Gebiet der Technik
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft das Stranggießen, vorzugsweise das semi-kontinuierliche
Stranggießen, eines metallischen Strangs in einer Stranggießmaschine.
[0002] Konkret betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Stranggießen, vorzugsweise zum semi-kontinuierlichen
Stranggießen, eines Strangs in einer Stranggießmaschine, wobei die Stranggießmaschine
eine Kokille mit einer Primärkühlung, in Gießrichtung nachfolgend eine Strangführung
mit mehreren, vorzugsweise an den Strang anstellbaren, Strangführungsrollen zum Führen
und einer Sekundärkühlung zum Abkühlen des Strangs, und wiederum nachfolgend eine
Tertiärkühlzone zum gesteuerten oder geregelten Abkühlen des Strangs aufweist, umfassend
die Verfahrensschritte:
- Einführen eines Kaltstrangs in die Kokille;
- Halten des Kaltstrangs in der Kokille, sodass ein Kopf des Kaltstrangs die Kokille
fluiddicht verschließt;
- Angießen der Stranggießmaschine, wobei Metallschmelze in die Kokille gegossen wird
und sich in der Kokille ein Gießspiegel und ein teilerstarrter Strang ausbildet;
- Beginnen des Ausziehens des Kaltstrangs aus der Kokille, wobei der Kaltstrang mit
einer ersten Ausziehgeschwindigkeit v1 aus der Kokille ausgezogen wird;
- Stützen und Führen des teilerstarrten Strangs in der Strangführung, wobei der teilerstarrte
Strang durch die Strangführungsrollen gestützt, geführt und durch Kühldüsen der Sekundärkühlung
abgekühlt wird; und
- gesteuertes oder geregeltes Abkühlen des teilerstarrten Strangs bis zur Durcherstarrung
des Strangs in der Tertiärkühlzone.
[0003] Außerdem betrifft die Erfindung eine Stranggießmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, die
- eine Kokille mit einer Primärkühlung,
- in Gießrichtung nachfolgend eine Strangführung mit mehreren, vorzugsweise an den Strang
anstellbaren, Strangführungsrollen zum Führen und Stützen des Strangs, sowie eine
Sekundärkühlung zum Abkühlen des Strangs, und
- wiederum nachfolgend eine Tertiärkühlzone zum gesteuerten oder geregelten Abkühlen
des Strangs aufweist.
Stand der Technik
[0004] Das gattungsgemäße Verfahren sowie eine geeignete Anlage sind aus der
WO 2015/079071 bekannt. Durch die Tertiärkühlzone mit einstellbaren Isolationspanelen kann die Abkühlgeschwindigkeit
des Strangs von unten nach oben fein eingestellt werden. Dadurch wird die Ausbildung
von Hohlräumen im Strang unterbunden, sodass flüssige Stahlschmelze durch die Erstarrung
bedingte Volumensprünge zwischen der festen und flüssigen Phase ausgleichen kann.
Die Innenqualität des Strangs wird dadurch wesentlich verbessert. Nachteilig daran
ist, dass das Stranggießen bis zur vollständigen Durcherstarrung sehr lange dauert.
Wie das Stranggießen beschleunigt werden kann, ohne die Innenqualität des Strangs
negativ zu beeinflussen, geht aus der Schrift nicht hervor.
Zusammenfassung der Erfindung
[0005] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bekannte Stranggießverfahren so zu verändern,
dass ein Strang rasch vergossen und dennoch die Ausbildung von Hohlräumen bzw. Rissen
im Strang verhindert wird. Dadurch soll die Wirtschaftlichkeit erhöht und die Innenqualität
des vergossenen Strangs gesteigert werden.
[0006] Die erfindungsgemäße Ausgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
[0007] Konkret erfolgt die Lösung durch ein gattungsgemäßes Verfahren, wobei nach dem Beginnen
des Ausziehens die Ausziehgeschwindigkeit v des Kaltstrangs aus der Kokille auf eine
zweite Ausziehgeschwindigkeit v
2 erhöht wird, wobei gilt v
2 > v
1.
[0008] Durch diese Maßnahme wird ein Strang, typischerweise ein Stahlstrang oder ein Strang
aus einer sog. Superlegierung (siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Superlegierung,
z.B. einer Nickelbasislegierung), mit einer ausgeprägten V-förmigen Ausbildung der
Strangschalen erzeugt. Mit anderen Worten nimmt das Dickenwachstum der Strangschalen
in Gießrichtung rasch zu, sodass die Strangschale am unteren Ende des Strangs wesentlich
dicker ist als am oberen Ende. Dadurch kann flüssige Metallschmelze etwaige durch
die Erstarrung bedingte Hohlräume unmittelbar auffüllen, wodurch die Innenqualität
des Strangs verbessert wird. Die Erhöhung der Gießgeschwindigkeit wirkt sich außerdem
vorteilhaft auf die Wirtschaftlichkeit des Stranggießverfahrens aus.
[0009] Um eine ausgeprägte V-Form der Strangschalen zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn
das Erhöhen der Ausziehgeschwindigkeit v in Abhängigkeit der Zeit oder der Stranglänge
erfolgt. Durch eine Beschränkung der Ausziehgeschwindigkeit v nach oben mit v
max ist sichergestellt, dass die Strangschale am oberen Ende des Strangs eine Mindestdicke
aufweist. Dadurch können Ausbrücke verhindert werden.
[0010] Um Stöße in der Anlage zu verhindern, ist es günstig, wenn die Ausziehgeschwindigkeit
v stückweise stetig, bevorzugt zumindest einmal stetig differenzierbar, erhöht wird.
Alternativ dazu kann das Erhöhen der Ausziehgeschwindigkeit v auch unstetig, z.B.
in diskreten Stufen, erfolgen.
[0011] Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein thermisches Rechenmodell während des Stranggießens
in Abhängigkeit
- einer chemischen Zusammensetzung der Metallschmelze,
- der Primärkühlung in der Kokille,
- der Sekundärkühlung des Strangs in der Strangführung, ständig das Ist-Temperaturfeld
des Strangs einschließlich der Ist-Phasengrenzen zwischen den festen, teigigen und
flüssigen Phasen im Strang berechnet, wobei die Ausziehgeschwindigkeit des Kaltstrangs
aus der Kokille in Abhängigkeit des Ist-Temperaturfelds und/oder der Ist-Phasengrenzen,
insbesondere der Ist-Position der Sumpfspitze, eingestellt wird.
[0012] Die Berechnung des Ist-Temperaturfelds ist z.B. aus der
WO 2009/141205 A1 bekannt. Details dazu werden in diese Anmeldung per Referenz mitaufgenommen. Durch
diese Ausführungsform kann die Ausziehgeschwindigkeit des Kaltstrangs aus der Kokille
z.B. so eingestellt wird, dass die Ist-Position einer zeitlich abhängigen Soll-Position
der Sumpfspitze möglichst entspricht.
[0013] Zusätzlich zur Veränderung der Auszieh- bzw. der Gießgeschwindigkeit während des
Gießprozesses ist es vorteilhaft, die Intensität der Kühlleistung der Kühldüsen in
der Sekundärkühlung in Abhängigkeit des Ist-Temperaturfelds und/oder der Ist-Phasengrenzen,
insbesondere der Ist-Position der Sumpfspitze, einzustellen.
[0014] Außerdem ist es äußerst günstig, einen Wärmedurchgangskoeffizient U der Isolierung
in der Tertiärkühlzone in Abhängigkeit des Ist-Temperaturfelds und/oder der Ist-Phasengrenzen,
insbesondere der Ist-Position der Sumpfspitze, einzustellen.
[0015] Die beiden letztgenannten Maßnahmen wirken sich ebenfalls sehr positiv auf die V-förmige
Ausbildung der Strangschale aus.
[0016] Im Allgemeinen ist es vorteilhaft, wenn die Intensität der Kühlleistung der Kühldüsen
in der Sekundärkühlung über der Zeit bzw. über der Stranglänge s abnimmt und/oder
der Strang in der Tertiärkühlzone durch eine Isolierung thermisch isoliert wird, wobei
ein Wärmedurchgangskoeffizient U der Isolierung in Gießrichtung zunimmt. Dadurch wird
das untere Ende des Strangs, d.h. der Strangkopf, stärker abgekühlt als das obere
Ende des Strangs, d.h. der Strangfußes.
[0017] Eine weitere Verbesserung der Innenqualität des Strangs kann erreicht werden, wenn
die Stranggießmaschine einen in Gießrichtung verfahrbaren Strangrührer umfasst, wobei
der Strangrührer während des Ausziehens und nach dem Beenden des Ausziehens des Kaltstrangs
aus der Kokille den Bereich der Sumpfspitze des Strangs elektromagnetisch rührt.
[0018] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch eine Stranggießmaschine nach Anspruch
12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
[0019] Konkret erfolgt die Lösung durch eine gattungsgemäße Stranggießmaschine, die eine
Steuer- oder Regeleinrichtung zur zeit- oder stranglängenabhängigen Steuerung oder
Regelung einer Ausziehgeschwindigkeit v beim Ausziehen des Kaltstrangs aus der Kokille
aufweist.
[0020] Hierbei ist es nicht zwingend notwendig, dass die gesamte Teritärkühlzone nach den
Sekundärkühlzone angeordnet ist. Die Sekundärkühlung kann z.B. durch klappbare Spritzregister
erfolgen, die beim Stranggießen in die Strangführung gebracht werden und nach dem
Gießende weggeklappt werden. Der dadurch frei werdende Bereich kann zur Isolierung
des Strangs verwendet werden.
[0021] Es ist vorteilhaft, wenn die Steuer- oder Regeleinrichtung ein thermisches Rechenmodell
umfasst, das geeignet ist während des Stranggießens in Abhängigkeit
- einer chemischen Zusammensetzung der Metallschmelze,
- der Primärkühlung in der Kokille,
- der Sekundärkühlung des Strangs in der Strangführung, ständig das Ist-Temperaturfeld
des Strangs einschließlich der Ist-Phasengrenzen zwischen den festen, teigigen und
flüssigen Phasen im Strang zu berechnen, wobei die Ausziehgeschwindigkeit des Kaltstrangs
aus der Kokille in Abhängigkeit des Ist-Temperaturfelds und/oder der Ist-Phasengrenzen,
insbesondere der Ist-Position der Sumpfspitze, eingestellt werden kann.
[0022] Außerdem ist es vorteilhaft, wenn eine Intensität der Kühlleistung der Kühldüsen
in der Sekundärkühlung und/oder ein Wärmedurchgangskoeffizient U einer Isolierung
in der Tertiärkühlzone in Abhängigkeit des Ist-Temperaturfelds und/oder der Ist-Phasengrenzen,
insbesondere der Ist-Position der Sumpfspitze, eingestellt werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0023] Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
nicht einschränkender Ausführungsbeispiele. Die nachfolgenden schematisch dargestellten
Figuren zeigen:
Fig 1a bis 1h die Verfahrensschritte bei der Durchführung des Verfahrens,
Fig 2a ein stranggegossener Strang nach dem Stand der Technik,
Fig 2b ein stranggegossener Strang, der gemäß der Erfindung hergestellt wurde,
Fig 3a ein Verlauf einer Ausziehgeschwindigkeit eines Strangs aus einer Kokille über
der Zeit t,
Fig 3b ein Verlauf einer Ausziehgeschwindigkeit eines Strangs aus einer Kokille über
der Stranglänge s,
Fig 4a ein Verlauf einer Durchflussrate Q eines Kühlmittels durch eine Kühldüse über
der Zeit t,
Fig 4b ein Verlauf einer Durchflussrate Q eines Kühlmittels durch eine Kühldüse über
der Stranglänge s,
Fig 5 ein Darstellung einer auf einen Strang akkumulierten Kühlmittelmenge,
Fig 6 eine Darstellung einer variablen Isolierung in der Tertiärkühlzone,
Fig 7a eine Darstellung einer variablen Wärmeisolation in der Tertiärkühlzone durch
verschwenkbare Isolierklappen,
Fig 7b eine Darstellung einer variablen Wärmeisolation in der Tertiärkühlzone durch
verschiebbare Isolierklappen,
Fig 8a eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Stranggießmaschine mit einer Steuer-
und Regeleinrichtung zur Einstellung der Auszugsgeschwindigkeit v,
Fig 8b eine Darstellung einer nicht erfindungsgemäßen Stranggießmaschine mit einer
Steuer- und Regeleinrichtung zur Einstellung der Intensität der Sekundärkühlung,
Fig 8c eine Darstellung einer nicht erfindungsgemäßen Stranggießmaschine mit einer
Steuer- und Regeleinrichtung zur Einstellung der Wärmeisolierung in der Tertiärkühlzone,
Fig 9a bis 9e eine Darstellung von Verfahrensschritten auf einer alternativen Stranggießmaschine
zu den Fig 1a...1h,
Fig 10 eine Darstellung einer Kopfisolierung, und
Fig 11 eine Darstellung der Position der Sumpfspitze im Strang über der Zeit gemäß
dem Stand der Technik und der Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsformen
[0024] In den Figuren 1a...1h ist das Stranggießen, konkret das sogenannte semi-kontinuierliche
Stranggießen, eines Strangs 1 aus Stahl dargestellt. Die Stranggießmaschine ist als
eine Vertikalanlage ausgebildet und weist als Hauptkomponenten eine wassergekühlte
Kokille 2, eine Strangführung 3 umfassend mehrere, an den Strang 1 anstellbare, Strangführungsrollen
3a und eine Sekundärkühlung 4 mit mehreren Kühldüsen 4a, sowie eine Tertiärkühlzone
5 mit einer Wärmeisolierung 9 und mehreren Isolationspanelen 9a auf. Der Maschinenkopf
der Stranggießmaschine, umfassend die Kokille 2 und die Strangführung 3, sind gegenüber
der Tertiärkühlzone 5 verfahrbar, sodass ein einziger Maschinenkopf mehrere Tertiärkühlzonen
mit Strängen versorgen kann. Die Strangführungsrollen 3a müssen nicht notwendigerweise
über einen Aktuator an den Strang 1 anstellbar sein. Es genügt, wenn diese mechanisch,
z.B. über Beilagscheiben oder sog. shims, anstellbar sind.
[0025] In Fig 1a ist die Situation vor dem Angießen der Stranggießmaschine dargestellt.
Ein Kaltstrang 6 wurde in die Kokille 2 eingeführt, sodass der stationäre Kaltstrang
6 die Kokille in Gießrichtung G fluiddicht abdichtet.
[0026] In Fig 1b ist das Angießen der Stranggießmaschine dargestellt. Eine Stahlschmelze
oder eine Schmelze einer sog. Superlegierung wird in die Kokille 2 entweder direkt
oder über ein Verteilergefäß zugeführt, sodass sich in der Kokille 2 ein Gießspiegel
M und aufgrund der Primärkühlung der Kokille 2 ein Strang 1 ausbildet. Nachdem sich
ein etwas konstanter Gießspiegel M eingestellt hat, wird mit dem Ausziehen des Kaltstrangs
6 aus der Kokille 2 begonnen. Anfangs erfolgt das Ausziehen relativ langsam mit einer
ersten Ausziehgeschwindigkeit v
1 von 0,12 m/min (siehe Fig 3a). Die Ausziehgeschwindigkeit v wird gemäß der Erfindung
gesteigert (siehe Fig 3a), sodass sich ein Strang 1 mit einer ausgeprägten V-Form
der Strangschalen ausbildet (siehe Fig 2b). Im Gegensatz dazu weist der Strang 1 bei
Stranggießverfahren nach dem Stand der Technik (siehe Fig 2a) keine ausgeprägte V-Form
auf, was zu einer schlechten Innenqualität (wie Risse, Hohlräume etc.) führt. Durch
die ausgeprägte V-Form der Strangschalen 11 des Strangs 1 (siehe Fig 2b) kann der
Strang 1 während der Abkühlung in der Tertiärkühlzone 5 flüssig Schmelze aus dem oberen
Bereich des teilerstarrten Strangs 1b nachsaugen, sodass etwaige durch die Erstarrung
bedingte Hohlräume oder Risse durch Schmelze wiederaufgefüllt werden. Eine dünne Strangschale
11 am oberen Strangende 1c erleichtert dies entscheidend. Die Kokille 2 wird durch
einen nicht dargestellten Oszillierer in vertikaler Richtung oszilliert. Eine ebenfalls
nicht dargestellte Rührspule unterhalb der Kokille 2 rührt den teilerstarrten Strang.
Beide Details sind fachüblich und z.B. aus der
WO 2015/079071 bekannt.
[0027] In Fig 1c ist das Stranggießen weiter fortgeschritten, wobei der Strang 1 in der
Strangführung 3 durch die Strangführungsrollen 3a gestützt und geführt sowie durch
die Kühldüsen 4a der Sekundärkühlung 4 weiter abgekühlt wird. Gemäß der durchgezogenen
Linie von Fig 3a beträgt die Ausziehgeschwindigkeit zum Zeitpunkt von Fig 1c in etwa
0,2 m/min.
[0028] In Fig 1d ist der Zeitpunkt beim Stranggießen dargestellt, bei dem die Zufuhr von
Stahlschmelze in die Kokille gerade gestoppt wurde. Die Ausziehgeschwindigkeit v entspricht
der zweiten Ausziehgeschwindigkeit v
2 von 0,36 m/min. Diese Ausziehgeschwindigkeit des Strangs 1 wird bis zum Ende des
Ausziehvorgangs beibehalten (siehe Fig 3a).
[0029] Nachdem die Zufuhr von Stahlschmelze gestoppt wurde, sinkt der Gießspiegel G in der
Kokille 2 ab (siehe Fig 1e). Zu diesem Zeitpunkt weist der Strang 1 eine Stranglänge
L von typischerweise 6 bis 12m auf. Der Durchmesser des Strangs 1 beträgt 600 mm.
[0030] Die Fig 1f zeigt die Situation nachdem das Strangende 1c die Strangführung 3 passiert
hat und die Sekundärkühlung 4 abgeschaltet wurde. Der teilerstarrte Strang 1b befindet
sich sodann in der Tertiärkühlzone 5 und wird dort langsam gesteuert oder geregelt
abgekühlt.
[0031] In den Fig 1g und 1h ist das Abkühlen des teilerstarrten Strangs 1b in der Tertiärkühlzone
5 dargestellt, wobei der Zeitpunkt der Fig 1g vor dem Zeitpunkt der Fig 1h ist. Wie
oben bereits angedeutet, kann der Maschinenkopf mehrere Tertiärkühlzonen 5 bedienen
und z.B. in horizontaler Richtung zu einer weiteren Tertiärkühlzone 5 verfahren werden.
Um die Erstarrung des Strangendes 1c weiter zu verzögern, kann anstelle der Sekundärkühlung
4 das Strangende 1c durch eine Kopfheizung 13 aufgeheizt werden. Die Kopfheizung 13
kann z.B. induktiv oder auch durch ein exothermes Pulver (das Verfahren wird als engl.
"hot topping" bezeichnet) erfolgen, wobei das Pulver mit der flüssigen Stahlschmelze
Wärmeenergie erzeugt. Da der teilerstarrte Strang 1b im Bereich der Sumpfspitze besonders
anfällig dafür ist, Risse bzw. Hohlräume zu bilden, ist es vorteilhaft, wenn ein Strangrührer
14 insbesondere diesen Bereich elektromagnetisch rührt.
[0032] Die Fig 2a zeigt einen stranggegossenen teilerstarrten Strang 1b nach dem Stand der
Technik. Das Strangende ist beinahe vollständig durcherstarrt, sodass etwaige Hohlräume
oder Risse im Strang nicht mehr durch flüssige Schmelze 12 aufgefüllt werden können.
[0033] Im Gegensatz dazu zeigt Fig 2b einen erfindungsgemäßen Strang. Das Strangende 1c
ist noch weitgehend flüssig, sodass etwaige Hohlräume oder Risse im Strang durch flüssige
Schmelze 12 aufgefüllt werden können. Dadurch weist der Strang eine bessere Innenqualität
auf.
[0034] Wie oben angeführt, zeigt die Fig 3a die Ausziehgeschwindigkeit v über der Zeit t.
Aus dem Diagramm geht hervor, dass die Ausziehgeschwindigkeit v nicht notwendigerweise
linear gesteigert werden muss, sondern bspw. auch unter- oder überlinear (siehe strichlierte
Linien). Auch eine nicht dargestellte Steigerung in diskreten Stufen wäre denkbar
und könnte sinnvoll sein.
[0035] Die Fig 3b zeigt ein weiteres Diagramm für die Ausziehgeschwindigkeit v, wobei v
nicht von der Zeit t sondern von der Stranglänge s abhängt. Dadurch wird sichergestellt,
dass der Stranganfang 1a stärker gekühlt wird als das Strangende 1c, und zwar unabhängig
von etwaigen Unterbrechungen im Gießprozess.
[0036] In beiden Fällen wird durch die Erhöhung der Ausziehgeschwindigkeit v nicht nur die
Innenqualität des Strangs 1 erhöht, sondern auch die Wirtschaftlichkeit des Stranggießverfahrens
verbessert, da mehr Stränge innerhalb derselben Zeit vergossen werden können.
[0037] Die Innenqualität des Strangs kann auch durch eine Einstellung der Intensität der
Sekundärkühlung 4 in Abhängigkeit der Zeit oder der Stranglänge s (siehe Fig 1c) erfolgen.
In beiden Fällen bedeutet dies, dass der Stranganfang 1a stärker in der Sekundärkühlung
4 abgekühlt wird als das Strangende 1c. Diese Maßnahme kann zusätzlich zur Steigerung
der Ausziehgeschwindigkeit v des Kaltstrangs 6 aus der Kokille 2 oder auch anstelle
davon erfolgen.
[0038] Für den Fall, dass die Einstellung der Intensität der Sekundärkühlung 4 zusätzlich
zur Änderung der Ausziehgeschwindigkeit v erfolgt, ist die Beschreibung der Figuren
1a-1h weiterhin voll gültig. Zusätzlich dazu wird die Intensität der Sekundärkühlung
in Abhängigkeit der Zeit t oder der Stranglänge s variiert. Die zeitabhängige Änderung
der Intensität der Sekundärkühlung durch eine Änderung der Durchflussrate Q durch
die Kühldüsen 4a der Sekundärkühlung 4 ist in Fig 4a dargestellt. Die Abnahme der
Durchflussrate Q bzw. der Intensität der Sekundärkühlung 4 kann linear (durchgezogene
Linie) aber auch unter- oder überlinear (siehe strichlierte Linien) erfolgen. Alternativ
dazu kann die Intensität der Sekundärkühlung auch in Abhängigkeit der Stranglänge
s variiert werden (siehe Fig 4b). In diesem Fall wird die Stranglänge s während des
Gießens erfasst bzw. berechnet und die Intensität der Sekundärkühlung 4 gemäß der
Kennlinie von Fig 4b eingestellt.
[0039] Für den Fall, dass die Einstellung der Intensität der Sekundärkühlung 4 anstelle
der Änderung der Ausziehgeschwindigkeit v erfolgt, ist die Beschreibung der Figuren
1a-1h so abzuändern, dass die Ausziehgeschwindigkeit v konstant bleibt. Der aus der
Kokille 2 ausgezogene Strang 1 wird in der Sekundärkühlzone 4 entweder zeit- oder
stranglängenabhängig mit variabler Intensität abgekühlt, sodass der Stranganfang 1a
stärker abgekühlt wird als das Strangende 1c.
[0040] In Fig 5 ist schematisch die auf die unterschiedlichen Bereiche eines teilerstarrten
Strangs 1b akkumulierten Kühlmittelmengen bei der zeit- oder stranglängenabhängigen
Einstellung der Intensität der Sekundärkühlung (siehe Fig 4a oder 4b) dargestellt.
Eine hohe akkumulierte Kühlmittelmenge, wie am unteren Stranganfang 1a, wurde fein
gerastert und eine niedrige akkumulierte Kühlmittelmenge, wie am oberen Strangende
1c, wurde grob gerastert dargestellt. Durch die zeit- oder stranglängenabhängige Änderung
der Durchflussrate Q oder eine zeit- oder stranglängenabhängige Änderung des Drucks
p des Kühlmittels wird die Intensität der Sekundärkühlung verändert, sodass der Stranganfang
stärker als das Strangende abgekühlt wird.
[0041] In Fig 6 ist eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Innenqualität des Strangs
gezeigt. In diesem Fall wird die Wärmeisolation 9 in der Tertiärkühlzone 5 in Abhängigkeit
der Stranglänge L eingestellt, wobei ein Wärmedurchgangskoeffizient U der Wärmeisolation
9 in Gießrichtung G zunimmt. Mit anderen Worten, wird der Stranganfang 1a stärker
in der Teritärkühlung 5 abgekühlt als das Strangende 1c. Diese Maßnahme kann entweder
zusätzlich oder anstelle zur Steigerung der Ausziehgeschwindigkeit v des Kaltstrangs
6 aus der Kokille 2 erfolgen. Es wäre auch möglich, dass die Änderung der Wärmeisolation
9 in der Tertiärkühlzone 5 zusätzlich oder anstelle zur Einstellung der Intensität
der Sekundärkühlung 4 erfolgt. Die Änderung des Wärmedurchgangskoeffizientens U der
Wärmeisolation 9 ist in Fig 6 durch eine variable Dicke der Isolation dargestellt.
[0042] In Fig 7a ist die stranglängenabhängige Änderung der Wärmeisolation 9 in der Tertiärkühlzone
5 durch Isolationspanele 9a dargestellt. Um den Stranganfang 1a stärker als das Strangende
1c abzukühlen, sind die schwenkbaren Klappen der Isolationspanele unterschiedlich
eingestellt, wobei die oberen Klappen weitgehend geschlossen und die unteren Klappen
weitgehend offen sind. Dadurch nimmt ein Wärmedurchgangskoeffizient U der Wärmeisolation
9 in Gießrichtung G zu. Die Änderung des Öffnungswinkels der Klappen kann entweder
statisch voreingestellt oder auch dynamisch, z.B. über Schwenkantriebe zum Schwenken
der Klappen, während der Abkühlung in der Tertiärkühlzone 5 erfolgen.
[0043] Die Fig 7b zeigt eine Alternativ zu Fig 7a, wobei der Abdeckungsgrad der Isolierklappen
9a des Strangs beim Strangende 1c höher ist als beim Stranganfang. Auch dadurch nimmt
der Wärmedurchgangskoeffizient U der Wärmeisolation 9 in Gießrichtung G zu.
[0044] In Fig 8a ist eine erfindungsgemäße Stranggießmaschine mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung
10 zur Steuerung bzw. Regelung der Auszugsgeschwindigkeit v gezeigt. Die Steuer-oder
Regeleinrichtung 10 berechnet unter Berücksichtigung der chemischen Zusammensetzung
15 der Metallschmelze, der Primärkühlung 2a in der Kokille 2, der Sekundärkühlung
4 und der Stranglänge s das Temperaturfeld und die Sumpfspitze im gegossenen Strang
1 und stellt die Auszugsgeschwindigkeit des Motors 16 in Abhängigkeit der Sumpfspitze
ein. Optional wäre es ebenfalls möglich, weitere Parameter wie die Stellung der Isolierpanele
9a in der Tertiärkühlzone zu berücksichtigen.
[0045] Die Fig 8b zeigt eine nicht erfindungsgemäße Stranggießmaschine mit einer Steuer-
oder Regeleinrichtung 10 zur Steuerung bzw. Regelung der Intensität der Sekundärkühlung
4 in Abhängigkeit der Stranglänge s. Die Steuer- oder Regeleinrichtung 10 berechnet
unter Berücksichtigung der chemischen Zusammensetzung 15 der Metallschmelze und der
Primärkühlung 2a in der Kokille und der Stranglänge s das Temperaturfeld und die Sumpfspitze
im gegossenen Strang 1 und stellt die Intensität der Sekundärkühlung 4 in Abhängigkeit
der Sumpfspitze ein. Die Sumpfspitze wird in einem thermischen Rechenmodell in Echtzeit
berechnet.
[0046] Die Fig 8c zeigt ebenfalls eine nicht erfindungsgemäße Stranggießmaschine mit einer
Steuer- oder Regeleinrichtung 10 zur Steuerung bzw. Regelung eines Wärmedurchgangskoeffizientens
U der Wärmeisolation 9 in der Tertiärkühlzone 5. Die Steuer- oder Regeleinrichtung
10 berechnet unter Berücksichtigung der chemischen Zusammensetzung 15 der Metallschmelze
und der Primärkühlung 2a in der Kokille das Temperaturfeld und die Sumpfspitze im
gegossenen Strang 1 und stellt die Öffnungswinkel der Isolierpanele 9a in Abhängigkeit
der Sumpfspitze ein. Die Sumpfspitze wird in einem thermischen Rechenmodell in Echtzeit
berechnet.
[0047] In den Fig 9a bis 9e ist eine alternative Stranggießmaschine zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In Fig 9a wir ein Strang 1 in der Kokille
2 abgegossen und mit variabler Ausziehgeschwindigkeit v aus der Kokille ausgezogen.
Der Strang 1 wird in der Strangführung 3 gestützt und geführt und durch die Sekundärkühlung
abgekühlt. In Fig 9b wurde das Gießen in der Kokille beendet und der Strang 1 befindet
sich in einem Strahlungsbereich 17, wo er über eine gewisse Zeit Wärme an die Umgebung
abstrahlen kann. Auf dem Weg in die Tertiärkühlzone 5 passiert der Strang eine Rührspule
14 und wird durch diese elektromagnetisch gerührt, siehe Fig 9c. Sodann wird der Strang
in die Tertiärkühlzone 5 eingebracht, wo er gesteuert oder geregelt durch die Wärmeisolierung
9 abgekühlt wird. Da insbesondere das Strangende 1c besonders empfindlich ist, wird
dieses nochmals durch einen Deckel besonders thermisch isoliert, siehe Fig 9d und
9e.
[0048] In Fig 10 ist schematisch eine Kopfisolierung 18 eines Strangs 1 gezeigt. Die Kopfisolierung
weist eine Wärmeisolation 9 für das Strangende 1c des Strangs 1 auf, sodass das Strangende
1c länger flüssig bleibt. Zusätzlich zur Wärmeisolation 9 kann ein exothermes Pulver
19 auf das flüssige Strangende 1c aufgegeben werden, was den Strang 1 zusätzlich erwärmt.
[0049] In Fig 11 ist schematisch das Ergebnis der zeit- bzw. wegabhängigen Einstellung der
Ausziehgeschwindigkeit v und/oder der zeit- bzw. wegabhängigen Einstellung der Intensität
der Sekundärkühlung und/oder der Einstellung eines Wärmedurchgangskoeffizientens U
der Wärmeisolation 9 dargestellt. Alle diese Maßnahmen haben den Effekt, dass die
Erstarrung des teilerstarrten Strangs verlangsamt wird (siehe die strichlierte Linie
die die Position der Sumpfspitze im Strang über der Zeit angibt). Im Gegensatz dazu
gibt die durchgezogene Linie den Vergleich mit dem Stand der Technik an. Wie oben
angeführt, führen diese Maßnahmen dazu, dass der erfindungsgemäße Strang eine ausgeprägte
V-Form der Strangschale aufweist (siehe Fig 11 rechts) im Gegensatz zu Strängen nach
dem Stand der Technik ohne ausgeprägter V-Form der Strangschale (siehe Fig 11 links).
[0050] 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
[0051]
- 1
- Strang
- 1a
- Stranganfang
- 1b
- teilerstarrter Strang
- 1c
- Strangende
- 2
- Kokille
- 2a
- Primärkühlung
- 3
- Strangführung
- 3a
- Strangführungsrollen
- 4
- Sekundärkühlung, Sekundärkühlzone
- 4a
- Kühldüse
- 5
- Tertiärkühlung, Tertiärkühlzone
- 6
- Kaltstrang
- 7
- Rechenmodell
- 8
- Sumpfspitze
- 9
- Wärmeisolation
- 9a
- Isolationspanel
- 10
- Steuer- oder Regeleinrichtung
- 11
- Strangschale
- 12
- flüssiger Bereich des Strangs
- 13
- Kopfheizung
- 14
- Strangrührer
- 15
- chemische Zusammensetzung
- 16
- Motor
- 17
- Strahlungsbereich
- 18
- Kopfisolierung
- 19
- exothermes Pulver
- G
- Gießrichtung
- L
- Stranglänge
- M
- Gießspiegel
- Q
- Durchflussrate
- S
- Stranglänge
- t
- Zeit
- U
- Wärmedurchgangskoeffizient
- v
- Ausziehgeschwindigkeit, Gießgeschwindigkeit
1. Verfahren zum Stranggießen, vorzugsweise zum semi-kontinuierlichen Stranggießen, eines
Strangs (1) in einer Stranggießmaschine, wobei die Stranggießmaschine eine Kokille
(2) mit einer Primärkühlung (2a), in Gießrichtung (G) nachfolgend eine Strangführung
(3) mit mehreren Strangführungsrollen (3a) zum Führen und einer Sekundärkühlung (4)
zum Abkühlen des Strangs (1), und wiederum nachfolgend eine Tertiärkühlzone (5) zum
gesteuerten oder geregelten Abkühlen des Strangs (1) aufweist, umfassend die Verfahrensschritte:
- Einführen eines Kaltstrangs (6) in die Kokille (2);
- Halten des Kaltstrangs (6) in der Kokille (2), sodass ein Kopf des Kaltstrangs (6)
die Kokille (2) fluiddicht verschließt;
- Angießen der Stranggießmaschine, wobei Metallschmelze in die Kokille (2) gegossen
wird und sich in der Kokille (2) ein Gießspiegel (M) und ein teilerstarrter Strang
(1b) ausbildet;
- Beginnen des Ausziehens des Kaltstrangs (6) aus der Kokille (2), wobei der Kaltstrang
(6) mit einer ersten Ausziehgeschwindigkeit v1 aus der Kokille (2) ausgezogen wird;
- Stützen und Führen des teilerstarrten Strangs (1b) in der Strangführung (3), wobei
der teilerstarrte Strang (1b) durch die Strangführungsrollen (3a) gestützt, geführt
und durch Kühldüsen (4a) der Sekundärkühlung (4) abgekühlt wird;
- gesteuertes oder geregeltes Abkühlen des teilerstarrten Strangs (1b) bis zur Durcherstarrung
des Strangs (1) in der Tertiärkühlzone (5);
dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beginnen des Ausziehens die Ausziehgeschwindigkeit v des Kaltstrangs (6)
aus der Kokille (2) auf eine zweite Ausziehgeschwindigkeit v
2 erhöht wird, wobei gilt v
2 > v
1.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhöhen der Ausziehgeschwindigkeit v in Abhängigkeit der Zeit t oder der Stranglänge
s erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhöhen der Ausziehgeschwindigkeit v stückweise stetig, bevorzugt zumindest einmal
stetig differenzierbar, erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhöhen der Ausziehgeschwindigkeit v unstetig, z.B. in diskreten Stufen, erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein thermisches Rechenmodell (7) während des Stranggießens in Abhängigkeit
- einer chemischen Zusammensetzung (15) der Metallschmelze,
- der Primärkühlung (2a) in der Kokille (2),
- der Sekundärkühlung (4) des Strangs (1) in der Strangführung (3),
ständig das Ist-Temperaturfeld des Strangs (1) einschließlich der Ist-Phasengrenzen
zwischen den festen, teigigen und flüssigen Phasen im Strang (1) berechnet, wobei
die Ausziehgeschwindigkeit v des Kaltstrangs (6) aus der Kokille (2) in Abhängigkeit
des Ist-Temperaturfelds und/oder der Ist-Phasengrenzen, insbesondere der Ist-Position
der Sumpfspitze (8), eingestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausziehgeschwindigkeit v des Kaltstrangs (6) derart eingestellt wird, dass die
Ist-Position einer zeitlich abhängigen Soll-Position der Sumpfspitze (8) möglichst
entspricht.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der Sekundärkühlung (4) in Abhängigkeit des Ist-Temperaturfelds und/oder
der Ist-Phasengrenzen, insbesondere der Ist-Position der Sumpfspitze (8), eingestellt
wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Strang (1) in der Tertiärkühlzone
(5) durch eine Wärmeisolation (9) thermisch isoliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmedurchgangskoeffizient U der Wärmeisolation (9) in Abhängigkeit des Ist-Temperaturfelds
und/oder der Ist-Phasengrenzen, insbesondere der Ist-Position der Sumpfspitze (8),
eingestellt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der Sekundärkühlung (4) über der Zeit t oder der Stranglänge s abnimmt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strang (1) in der Tertiärkühlzone (5) durch eine Wärmeisolation (9) thermisch
isoliert wird, wobei ein Wärmedurchgangskoeffizient U der Wärmeisolation (9) in Gießrichtung
(G) zunimmt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stranggießmaschine einen
in Gießrichtung (G) verfahrbaren Strangrührer (14) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Strangrührer (14) während des Ausziehens und nach dem Beenden des Ausziehens
des Kaltstrangs (6) aus der Kokille (2) den Bereich der Sumpfspitze (8) des Strangs
(1) elektromagnetisch rührt.
12. Stranggießmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Stranggießmaschine
- eine Kokille (2) mit einer Primärkühlung (2a),
- in Gießrichtung (G) nachfolgend eine Strangführung (3) mit mehreren Strangführungsrollen
(3a) zum Führen des Strangs (1) sowie eine Sekundärkühlung (4) zum Abkühlen des Strangs
(1), und
- wiederum nachfolgend eine Tertiärkühlzone (5) zum gesteuerten oder geregelten Abkühlen
des Strangs (1) aufweist,
gekennzeichnet durch eine Steuer- oder Regeleinrichtung (10) zur zeit- oder stranglängenabhängigen Steuerung
oder Regelung einer Ausziehgeschwindigkeit v beim Ausziehen des Kaltstrangs (6) aus
der Kokille (2).
13. Stranggießmaschine nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung (10) ein thermisches Rechenmodell (7) umfasst,
das geeignet ist während des Stranggießens in Abhängigkeit
- einer chemischen Zusammensetzung (15) der Metallschmelze,
- der Primärkühlung (2a) in der Kokille (2),
- der Sekundärkühlung (4) des Strangs (1) in der Strangführung (3),
ständig das Ist-Temperaturfeld des Strangs (1) einschließlich der Ist-Phasengrenzen
zwischen den festen, teigigen und flüssigen Phasen im Strang (1) zu berechnen, wobei
die Ausziehgeschwindigkeit v des Kaltstrangs (6) aus der Kokille (2) in Abhängigkeit
des Ist-Temperaturfelds und/oder der Ist-Phasengrenzen, insbesondere der Ist-Position
der Sumpfspitze (8), eingestellt werden kann.
14. Stranggießmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Intensität der Sekundärkühlung (4) und/oder ein Wärmedurchgangskoeffizient U
einer Wärmeisolation (9) in der Tertiärkühlzone (5) in Abhängigkeit des Ist-Temperaturfelds
und/oder der Ist-Phasengrenzen, insbesondere der Ist-Position der Sumpfspitze (8),
eingestellt werden kann.