinem einen Ende, bei Betrachtung in axialer Richtung, ausgehend von der Fließrichtung des Tauchrohres, einen Fluideinlass sowie an einem gegenüberliegendem Ende einen Fluidauslass auf. Der Fluideinlass und Fluidauslass können auch anders, in physikalisch günstiger zueinander gelegener Position an dem Behälter angeordnet werden. Da die Kühlmanschette an beiden axialen Enden geschlossen ist, ist eine Spannvorrichtung nicht notwendig, da sie über die geschlossenen Enden an dem Tauchrohr angeordnet ist.

[0020] Abhängig vom Fluid ist zu beachten, dass ein Fluid beim Kühlprozess innerhalb der Tauchrohrkühlung zum Teil verdampfen kann. Um den Gasvolumenanteil in dem Kanal, gebildet durch den Zwischenraum von Tauchrohr und dem dieses zum Teil umschließenden Behälters möglichst gering und somit eine konstante Kühlleistung beizubehalten, ist es technisch vorteilhaft, wenn der Fluideinlass möglichst weit unten in die Tauchrohrkühlung und der Fluidauslass möglichst weit oben aus der Tauchrohrkühlung erfolgt. Durch diese Anordnung des Fluideinlasses und des Fluidauslasses ist ein Abtransport der entstehenden Gasphase innerhalb der Tauchrohrkühlung fortwährend gewährleistet. Bei einer Kühlung durch Gas ist eine Phasenbildung nicht zu erwarten, so dass die Anordnung des Fluideinlasses und des Fluidauslasses aus physikalischer Sicht mehrere Optionen geboten sind.

[0021] Vorzugsweise ist in einer der Schalen radial innenseitig ein Turbulenzerzeuger angeordnet. Der Turbulenzerzeuger sorgt für eine Verwirbelung des durch den Behälter und an dem Tauchrohr entlang streifenden Fluids. Die Verwirbelung sorgt für eine gesteigerte Kühlwirkung und somit zu einem erhöhten Wirkungsgrad der Tauchrohrkühlung.

[0022] Vorzugsweise weisen zwei benachbarte Schalen im Bereich eines ersten Kontaktbereichs zueinander ein Scharnier und im Bereich eines zweiten Kontaktbereichs eine form- oder kraftschlüssige Verbindungsmöglichkeit auf, bevorzugt eine Verschraubung, zum Verbinden der benachbarten Schalen. Die form-oder kraftschlüssige Verbindungsmöglichkeit, insbesondere in Form einer Verschraubung, ist nicht auf zwei Schalen begrenzt. Durch das Scharnier sind die Schalen aufklappbar miteinander verbunden und können so nachträglich um ein Tauchrohr angeordnet werden. Um eine nachträgliche Installation beziehungsweise eine Demontage bei verändertem Herstellungsverfahren zu vereinfachen, weisen die Verschraubungen vorzugsweise eine Flügelmutter auf. Die Verschraubung in Form von Flügelmuttern bietet den Vorteil gegenüber einer konventionellen Mutter-Schraubenverbindung, dass zur Installation der Tauchrohrkühlung an dem Tauchrohr keine Werkzeuge nötig sind. Mithin wird eine Installation oder Deinstallation beschleunigt. Die auf die Flügelmuttern händisch aufgebrachten Momente sind ausreichend, um eine dauerhafte Befestigung der Tauchrohrkühlung an dem Tauchrohr zu gewährleisten.

[0023] Vorzugsweise weisen die Schalen jeweils eine radial nach innen gerichtete Spannvorrichtung auf, mit der sie im installierten Zustand an der Außenfläche des Tauchrohres anliegen, wobei ferner bevorzugt die Spannvorrichtungen in axialer Richtung an den jeweiligen Enden der Schalen zum vorzugsweise formschlüssigen, Fixieren der Schalen an dem Tauchrohr angeordnet sind. Die Schalen werden beim Anziehen der Flügelmuttern durch die Spannvorrichtung gegen das Tauchrohr gepresst beziehungsweise verspannt, so dass die Schalen fest auf der Außenoberfläche des Tauchrohres sitzen. Ein Verrutschen der Schalen entlang des Tauchrohres ist damit ausgeschlossen. Da das Tauchrohr sich durch die in ihm fließende Schmelze stark erhitzt, bestehen die Spannvorrichtungen vorzugsweise aus hochtemperaturbeständigem Material.

[0024] Bei dem Fluid handelt es sich um ein Gas oder eine Flüssigkeit. Bei dem Gas kann es sich Beispielsweise um Luft oder Stickstoff handeln, wobei es sich bei der Flüssigkeit um Wasser oder ein spezifisches Kühlmittel handeln kann. Denkbar ist aber auch eine Kombination aus einer Flüssigkeit und einem Gas.

[0025] Damit das gasförmige und/oder flüssige Fluid nicht ungewollt aus dem Behälter austritt, sind die Schalen vorzugsweise in ihrem Kontaktbereichen auf Seite des Scharniers und in Ihrem Kontaktbereich auf Seite der Verschraubung luft- und/oder flüssigkeitsdicht ausgelegt.

[0026] Vorzugsweise ist der aus den Schalen gebildete Behälter bei Betrachtung in axialer Richtung an einem Ende luft- und/oder flüssigkeitsdicht und an einem anderen Ende offen ausgebildet. Insbesondere bevorzugt weist der Behälter an seinem luft-und/oder flüssigkeitsdichten Ende den Fluideinlass auf wobei vorzugsweise das andere offene Ende des Behälters als ein Fluidauslass ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist der Behälter eimerförmig ausgebildet, wobei der Fluideinlass auf Höhe des Eimerbodens ist. Die Öffnung des Eimers hingegen stellt den Fluidauslass dar. Alternativ oder zusätzlich können auch weitere Öffnungen im vom Fluideinlass abgewandten Ende des Behälters angeordnet sein.

[0027] Vorzugsweise sind der Behälter und/oder das Tauchrohr in axialer Richtung rohrförmig ausgebildet, wobei vorzugsweise der Behälter und das Tauchrohr koaxial zueinander ausgebildet sind. Um eine konstante und gleichmäßige Nutzung des Fluids im Kühlbericht zu erzielen, sind der Behälter und/oder das Tauchrohr in axialer Richtung rohrförmig ausgebildet und koaxial zueinander angeordnet. Eine koaxiale Anordnung des Behälters in Form der Schalen oder der Kühlmanschette gegenüber dem Tauchrohr führt zu einer konstanten Kühlung der Außenoberfläche des Tauchrohres und vermeidet somit Spannungen im Tauchrohr.

[0028] Vorzugsweise umfasst die Tauchrohrkühlung eine Sensorik oder/und eine Steuerung, die abhängig von dem gemessenen Volumenstrom und der Temperatur der Schmelze den Volumenstrom des Fluids regelt. Die Gas- oder Flüssigkeitsmenge, welche durch den Kanal zwischen dem Tauchrohr und dem Behälter strömt beziehungsweise fließt, wird an die aktuelle Gießsituation angepasst. Der Kanal weist vorzugweise eine lichte Breite von 20 mm bis 100 mm auf, besonders bevorzugt zwischen 30mm und 80mm, je nach erforderlichem Fluiddurchsatz und verfügbarer Pumpe oder Gebläse.

[0029] Eine erfindungsgemäße Sensorik kann direkt die benötigten Werte messen oder diese indirekt mittels geeigneter Prozessmodelle aus anderen Messwerten ableiten. Als Prozessmodelle können bspw. statistische, analytische oder selbstlernende Prozessmodelle eingesetzt werden.

[0030] Die Sensorik wird dementsprechend den Volumenstrom, z.B. gemessen durch magnetisch-induktive Verfahren, sowie die Temperatur der Schmelze ermitteln und daraus die nötige Kühlung bestimmen. Die Fluidmenge wird permanent als Funktion der aktuell gemessenen Gießparameter wie Volumenstrom und Temperatur der Schmelze eingestellt. Alternativ zum Volumenstrom der Schmelze ist auch der Massestrom der Schmelze als weiterer oder alternativer Gießparameter denkbar. Die mittleren Strömungsgeschwindigkeiten der Schmelze im Tauchrohr liegen vorzugsweise zwischen 0,1 m/s und 1 m/s, ferner bevorzugt zwischen 0,3 m/s und 0,7 m/s und besonders bevorzugt bei ca. 0,5 m/s. Angestrebt wird eine maximale Abkühlung der Schmelze von etwa 15 K, je nach Geometrie des Tauchrohres, der Gießleistung, der Fluidmenge und dessen Temperatur. Bevorzugt ist eine turbulente Strömung des Fuids um bzw. entlang des Tauchrohres.

[0031] Alternativ bevorzugt zu der Messung der Temperatur und des Volumenstroms der Schmelze wird die Fluidmenge in Form einer vorher definierten Kühlungsstrategie mit Sollwerten eingestellt. Eine solche Einstellung des Volumenstroms des Fluids wird durch vorangegangene Versuche oder durch bekannte Erfahrungswerte interpoliert und gegebenenfalls extrapoliert. Eine Messung des Volumenstroms und der Temperatur der Schmelze ist dann nicht mehr nötig.

[0032] Die Schmelze wird zu Beginn des Gießprozesses die höchste Temperatur aufweisen. Somit wird zu Beginn des Gießprozesses, also bei vollständig gefüllter Pfanne, die in das Tauchrohr eintretende Schmelze maximal durch die Tauchrohrkühlung gekühlt, um eine gewünschte niedrigere Temperatur der Schmelze zu erzielen. Mit fortlaufendem Gießprozess kühlt die Schmelze bereits vor Eintritt in das Tauchrohr leicht ab. Somit, um eine gleichbleibende Temperatur der Schmelze beim Austritt aus dem Tauchrohr zu erzielen und ein globulares Gefüge einzustellen, wird die Kühlleistung der Tauchrohrkühlung äquivalent zu der Abkühlung der Schmelze reduziert. Um Energiekosten einzusparen, ist es von Vorteil, wenn die Temperatur der Schmelze zu Beginn so gewählt ist, dass beim Ende des Gießprozesses eine Kühlung der Schmelze nicht mehr nötig ist, um eine homogene Temperatur der Schmelze, die in eine Kokille einströmt, über den gesamten Gießprozess zu erzielen.

[0033] Darüber hinaus offenbart die Erfindung ein System aus einem Tauchrohr und einer Tauchrohrkühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, zur Absenkung der Gießtemperatur einer das Tauchrohr durchströmenden Schmelze, wobei

• Wärme von dem Tauchrohr an ein den Behälter durchströmendes Fluid übertragbar ist; und
• die Menge des den Behälter durchströmende Fluid abhängig von der abzuführenden Wärme des Tauchrohres regel- oder steuerbar ist; und
• die Außenoberfläche des Tauchrohrs eine gegenüber einem runden Durchmesser abweichende Oberflächenvergrößerung, vorzugsweise durch Rippen, aufweist.

[0034] Die Oberflächenvergrößerung des Tauchrohrs führt zu einer gesteigerten Konvektion zwischen der Außenoberfläche des Tauchrohres und dem verwendeten. Besonders dazu geeignet ist eine rippenförmige Außenoberfläche des Tauchrohrs. Die Rippen erstrecken sich in axialer Richtung und sorgen somit für eine Steigerung des Oberfläche- zu Volumenverhältnis. Die Vergrößerung der Oberfläche des Tauchrohres ist allerdings nicht auf Rippen beschränkt. Auch andere Gestaltungsmöglichkeiten sind denkbar, die zu einer größerem Fläche-zu-Volumenverhältnis und somit zu einer gesteigerten Wärmeübertragung von dem Tauchrohr auf das Fluid führen.

[0035] Um eine optimale Kühlung des Tauchrohres mit der Tauchrohrkühlung zu erzielen, weist das Tauchrohr eine Länge zwischen 800 mm und 2000 mm, besonders bevorzugt eine Länge zwischen 900 mm und 1400 mm auf. Der mittlere Innendurchmesser des Tauchrohres beträgt vorzugsweise zwischen 30 mm und 100 mm, wobei besonders bevorzugt der Innendurchmesser zwischen 50 mm und 90 mm beträgt. Der Außendurchmesser beträgt vorzugsweise zwischen 80 mm und 180 mm und besonders bevorzugt zwischen 90 mm und 130 mm.

[0036] Der Werkstoff des Tauchrohres sollte hinsichtlich der Wärmeleitung und der auftretenden Spannungen aufgrund des Temperaturgradienten optimiert sein. Vorteilhaft ist eine Al₂O₃-basierte keramische Grundmatrix mit einem Al₂O₃-Gehalt > 75 % bis 85 % (Gew.-%). Der Rest wird durch die Oxide bzw. Nitride von Bor, Zirkon und / oder Silizium sowie nicht vermeidbaren Verunreinigungen ergänzt.

[0037] Neben der Vorrichtung umfasst die Erfindung auch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb einer Tauchrohrkühlung zur Absenkung der Gießtemperatur der Schmelze bei Stranggießanlagen nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem die Schritte ausgeführt werden:

a. Einleiten des Fluids über den Fluideinlass in den Behälter und durchströmen des Fluids durch den Behälter;

b. Kühlung des von Schmelze durchströmten Tauchrohres durch das eingeleitete und an der Außenwandung des Tauchrohres entlangströmende Fluid;

c. Ausleiten des erhitzen Fluides über den Fluidauslass aus dem Behälter;

d. Anpassen des Volumenstromes des Fluids an die aktuelle Gießsituation anhand der Gießparameter.

e. während die Schritte a. bis c. durchlaufen werden, wird die Fluidmenge an die aktuelle Gießsituation anhand der Gießparameter angepasst.

[0038] Um eine gleichbleibende Qualität des Stranggusses zu gewährleisten, ist es zunächst nötig, dass die Temperatur der Schmelze beim Gießen in die Kokille konstant gehalten wird. Bei bestimmten Stranggießanlagen, zum Beispiel mit großen Pfannen, gelangt wegen der notwendigen Überhitzung der Schmelze die Schmelze beim Angießen zu heiß in die Kokille. Mit sinkendem Spiegel der Schmelze in der Pfanne nähert sich die Temperatur der Schmelze der idealen Gießtemperatur an. Zum Gießende steigt das Oberflächen-Volumenverhältnis der Schmelze zu Gunsten der Oberfläche an.

[0039] Vorzugsweise erfolgt eine Ermittlung der Gießparameter aus Volumenstrom und der Temperatur der Schmelze kontinuierlich, wobei vorzugsweise mit sinkendem Volumenstrom und der Temperatur der Schmelze der Volumenstrom des Fluids, vorzugsweise proportional, abgesenkt wird.

[0040] Durch die Messung und/oder Steuerung des Volumenstroms und der Temperatur der Schmelze und der damit einhergehenden regulierten und/oder gesteuerten Kühlung der Schmelze, kann eine homogene Temperatur der Schmelze beim Gießvorgang in die Kokille erzielt werden. Dementsprechend wird mit veränderlichen Gießparametern, gemäß Schritt d., die Fluidmenge proportional verringert. Alternativ bevorzugt ist der nötige Kühlstrom vorweg und ohne Messung einzustellen, wobei dann bevorzugt zu Gießbeginn eine maximale Kühlung des Tauchrohres durch das Fluid erfolgt, wobei zur Gießmitte eine mittlere Kühlung des Tauchrohres durch das Fluid erfolgt, und wobei zum Gießende keine Kühlung des Tauchrohres durch das Fluid erfolgt.

[0041] Vorzugsweise wird das Fluid in einem nicht beanspruchten, dem Fluidauslass nachgeschaltetem Wärmetauscher abgekühlt und nach Abkühlung wieder dem Behälter über den Fluideinlass zugeführt. Alternativ bevorzugt wird frisches Fluid für die Kühlung des Tauchrohres verwendet. Ein geschlossener Kühlkreislauf ist bei einer Kühlung durch eine Flüssigkeit zu bevorzugen, wobei einer offener Kühlkreislauf bei beispielsweise einer Kühlung durch Luft zu bevorzugen ist. Allerdings ist auch ein geschlossener Kühlkreislauf bei der Verwendung von Stickstoff oder anderen Gasen, aber auch Luft, möglich.

[0042] Der Beschreibung sind die folgenden sechs Figuren beigefügt:

Fig. 1:

schematische Darstellung einer Tauchrohrkühlung

Fig. 2:

schematische Querschnittsansicht der Tauchrohrkühlung

Fig. 3:

schematische Querschnittsansicht einer Tauchrohrkühlung gemäß einer zweiten Ausführungsform

Fig. 4:

schematische Darstellung der Tauchrohrkühlung gemäß der zweiten Ausführungsform

[0043] Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

[0044] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Tauchrohrkühlung 1 zur Absenkung der Gießtemperatur der Schmelze A bei Stranggießanlagen mit hohen Durchsätzen beziehungsweise Gießgeschwindigkeiten, dünnen Abmessungen oder bei Endlos-Gießwalzanlagen. Die Tauchrohrkühlung 1 wir gebildet aus zwei Schalen 3.3, die jeweils einen Umfang von 180° Grad aufweisen. Die Schalen 3.3 selbst bestehen aus einem gut wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Aluminium (Al) oder einer Aluminiumlegierungen.

[0045] Gemäß Fig. 2 sind die Schalen 3.3 auf ihren sich gegenseitig berührenden Kontaktflächen in Längsrichtung auf einer ersten Seite mit einem Scharnier 3.6 und auf der parallelen und gegenüberliegenden zweiten Seite mit Verschraubungen 3.7 versehen. Durch das Scharnier 3.6 sind die Schalen 3.3 aufklappbar miteinander verbunden und können so nachträglich um ein Tauchrohr 2 angeordnet werden. Um eine nachträgliche Installation beziehungsweise eine Demontage bei verändertem Herstellungsverfahren zu vereinfachen, sind die Verschraubungen 3.7 als Flügelmuttern ausgebildet.

[0046] Tauchrohre 2 bestehen üblicherweise aus einem Feuerfestmix aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumoxid (SiOz), Zirkoniumdioxid (ZrOz), Kaliumoxid (CaO), Magnesiumoxid (MgO) und Kohlenstoff (C). Zur Erhöhung des Wärmedurchgangs von der Schmelze A and das Fluid B beziehungsweise an das Gas kann bewusst ein Feuerfestmaterial mit höherer Wärmeleitfähigkeit gewählt werden.

[0047] Die beiden Schalen 3.3 sind auf Ihren Innenseiten jeweils mit sternförmigen Spannvorrichtungen 5 versehen. Die Spannvorrichtungen 5 sind in den axialen Endbereichen der jeweiligen Schale 3.3 radial nach innen weisend angeordnet. Die Schalen 3.3 werden beim Anziehen der Verschraubungen 3.7 durch die sternförmigen Spannvorrichtungen 5 aus hochtemperaturbeständigem Material gegen das Tauchrohr 2 gepresst beziehungsweise verspannt, so dass die Schalen 3.3 fest auf dem Tauchrohr 2 sitzen. Ein Verrutschen der Schalen 3.3 ist damit ausgeschlossen. Nach der Installation sind die Schalen 3.3 koaxial um das Tauchrohr 2 angeordnet und bilden selber ein Rohr. Auch wenn in den Figuren nicht dargestellt, sind die Schalen 3.3 nach oben hin luft- und/oder flüssigkeitsdicht verschlossen. Auch wenn ebenfalls in den Figuren nicht dargestellt, sind die Schalen 3.3 darüber hinaus an allen Kontaktflächen, wie im Bereich der Verschraubung 3.7, im Bereich des Scharniers 3.6 sowie im oberen Kontaktbereich zum Tauchrohr 2 ebenfalls luft- und/oder flüssigkeitsdicht verschlossen.

[0048] Die aus den Schalen 3.3 gebildete Tauchrohrkühlung 1 bildet zwischen sich und dem Tauchrohr 2 einen Kanal 4 in Form eines ringförmigen Spaltes aus. Der Kanal 4 ist dazu ausgebildet von einem Fluid B durchströmt zu werden, dass die Schmelze A über die Außenoberfläche des Tauchrohres 2 kühlt. Gemäß der ersten Ausführungsform handelt es sich bei dem Fluid B um ein Gas. Beispielsweise Luft oder Stickstoff. Der Kanal 4 besitzt beispielsweise eine lichte Breite von 30 mm - 80 mm, je nach erforderlichem Gasdurchsatz und verfügbarem Gebläse.

[0049] Im axial oberen Bereich der aus den Schalen 3.3 gebildeten Tauchrohrkühlung 1 ist ein Fluideinlass 3.1 ausgebildet, in dem das Fluid B in Form von Luft beziehungsweise Gas durch ein nicht dargestelltes Gebläse eingeblasen wird.

[0050] Der durch die Schalen 3.3 gebildete ringförmige Kanal 4 wird von kaltem Gas B durchströmt, welches durch den Fluideinlass 3.1 eingeblasen wird. Ziel ist es, möglichst viel und möglichst kühles Gas durch den Kanal 4 zu fördern. Die Temperatur des Eingeblasenen Gases kann beispielsweise 0 - 20°C betragen. Das erwärmte Gas kann direkt unterhalb des nicht dargestellten Tundish-Tauchrohr-Anschlusses radial eingeblasen werden und strömt dann entweder koaxial aus dem ringförmigen Kanal 4 der Schalen 3.3 um das Tauchrohr 2 herum aus, welche dann einen Fluidauslass 3.2 bilden, oder, wenn auch nicht dargestellt, wird das Gas durch Bohrungen in den Wandungen der Schalen 3.3 radial nach außen als weitere Fluidauslässe 3.2 abgeleitet. Ferner unterstützen zusätzliche Turbulenzerzeuger 3.5 im Kanal 4 den konvektiven Wärmetransport vom Tauchrohr 2 an das umströmende Gas. Durch die Verwendung von Gas als Kühlmittel ist auch bei hohen Volumenströmen kein Verschleiß der Außenseite des Tauchrohres 2 zu erwarten.

[0051] Um die Kühlwirkung weiter zu erhöhen, kann die Oberfläche des Tauchrohres 2 vergrößert werden. Dies erfolgt beispielsweise durch zusätzliche, nicht dargestellte Kühlrippen auf der Außenoberfläche des Tauchrohres 2. Grundsätzlich kann die Kühlwirkung gesteigert werden, wenn das Volumen- zu Flächenverhältnis zugunsten der Fläche erhöht wird. Unter dieser Prämisse sind verschiedene geometrische Gestaltungen des Tauchrohrs 2 und der Tauchrohrkühlung 1 denkbar. Die Formgebung ist grundsätzlich der Kühlsituation entsprechend anzupassen und lediglich durch die Herstellungskompetenz des Feuerfestlieferanten begrenzt.

[0052] Fig. 3 zeigt schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Tauchrohrkühlung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform, zur Absenkung der Gießtemperatur der Schmelze A bei Stranggießanlagen mit hohen Durchsätzen beziehungsweise Gießgeschwindigkeiten, dünnen Abmessungen oder bei Endlos-Gießwalzanlagen. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Kühlung des Tauchrohres 2 mit einem flüssigen Fluid B erfolgt. Grundsätzlich ist die Tauchrohrkühlung 1 der zweiten Ausführungsform von ihrem Aufbau der ersten Ausführungsform sehr ähnlich. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform zunächst dadurch, dass die Tauchrohrkühlung 1 aus einer rohrförmigen Kühlmanschette 3.4 gebildet wird, die das Tauchrohr 2 ebenfalls koaxial umgibt.

[0053] Die Kühlmanschette 3.4 selbst besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Aluminium (Al) oder einer Aluminiumlegierung, welches das Tauchrohr 2 vollständig umschließt.

[0054] Wie in Fig. 4 dargestellt, ist die Kühlmanschette 3.4 im axial oberen und unteren Kontaktbereich zum Tauchrohr 2 luft- und/oder flüssigkeitsdicht verschlossen. Dies führt dazu, dass Spannvorrichtungen auf der Innenseite der Kühlmanschette 3.4 nicht nötig sind, um diese koaxial um das Tauchrohr 2 zu halten.

[0055] Wie auch die Schalen 3.3 bilden die Kühlmanschette 3.4 und die Tauchrohrkühlung 1 einen ringförmigen Kanal 4 zwischen sich aus. Der Kanal 4 besitzt beispielsweise eine lichte Breite von 30 mm - 80 mm, je nach erforderlichem Fluiddurchsatz und verfügbarer Pumpe.

[0056] Im axial oberen Bereich der aus der Kühlmanschette 3.4 gebildeten Tauchrohrkühlung 1 ist ein Fluideinlass 3.1 ausgebildet. Der durch die Kühlmanschette 3.4 und das Tauchrohr 2 gebildete ringförmige Kanal 4 wird von dem flüssigem Fluid B durchströmt, welches durch den Fluideinlass 3.1 dem ringförmigen Kanal 4 zugeführt wird. Wie auch bei der ersten Ausführungsform ist es Ziel, möglichst viel und möglichst kühles Fluid B durch den ringförmigen Kanal 4 zu fördern. Die Temperatur des eingeleiteten flüssigen Fluids B kann beispielsweise 5 bis 20°C betragen. Zu beachten ist, dass die meisten Flüssigkeiten eine höhere Wärmekapazität als Gase aufweisen, womit eine flüssigkeitsbetriebene Tauchrohrkühlung 1 kleiner dimensioniert werden kann, als eine gasbetriebene Tauchrohrkühlung 1, bei gleichbleibender Kühlleistung.

[0057] Das frische flüssige Fluid B kann direkt unterhalb des Tundish-Tauchrohr-Anschlusses, welches sich an einem ersten Ende der Tauchrohrkühlung 1 befindet, radial über den Fluideinlass 3.1 in den ringförmigen Kanal 4 eingepumpt werden. An dem zweiten Ende der Tauchrohrkühlung 1 tritt das Fluid B durch den Fluidauslass 3.2 aus der Tauchrohrkühlung 1 wieder aus und wird beispielsweise einem nicht dargestellten Wärmetauschen zugeführt. Nach Durchlauf des Wärmetauschers wird das erneut abgekühlte Fluid B mittels der nicht dargestellten Pumpe über den Fluideinlass 3.1 der Tauchrohrkühlung 1 wieder zur Verfügung gestellt.

[0058] Abhängig von der Wahl des flüssigen Fluids B ist zu beachten, dass Flüssigkeiten beim Kühlprozess innerhalb der Tauchrohrkühlung 1 zum Teil verdampfen können. Um den Gasvolumenanteil in dem ringförmigen Kanal 4 möglichst gering und somit eine konstante Kühlleistung beizubehalten, ist es technisch vorteilhaft, wenn der Fluideinlass 3.1 möglichst weit unten in die Tauchrohrkühlung 1 und der Fluidauslass 3.2 möglichst weit oben aus der Tauchrohrkühlung 1 erfolgt. Durch diese Anordnung des Fluideinlasses 3.1 und des Fluidauslasses 3.2 ist ein Abtransport der entstehenden Gasphase innerhalb der Tauchrohrkühlung 1 fortwährend gewährleistet.

[0059] Auch bei der zweiten Ausführungsform, wenn auch nicht dargestellt, ist es denkbar, dass zusätzliche Turbulenzerzeuger im ringförmigen Kanal 4 den konvektiven Wärmetransport vom Tauchrohr 2 an das umströmende, im Wesentlichen flüssige Fluid B erhöhen.

Bezugszeichen		Bedeutung
	1	Tauchrohrkühlung
	2	Tauchrohr
	3	Behälter
	3.1	Fluideinlass
	3.2	Fluidauslass
	3.3	Schale
	3.4	Kühlmanschette
	3.5	Turbulenzerzeuger
	3.6	Scharnier
	3.7	Verschraubung
	4	Kanal
	5	Spannvorrichtung
	A	Schmelze
	B	Fluid

Ansprüche

1. Tauchrohrkühlung (1) zur Absenkung der Gießtemperatur einer Schmelze (A) bei Stranggießanlagen, umfassend einen, ein nicht beanspruchtes Tauchrohr (2) in axialer Richtung zumindest abschnittsweise umschließenden, Behälter (3),

- wobei zwischen dem Behälter (3) und dem Tauchrohr (2) ein Kanal (4) ausgebildet wird; und

- der Behälter (3) an einem ersten Ende mit einem Fluideinlass (3.1) und an einem zweiten Ende mit einem Fluidauslass (3.2) zur Kühlung des Tauchrohres (2) und damit der im Tauchrohr (2) beförderten Schmelze (A) ausgebildet ist.

2. Tauchrohrkühlung (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Behälter (3) zumindest aus zwei miteinander verbundenen Schalen (3.3) gebildet wird.

3. Tauchrohrkühlung (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine der Schalen (3.3) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.

4. Tauchrohrkühlung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
an zumindest einer der Schalen (3.3) radial innenseitig ein Turbulenzerzeuger (3.5) angeordnet ist.

5. Tauchrohrkühlung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass

- zwei benachbarte Schalen (3.3) im Bereich eines ersten Kontaktbereichs zueinander ein Scharnier (3.6) aufweisen; und

- die Schalen (1.2) im Bereich eines zweiten Kontaktbereichs eine form- oder kraftschlüssige Verbindungsmöglichkeit, bevorzugt eine Verschraubung (3.7), zum Verbinden benachbarter Schalen aufweisen.

6. Tauchrohrkühlung (1) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verschraubung (3.7) eine Flügelmutter aufweist.

7. Tauchrohrkühlung (1) nach einem der Ansprüche vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schalen (3.3) jeweils eine radial nach innen gerichtete Spannvorrichtung (5) aufweisen, mit der sie im installierten Zustand an der Außenfläche des Tauchrohres (2), vorzugsweise formschlüssig, anliegen.

8. Tauchrohrkühlung (1) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Spannvorrichtungen (5) in axialer Richtung an den jeweiligen Enden der Schalen (3.3) angeordnet sind zum, vorzugsweise formschlüssigen, Fixieren der Schalen (3.3) an dem Tauchrohr (2).

9. Tauchrohrkühlung (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Spannvorrichtungen (5) aus einem hochtemperaturbeständigen Material bestehen.

10. Tauchrohrkühlung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schalen (3.3) in ihrem Kontaktbereichen auf Seite des Scharniers (3.6) und in Ihrem Kontaktbereich auf Seite der Verschraubung (3.7) luft- und / oder flüssigkeitsdicht ausgelegt sind.

11. Tauchrohrkühlung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass

- der aus den Schalen (3.3) gebildete Behälter (3) bei Betrachtung in axialer Richtung an einem Ende luft- und/oder flüssigkeitsdicht ausgebildet ist; und

- der Behälter (3) an einem anderen Ende offen ausgebildet ist.

12. Tauchrohrkühlung (1) nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass

- der Behälter (3) an seinem luft- und/oder flüssigkeitsdichten Ende den Fluideinlass (3.1) aufweist; und

- das andere offene Ende des Behälters (3) als ein Fluidauslass (3.2) ausgebildet ist.

13. Tauchrohrkühlung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass

- der Behälter (3) und/oder das Tauchrohr (2) in axialer Richtung rohrförmig ausgebildet sind; und

- der Behälter und das Tauchrohr koaxial zueinander angeordnet sind.

14. System aus einem Tauchrohr (2) und einer Tauchrohrkühlung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, zur Absenkung der Gießtemperatur einer das Tauchrohr durchströmenden Schmelze (A) und einer Steuer- oder Regeleinrichtung für den Massenstrom des Fluid (B), wobei

- Wärme von dem Tauchrohr (2) an ein den Behälter (3) durchströmendes Fluid (B) übertragbar ist; und

- die Menge des den Behälter durchströmende Fluid (B) abhängig von der abzuführenden Wärme des Tauchrohres regel- oder steuerbar ist; und

- die Außenoberfläche des Tauchrohrs (2) eine gegenüber einem runden Durchmesser abweichende Oberflächenvergrößerung, vorzugsweise durch Rippen, aufweist.

15. System aus einem Tauchrohr (2) und einer Tauchrohrkühlung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und einer Stranggießanlage, zur Absenkung der Gießtemperatur einer das Tauchrohr durchströmenden Schmelze (A) und einer Steuer- oder Regeleinrichtung für den Massenstrom des Fluid (B), wobei

- Wärme von dem Tauchrohr (2) an ein den Behälter (3) durchströmendes Fluid (B) übertragbar ist; und

- die Menge des den Behälter durchströmende Fluid (B) abhängig von der abzuführenden Wärme des Tauchrohres regel- oder steuerbar ist; und

- die Außenoberfläche des Tauchrohrs (2) eine gegenüber einem runden Durchmesser abweichende Oberflächenvergrößerung, vorzugsweise durch Rippen, aufweist.

16. Verfahren zum Betrieb einer Tauchrohrkühlung (1) zur Absenkung der Gießtemperatur der Schmelze (A) bei Stranggießanlagen nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem die Schritte ausgeführt werden:

a) Einleiten des Fluids (B) über den Fluideinlass (3.1) in den Behälter (3) und durchströmen des Fluids (B) durch den Behälter (3);

b) Kühlung des von Schmelze (A) durchströmten Tauchrohres (2) durch das eingeleitete und an der Außenwandung des Tauchrohres (2) entlangströmende Fluid (B);

c) Ausleiten des erhitzen Fluides (B) über den Fluidauslass (3.2) aus dem Behälter (3);

d) Anpassen des Volumenstromes des Fluids an die aktuelle Gießsituation anhand der Gießparameter

17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, dass

- eine Ermittlung der Gießparameter aus Volumenstrom und der Temperatur der Schmelze (A) kontinuierlich erfolgt; und

- mit sinkendem Volumenstrom und der Temperatur der Schmelze (A) der Volumenstrom des Fluids (B), vorzugsweise proportional, abgesenkt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass

- zu Gießbeginn eine maximale Kühlung des Tauchrohres (2) durch das Fluid (B) erfolgt, wobei zur Gießmitte eine mittlere Kühlung des Tauchrohres (2) durch das Fluid (B) erfolgt; und

- zum Gießende keine Kühlung des Tauchrohres (2) durch das Fluid (B) erfolgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fluid (B) in einem nicht beanspruchten, dem Fluidauslass (3.2) nachgeschaltetem Wärmetauscher abgekühlt und nach Abkühlung wieder dem Behälter (3) über den Fluideinlass (3.1) zugeführt wird.

Zeichnung