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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturführung einer Schmelze, vorzugsweise einer Stahlschmelze, in einer gekühlten Stranggiesskokille, wobei der Schmelze Wärme durch die gekühl- ten Kokillenwände kontinuierlich entzogen und der Wärmeinhalt der Schmelze zusätzlich an meh- reren über den Kokillenquerschnitt verteilten Stellen beeinflusst wird, wobei der Wärmeinhalt der Schmelze durch Wärmetausch mit einem ein Wärmetauscherelement durchströmendes Kühlmittel verringert wird. Die Erfindung betrifft weiters eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Beim kontinuierlichen Stranggiessen von Metallen und Metalllegierungen, wie Stahl ist es not- wendig die Schmelze im Verteiler auf eine Überhitzungstemperatur einzustellen, die für die meisten Stahlsorten etwa 15 bis 30 über der Liquidustemperatur liegt. Bei einer sehr niedrigen Überhit- zungstemperatur kommt es beim Überleiten der Schmelze vom Verteiler in die Stranggiesskokille leicht zum Einfrieren (örtlich begrenzten Erstarrungen) der Verteilerausgüsse (Tauchgiessrohre).
Andererseits besteht bei einer hohen Überhitzungstemperatur die Gefahr, dass die in der Kokille gebildete Strangschale unterhalb der Kokille wieder aufschmilzt und durchbricht. Ausserdem treten durch den verzögerten Erstarrungsprozess Mittenseigerungen und Innenrisse vermehrt auf.
Der Erstarrungsprozess wird in der Stranggiesskokille durch einen Primärkühlkreislauf eines Kühlmittels in den den Formhohlraum der Kokille bildenden Kokillenwänden eingeleitet. Durch die von den Kokillenwänden ausgehende zum Strangzentrum entgegengesetzt zur Wärmetransport- richtung fortschreitende Erstarrungsfront muss der gesamte Wärmeinhalt des Gussstranges nach aussen abgeführt werden. Der teildurcherstarrte Gussstrang wird nach dem Austritt aus der Strang- giesskokille in der Sekundärkühlzone der Stranggiessanlage bis zu seiner Durcherstarrung einer weiteren intensiven Aussenkühlung unterzogen.
Die für den Erstarrungvorgang benötigte Zeit nimmt mit zunehmender Strangdicke zu. Bei di- cken Brammen und grossformatigen Vorblockquerschnitten erstreckt sich die Sumpfspitze bis in den horizontalen Auslaufbereich einer Stranggiessanlage. Demnach ist eine intensiv gekühlte Transportstrecke bis zu 10 m Länge durchaus üblich. Die lange Durcherstarrungszeit und die notwendige Überhitzung der Schmelze bedingt nach einer ersten Strangschalenbildung eine Zone mit gerichteter dentritischer Erstarrung, die immer dann auftritt, wenn sich vor der Erstarrungsfront ein Temperaturgradient aufbaut. Bei hoher Überhitzungstemperatur wachsen die Stängelkristalle über weite Bereiche des Brammen- und Vorblockquerschnittes in Richtung zum Strangzentrum und verursachen gerichtetes Korn und vermehrte Zentrumsseigerungen.
Besonders markant wirkt sich eine hohe Überhitzung der Schmelze bei Metallen aus, die keine Gefügeumwandlungen durchmachen, wie dies beispielsweise bei verschiedenen Stahlsorten, etwa ferritischen Stahl oder Siliziumstahl der Fall ist.
Zur grundlegenden Beeinflussung des Dendritenwachstums und zur Vermeidung von Zent- rumsseigerungen in der Schmelze ist es bekannt, sowohl in der Kokille, als auch an einzelnen Bereichen in der Strangführung, beispielsweise der Sumpfspitze, mit elektromagnetischen Rührein- richtungen eine erzwungene Schmelzenströmung einzustellen und solcherart das Temperaturgefälle in der Restschmelze zu reduzieren und ausgeprägte Zentrumsseigerungen zu vermeiden. Durch die Rührbewegung der Schmelze werden Dendritenspitzen abgerissen, die in der Restschmelze als zusätzliche Erstarrungskeime wirken. Grundsätzlich soll durch die Rührbewegung ein feineres globulitisches Gefüge mit guten mechanischen Eigenschaften erzielt werden.
Besonders bei Stählen mit einem hohen Anteil an zu Seigerungen neigenden Elementen, wie Kohlenstoff und Mangan werden Kokillen- und Strangrührer zum Überhitzungsabbau eingesetzt. Dies ändert jedoch nichts daran, dass die Überhitzungswärme durch die Strangschale nach aussen abgeführt werden muss.
Zur gesteuerten oder geregelten Reduktion der Überhitzungstemperatur der Schmelze in einer Stranggiesskokille ist es aus der US-A 3,831,660 und der US-A 3,726,331 beispielsweise bereits bekannt, einen Metalldraht in die Kokille kontrolliert einzuspulen. Damit kann das Strangschalen- wachstum in der Kokille verstärkt werden, da der Draht Keime für eine globulare Erstarrung liefert.
Um die Schmelzentemperatur entsprechend abzusenken, ist jedoch sehr viel Kühldraht einzuspu- len. Es muss hierbei gesichert werden, dass der eingespulte Draht zur Gänze aufschmilzt und eine weitgehende Verteilung erfolgt, um nicht Gefügestörungen zusätzlich zu erzeugen. Dies erfordert jedoch aufwendige Einspuleinrichtungen. Auch bei dieser Lösung muss im Wesentlichen der gesamte Wärmeinhalt des gegossenen Stranges über seine Aussenwände abgeführt werden.
Weiters ist die Möglichkeit bekannt, Metall in granulierter Form in die Stranggiesskokille von
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oben einzubringen und dadurch die Schmelzentemperatur in der Kokille abzusenken. Die zuvor bezüglich des Einspulens von Draht angegebenen Nachteile, stellen sich hier gleichermassen ein.
Zusätzlich muss verhindert werden, dass die Granulate auf der das Schmelzenbad bedeckenden Schlacke aufschwimmen.
Zur Abfuhr von Überhitzungswärme aus der Metallschmelze ist es aus der WO 00/54909 A1 bekannt, bei der Überleitung der Schmelze vom Verteilergefäss in die Kokille, somit noch im Be- reich des Giessrohres, eine Kühleinrichtung vorzusehen. Diese von Kühlwasser durchströmte Kühleinrichtung tritt im Schmelzenkanal direkt mit der Schmelze in Kontakt, scheint jedoch für einen kontinuierlichen Einsatz nicht geeignet, da einerseits die Gefahr einer Beschädigung der Kühleinrichtung zu gross scheint und andererseits die Zielsetzung, nämlich eine Schmelzenüberhit- zung vorzusehen, damit im Giessrohr keine Verstopfungen auftreten, nicht erfüllt wird, wenn die Temperatur bereits vor dem Giessrohr wieder abgesenkt wird.
Aus der DE 751 073 und insbesondere der FR-A 2 526 340 ist es bereits bekannt, von Kühlmit- tel durchflossene Kïhlelemente eingangsseitig in die Stranggiesskokille einzubringen und der Schmelze dadurch zusätzlich zur Primärkühlung durch die Kokillenwand Wärme zu entziehen. An den Kühlelementen lagert sich erstarrte Schmelze an, die in Abhängigkeit von der Kühlwirkung wachsen oder schrumpfen. In unbestimmten Zeitabständen lösen sich Erstarrungsstücke von den Kühlelementen und werden nach unten in den Strang eingetragen, schmelzen teilweise nicht zur Gänze auf und bilden Gefügeanomalien im gegossenen Strang, die zu Einschränkungen der Produktqualität führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher diese Nachteile des beschriebenen Standes der Technik zu vermeiden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperaturführung der Schmelze in der Stranggiesskokille vorzuschlagen, wodurch bereits in der Stranggiesskokille Bedingungen für eine in weiten Bereichen ungerichtete Erstarrungsstruktur geschaffen werden. Ziel der Erfindung ist es daher, innerhalb der Stranggiesskokille, in der Metallschmelze das Entstehen von Kristallisations- keime für eine bevorzugt globulitische Erstarrung der Schmelze in einer bevorzugten Verteilung zu ermöglichen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die durch die Giessstrangoberfläche abzuführende Wär- memenge insgesamt zu reduzieren, ohne die Überhitzungstemperatur vor dem Einbringen der Schmelze in die Kokille zu reduzieren.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass an Stellen, an denen der Wärmein- halt der Schmelze beeinflusst wird, in die Schmelze ragende Erstarrungszungen ausgebildet werden, die mit den an den Kokillenwänden gebildeten Strangschalen zusammenwachsen, bei der Ausförderung des teilerstarrten Stranges wieder aufschmelzen und die Temperatur der Schmelze absenken. Durch eine Veränderung der die einzelnen Wärmetauscherelemente durchströmenden Kühlmittelmenge kann das Wachstum der Erstarrungszungen dahingehend beeinflusst werden, dass sich diese Erstarrungszungen je nach Kühlintensität allmählich auf- oder abbauen.
Das Kühlelement besteht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Cu oder eine Cu-Legierung.
Eine gezielte absenkende Temperaturbeeinflussung bei gleichzeitiger Reduzierung des Wärmeinhalts der Schmelze an mehreren Stellen dieses Kokillenquerschnittes in einer vorgegebe- ner Verteilung schafft Zellen für die Erstarrungskeimbildung an vorbestimmten Orten in gewünsch- ter Menge.
Zweckmässig wird der Wärmeinhalt der in die Stranggiesskokille eingebrachten Schmelze ent- lang der den Kokillenquerschnitt begrenzenden Kokillenwände abschnittsweise beeinflusst. Der wesentliche Vorteil dieser Massnahme besteht in einer gezielten Temperaturabsenkung, Reduzie- rung des Wärmeinhaltes der Schmelze und damit zusätzlichen Kristallisationskeimbildung knapp vor der Erstarrungsfront, die durch die Primärkühlung in der Stranggiesskokille gebildet wird. Durch die Konzentration auf bestimmte Abschnitte entlang und im Abstand von den Formhohlraum be- grenzenden Kokillenwänden wird der Wachstumsprozess der Strangschale an systemkritischen Stellen besonders gefördert.
Bei einer Stranggiesskokille mit Kreisquerschnitt wird der Wärmeinhalt der Schmelze in analo- ger Weise entlang der einzigen den Kokillenquerschnitt begrenzenden Kokillenwand an mehreren vorzugsweise radialsymmetrisch verteilten Stellen beeinflusst.
Bei üblichen, rechteckigen Brammenquerschnitten oder bei Vorblockquerschnitten mit annä-
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hernd quadratischem Querschnitt wird der Wärmeinhalt der Schmelze an mehreren Stellen entlang mindestens zweier den Kokillenquerschnitt begrenzenden Kokillenwänden beeinflusst.
Speziell bei einem rechteckigen Brammenquerschnitt ist es vorteilhaft, wenn der Wärmeinhalt der Schmelze entlang von zwei einander gegenüber liegenden Kokillenwänden beeinflusst wird.
Durch die Reduktion des Wärmeinhalts der Schmelze wird an den Breitseitenwänden der Kokille ein gleichmässiges und verstärktes Schalenwachstum im gegossenen Strang gefördert und der Durcherstarrungsprozess beschleunigt. An den Schmalseitenwänden der Kokille, die selten eine Breite von 300 mm übersteigen, ist eine zusätzliche Beeinflussung des Wärmeinhaltes der Schmelze, insbesondere bei Gussstrangdicken bis 200 mm nicht notwendig. Bei grossen Vorblock- querschnitten mit annähernd quadratischem Querschnitt ist eine Beeinflussung des Wärmeinhaltes entlang aller Kokillenwände zweckmässig.
Vorteilhaft wird der Wärmeinhalt der Schmelze in einem Bereich zwischen der Badoberfläche (Giessspiegel) und einer Badtiefe von bis zu 400 mm, vorzugsweise von bis zu 250 mm, beein- flusst. Über diesen vorgegebenen Tiefenbereich wird der Schmelze Wärme im vorbestimmten oder während des Giessprozesses ermittelten Ausmass entzogen. Beim Giessen von Stahlsträngen mit Brammen- und Vorblockquerschnitt werden üblicherweise Kokillen mit einer Länge von 900 bis 1200 mm eingesetzt, sodass etwa über ein Viertel der Kokillenlänge eine zusätzliche aktive Beein- flussung des Wärmeinhaltes der Schmelze ermöglicht wird. Die positiven Effekte der Kristallisati- onskeimbildung wirken sich allerdings nachhaltig während des gesamten Erstarrungsprozesses aus.
Vorzugsweise erfolgt die erfindungsgemässe Beeinflussung des Wärmeinhaltes dadurch, dass der Wärmeinhalt der Schmelze verringert wird. Insbesondere soll die Überhitzungswärme der Schmelze verringert werden, wobei die Schmelze in diesem Einwirkbereich möglichst gleichmässig bis nahe an die Liquidustemperatur abgekühlt werden soll. Auch eine Unterkühlung der Schmelze liegt im Zielbereich der Erfindung, da unter diesen Bedingungen die Kristallisationskeimbildung besonders rasch erfolgt.
Eine zweckmässige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der Wärmeinhalt der Schmelze in Abhängigkeit von der durchströmenden Kühlmittelmenge geregelt oder gesteuert wird.
Beispielsweise kommt es während des Vergiessens einer Schmelzencharge über die Giesszeit zu einer allmählichen Temperaturabsenkung, die einige wenige Grad beträgt. Gleichermassen kann es beim Sequenzgiessen zu Temperatursprüngen kommen, die durch den Wechsel der Giesspfannen bedingt sind. Auf derartige Veränderungen kann durch eine gesteuerte oder geregelte Kühlmittel- menge Einfluss genommen und die Erstarrungsbedingungen in der Kokille konstant gehalten werden.
Alternativ oder ergänzend hierzu besteht die Möglichkeit, dass der Wärmeinhalt der Schmelze in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe des Wärmetauscherelementes geregelt oder gesteuert wird.
Für derartige giessverfahrensbedingte und schmelzentemperaturabhängige Einflüsse wird vor- geschlagen, dass zur geregelten oder gesteuerten Beeinflussung des Wärmeinhaltes der Schmel- ze zumindest die Zulauftemperatur der Schmelze und die Kühlmittel-Zulauftemperatur vorgegeben oder zumindest einmalig gemessen einem Regler oder einer Recheneinheit zugeführt werden, vom Regler oder einer Recheneinheit auf der Grundlage eines mathematischen Kühlmodells die für eine optimale Gefügestrukturausbildung notwendige Kühlmittelmenge und/oder Eintauchtiefe des Wärmetauscherelementes ermittelt und diese giessverlaufsabhängig geregelt oder gesteuert wird.
Zur Lösung der erfindungsgemässen Aufgabe wird weiters eine Vorrichtung zur Temperaturfüh- rung einer Schmelze, vorzugsweise einer Stahlschmelze, in einer Stranggiesskokille mit gekühlten Kokillenwänden vorgeschlagen, wobei die Kokillenwände einen Formhohlraum für die Aufnahme der Schmelze und die Bildung eines Giessstranges formen, wobei an mehreren über einen Kokil- lenquerschnitt verteilten Stellen in die Schmelze eintauchende Wärmetauscherelemente angeord- net sind, die Wärmetauscherelemente als Kühlelemente ausgebildet sind und mindestens einen Kühlkanal für die Durchleitung eines Kühlmediums aufweisen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wärmetauscherelemente in ihrer Längserstreckung eine keilförmige Aussenkontur aufweisen.
Durch diese Ausgestaltung wird den an den Wärmetauscherelementen gebildeten und mit der Strangschale zusammengewachsenen Erstarrungszungen ein leichtes Loslösen vom Wärmetau- scherelement und eine mit der Ausförderbewegung des Metallstranges synchrone Bewegung ohne
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Rissbildungen ermöglicht.
Zweckmässig sind die Wärmetauscherelemente entlang der den Kokillenquerschnitt begren- zenden Kokillenwände abschnittsweise angeordnet. Zumeist muss in Bereichen, in denen die Schmelze durch ein Tauchgiessrohr unterhalb des Badspiegels in die Kokille eingebracht wird, aus Platzgründen ein grösserer Abstand zwischen benachbarten Wärmetauscherelementen vorgesehen werden. Auch in den Kantenbereichen der Kokille wird auf die Anordnung von Wärmetauscherele- menten verzichtet, da hier bereits ein verstärktes Schalenwachstum durch die Winkellage der anwachsenden Erstarrungsfronten gegeben ist.
Die Wärmetauscherelemente sind an mehreren Stellen entlang mindestens zweier den Kokil- lenquerschnitt begrenzenden Kokillenwände angeordnet, wobei diese Wärmetauscherelemente zur Einhaltung einer symmetrischen Strangbildung und im Hinblick auf die Strangverformung im Strangführungsgerüst bevorzugt an zwei einander gegenüberliegenden Kokillenwänden angeord- net sind. Zweckmässig sind dies die Breitseitenwände der Kokille, die die Breitseiten des gegosse- nen Stranges ausbilden, im Ro!!engerüst der Strangführung abgestützt und einer besonderen mechanischen Belastung ausgesetzt sind.
Zur Ausbildung einer weitgehend gleichmässigen Erstarrungsfront, insbesondere an den Breit- seiten der Kokille, sind die entlang einer Kokillenwand angeordneten Wärmetauscherelemente zumindest abschnittsweise in einer Reihe mit konstantem Abstand voneinander angeordnet. Bei parallel zueinander angeordneten Reihen von Wärmetauscherelementen sind diese Reihen um den halben Abstand der Wärmetauscherelemente versetzt angeordnet.
Zweckmässig sind die Wärmetauscherelemente eingangsseitig in den Formhohlraum der Stranggiesskokille ragend angeordnet und tauchen bis zu 400 mm, vorzugsweise bis zu 250 mm, in die Schmelze ein. Damit wird über einen Teilbereich der Kokillenhöhe eine thermische Beeinflus- sung der in der Schmelze gezielt vorgenommen.
Die Wärmetauscherelemente sind gegebenenfalls an einem gemeinsamen Hubrahmen befes- tigt, der eine leichte Demontierbarkeit oder auch eine Relativbewegung zur Kokille ermöglicht, mit der die Eintauchtiefe des Wärmetauscherelementes gezielt einstellbar ist.
Um die Temperaturverhältnisse in einem ausreichenden Bereich vor der Erstarrungsfront be- einflussen zu können, sind die Wärmetauscherelemente im Querschnitt annähernd linsenförmig ausgebildet und mit ihrer linsenförmigen Längserstreckung normal zur Kokillenwand orientiert. Die im Wesentlichen flach ausgebildeten Wärmetauscherelemente ragen somit weit in das Kokillenin- nere vor und beeinflussen in einem breiten Band vor der Erstarrungsfront die Temperaturverhält- nisse in der Schmelze. Um die Ausbildung einer gleichmässigen Erstarrungsfront durch die Primär- kühlung der Kokille nicht zu stören, ist zwischen Kokillenwand und Wärmetauscherelement ein Abstand von mindestens 10 mm eingestellt.
Die Wärmetauscherelemente sind auf der Stranggiesskokille abgestützt, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Versorgungskonsole, und oszillieren mit dieser synchron.
Die Wärmetauscherelemente können jedoch auch über Versorgungskonsolen auf der Strang- giesskokille abgestützt sein und die Versorgungskonsolen mit einer Hubeinrichtung relativ zur Stranggiesskokille heb- und senkbar abgestützt sein. Damit können unterschiedliche Eintauchtiefen der Wärmetauscherelemente in der Schmelze eingestellt werden, wodurch die aktive Wärmetau- scheroberfläche der Wärmetauscherelemente einzeln oder gruppenweise steuer- bzw. regelbar ist.
Die Wärmetauscherelemente können nach einer weiteren Ausführungsform auch an mit der Stranggiesskokille nicht mitoszillierenden Versorgungskonsolen abgestützt sein. Die Versorgungs- konsolen sind in diesem Fall an einem starren Traggerüst befestigt. Trotzdem besteht die Möglich- keit, dass die Eintauchtiefe einzelnen Wärmetauscherelemente oder Gruppen von Wärmetau- scherelementen in die Metallschmelze im Formhohlraum der Stranggiesskokille steuer- oder regel- bar ist, wenn die einzelnen Versorgungskonsolen mittels Hubelementen relativbeweglich zum starren Traggerüst angeordnet sind.
Die Wärmetauscherelemente sind mit Zuleitungen und Ableitungen für das Kühlmittel verbun- den, wobei der Zuleitung oder der Ableitung eine Mengenreguliereinrichtung für eine gesteuerte oder geregelte Durchleitung des Kühlmittels zugeordnet ist. Es können auch mehrere Wärmetau- scherelemente mit einer Mengenreguliereinrichtung gekoppelt sein, wenn für Gruppen von Wärme- tauscherelementen eine individuelle Kühlmittelversorgung nicht notwendig ist.
Zur Sicherstellung einer vom Giessprozess abhängigen Kühlmittelversorgung der Wärmetau-
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scherelemente ist den Wärmetauscherelementen ein Regler oder eine Recheneinheit zugeordnet ist, dem/der zumindest die vorgegebene, vorzugsweise von einer Temperaturmesseinrichtung im Verteilergefäss gemessene, Zulauftemperatur der der Stranggiesskokille zugeführten Schmelze und zumindest eine Kühlmittelkenngrösse, vorzugsweise die von einer Temperaturmesseinrichtung ermittelte Kühlmittel-Zulauftemperatur, aufgeschalten ist und der/die auf der Grundlage eines mathematischen Kühlmodelles den für eine optimale Gefügestrukturausbildung notwendige Kühl- mittelmenge ermittelt und über ein Steuersignal die Mengenreguliereinrichtung und/oder eine Hubeinrichtung für die Wärmetauscherelemente steuert/regelt.
Eine Einbindung dieses Kühlmodelles in ein bestehendes Kühlmodell für die Stranggiesskokille oder eine Ergänzung unter Einbeziehung des Primärkühlkreislaufes in der Stranggiesskokille ist mit zumindest einer zusätzlichen Kühlmittel-Temperaturmessung im Primärkühlkreislauf durchführbar.
Auch eine Kopplung mit einem Strangkühlmodell, wie es für die Sekundärkühlung in der Strangfüh- rung einer Stranggiessanlage üblicherweise vorgesehen ist, ist möglich.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen- den Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele, wobei auf die beiliegenden Figu- ren Bezug genommen wird, die folgendes zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Brammenkokille mit einer möglichen Anordnung der erfin- dungsgemässen Wärmetauscherelemente,
Fig. 2 eine analoge Anordnung der Wärmetauserelemente für einen grossformatigen Vor- blockquerschnitt,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Brammenkokille im Bereich eines Wärmetauscherele- mentes,
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Brammenkokille mit einer symmetrischen Abfolge der
Wärmetauscherelemente,
Fig. 5 ein Wärmetauscherelement im Aufriss,
Fig. 6 das Wärmetauscherelement gemäss Fig. 5 im Schrägriss,
Fig. 7 Steuer- bzw.
Regelschema für das Wärmetauscherelement,
Fig. 8 Diagramm, welches den Temperaturverlauf im Brammenzentrum mit und ohne Einsatz der erfindungsgemässen Wärmetauscherelemente zeigt.
In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung eine Stranggiesskokille 1 für die Herstellung eines Gussstranges mit Brammenquerschnitt dargestellt. Die Stranggiesskokille besteht aus Breitseiten- wände bildenden Kokillenwänden 2,3, die sich an Stützwänden 4,5 abstützen. Zwischen den Breitseitenwänden sind verstellbare Schmalseitenwände bildende Kokillenwände 6, 7 angeordnet, die sich an Stützwänden 8,9 abstützen. Zwischen den Kokillenwänden 2, 3, 6,7 und den zugehö- rigen Stützwänden 4,5, 8,9 sind nicht dargestellte Kühlmittelkanäle angeordnet, durch die Kühl- mittel, vorzugsweise Kühlwasser, in vorbestimmter Menge gepumpt wird. Dieses Primärkühlsystem ermöglicht die Wärmeabfuhr aus der Schmelze durch die Kokillenwände und den Aufbau einer umlaufenden und in Strangförderrichtung stetig anwachsenden Strangschale 10 (siehe Fig. 3) an den Kokillenwänden.
Die Kokillenwände bilden den Formhohlraum 11 der Stranggiesskokille.
Schmelze wird von einem nicht dargestellten Zwischengefäss, welches oberhalb der Stranggiessko- kille positioniert ist durch ein zentrisch in den Formhohlraum ragendes Giessrohr 12 in die Strang- giesskokille 1 eingebracht. Bei laufendem Giessprozess ist die Stranggiesskokille bis zu einer be- stimmten Füllhöhe mit Schmelze gefüllt, wobei die Badoberfläche 13 (siehe Fig. 3) den Giessspie- gel bildet und auf diesem Höhenniveau einen Kokillenquerschnitt 14 ausbildet.
Einzelne Wärmetauscherelemente 15 sind über Halterungen 16 auf der Stranggiesskokille 1 be- festigt. Vier Wärmetauscherelemente 15a sind in symmetrischer Verteilung um das Giessrohr 12 angeordnet, weitere Wärmetauscherelemente 15 sind parallel zu den die Breitseitenwände bilden- den Kokillenwänden 2,3 in zwei Reihen und im Abstand voneinander positioniert. Die beiden Reihen von Wärmetauscherelementen 15 sind versetzt positioniert. Den die Schmalseitenwände bildenden Kokillenwänden 6,7 sind keine Wärmetauscherelemente zugeordnet, da ausgehend von den Kantenbereichen der Kokille bereits ein verstärktes Strangschalenwachstum stattfindet.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Stranggiesskokille 1 für die Herstellung eines Stahlstranges mit annähernd quadratischem Querschnitt. Der strukturelle Aufbau dieser Stranggiesskokille mit Kokillenwänden 2, 3, 6, 7 und zugeordneten Stützwänden 4, 5, 8, 9 entspricht dem der Brammenkokille nach Fig.
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The invention relates to a method for the temperature control of a melt, preferably a molten steel, in a cooled continuous casting mold, wherein the melt heat continuously withdrawn through the cooled mold walls and the heat content of the melt is additionally influenced at several distributed over the mold cross-sectional areas the heat content of the melt is reduced by heat exchange with a coolant flowing through a heat exchanger element. The invention further relates to a device for carrying out the method.
In the continuous casting of metals and metal alloys, such as steel, it is necessary to set the melt in the distributor to an overheating temperature, which for most steel grades is about 15 to 30 above the liquidus temperature. At a very low overheating temperature, when passing the melt from the distributor into the continuous casting mold, freezing (localized solidification) of the distributor outlets (immersion casting tubes) easily occurs.
On the other hand, with a high overheating temperature there is the risk that the strand shell formed in the mold melts again below the mold and breaks through. Moreover, the delayed solidification process causes increased segregation and internal cracks.
The solidification process is initiated in the continuous casting mold by a primary cooling circuit of a coolant in the mold cavity of the mold forming mold walls. By proceeding from the mold walls to the strand center opposite to the direction of heat transfer progressing solidification front of the entire heat content of the cast strand must be dissipated to the outside. The partially solidified cast strand is subjected to further intensive external cooling after it leaves the continuous casting mold in the secondary cooling zone of the continuous casting plant until it solidifies.
The time required for the solidification process increases with increasing strand thickness. For thick slabs and large-format slab cross-sections, the sump tip extends into the horizontal outlet area of a continuous casting plant. Accordingly, an intensely cooled transport route up to 10 m in length is quite common. The long solidification time and the necessary overheating of the melt requires, after a first strand shell formation, a zone of directional dendritic solidification, which always occurs when a temperature gradient builds up before the solidification front. At high superheat temperatures, the stalk crystals grow over wide areas of the slab and billet cross section toward the strand center, causing directional grain and increased center segregations.
Particularly pronounced is a high overheating of the melt from metals that do not undergo microstructural changes, as is the case for example with different steel grades, such as ferritic steel or silicon steel.
In order to fundamentally influence dendrite growth and to avoid center segregations in the melt, it is known to set a forced melt flow both in the mold and in individual regions in the strand guide, for example the sump tip, using electromagnetic stirring devices and thus the temperature gradient to reduce in the residual melt and to avoid pronounced center segregations. Due to the stirring motion of the melt, dendrite tips are torn off, which act as additional solidification nuclei in the residual melt. Basically, a finer globulitic structure with good mechanical properties should be achieved by the stirring motion.
Especially with steels with a high proportion of segregation-prone elements, such as carbon and manganese, mold and strand stirrers are used for overheating degradation. However, this does not change the fact that the overheating heat must be dissipated through the strand shell to the outside.
For the controlled or controlled reduction of the superheat temperature of the melt in a continuous casting mold, it is already known, for example from US Pat. No. 3,831,660 and US Pat. No. 3,726,331, to feed a metal wire into the mold in a controlled manner. In this way, the strand shell growth in the mold can be enhanced because the wire provides seeds for globular solidification.
In order to lower the melt temperature accordingly, however, a great deal of cooling wire has to be inserted. It must be ensured in this case that the wound-in wire melts completely and an extensive distribution takes place in order not to additionally create structural defects. However, this requires expensive Einspuleinrichtungen. Even with this solution, essentially the entire heat content of the cast strand has to be dissipated via its outer walls.
Furthermore, the possibility of metal in granulated form in the continuous casting mold of
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above and thereby lower the melt temperature in the mold. The disadvantages mentioned above with regard to the winding in of wire, are here in equal measure.
In addition, the granules must be prevented from floating on the slag covering the melt bath.
In order to dissipate superheated heat from the molten metal, it is known from WO 00/54909 A1 to provide a cooling device during the transfer of the melt from the distributor vessel into the mold, thus still in the region of the pouring tube. This cooling device, through which cooling water flows, comes into direct contact with the melt in the melt channel, but does not seem suitable for continuous use, since on the one hand the risk of damaging the cooling device seems too great and on the other hand the objective of providing melt overheating, thus in the casting tube no blockages occur, is not met when the temperature is lowered again before the pouring tube.
It is already known from DE 751 073 and FR-A 2 526 340 in particular to introduce cooling elements through which coolant flows on the input side into the continuous casting mold and thereby to extract heat from the melt in addition to the primary cooling through the mold wall. The cooling elements are solidified melt, which grow or shrink depending on the cooling effect. At indefinite intervals, solidification pieces are released from the cooling elements and are introduced down the strand, sometimes do not melt completely and form structural anomalies in the cast strand that lead to product quality limitations.
The object of the invention is therefore to avoid these disadvantages of the prior art described and to propose a method and a device for temperature control of the melt in the continuous casting mold, which are already created in the continuous casting mold conditions for a non-directional in many areas solidification structure. The aim of the invention is therefore, within the continuous casting mold, in the molten metal to allow the formation of nuclei for a preferably globulitic solidification of the melt in a preferred distribution.
Another object of the invention is to reduce the total amount of heat to be dissipated by the casting strand surface without reducing the superheating temperature prior to introducing the melt into the mold.
According to the invention, this object is achieved in that, in places where the heat content of the melt is influenced, solidifying tongues projecting into the melt are formed, which grow together with the strand shells formed on the mold walls, melt again when the partially solidified strand is removed, and the Lower the temperature of the melt. By changing the amount of coolant flowing through the individual heat exchanger elements, the growth of the solidification tongues can be influenced so that these solidification tongues gradually build up or break down depending on the cooling intensity.
The cooling element is made of a material having high thermal conductivity, such as Cu or a Cu alloy.
A targeted lowering temperature influencing while reducing the heat content of the melt at several points of this Kokillenquerschnittes in a given distribution creates cells for the solidification nucleation at predetermined locations in the desired amount.
Advantageously, the heat content of the melt introduced into the continuous casting mold is influenced in sections along the mold walls delimiting the mold cross section. The main advantage of this measure is a targeted reduction in temperature, reduction of the heat content of the melt and thus additional nucleation just before the solidification front, which is formed by the primary cooling in the continuous casting mold. By concentrating on certain sections along and at a distance from the mold cavity bounding mold walls, the growth process of the strand shell at system critical points is particularly promoted.
In a continuous casting mold having a circular cross section, the heat content of the melt is influenced in an analogous manner along the single mold wall delimiting the mold cross section at a plurality of preferably radially symmetrically distributed points.
For conventional, rectangular slab cross-sections or for pre-block cross-sections with approx.
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With an approximately square cross-section, the heat content of the melt is influenced at several points along at least two mold walls delimiting the mold cross-section.
Especially in the case of a rectangular slab cross-section, it is advantageous if the heat content of the melt is influenced along two mold walls lying opposite one another.
By reducing the heat content of the melt, a uniform and increased shell growth in the cast strand is promoted on the broad side walls of the mold and the through-solidification process is accelerated. On the narrow side walls of the mold, which rarely exceed a width of 300 mm, an additional influence on the heat content of the melt, especially in cast strand thicknesses up to 200 mm is not necessary. In the case of large pre-block cross sections with an approximately square cross-section, it is expedient to influence the heat content along all mold walls.
Advantageously, the heat content of the melt in an area between the bath surface (Giessspiegel) and a bath depth of up to 400 mm, preferably of up to 250 mm, influenced. About this predetermined depth range of the melt heat is removed in the predetermined or determined during the casting process extent. When casting steel strands with a slab and slab cross-section, usually molds with a length of 900 to 1200 mm are used, so that about more than a quarter of the mold length enables additional active influencing of the heat content of the melt. However, the positive effects of crystallization nucleation have a lasting effect throughout the solidification process.
The influencing of the heat content according to the invention preferably takes place in that the heat content of the melt is reduced. In particular, the heat of superheat of the melt should be reduced, wherein the melt should be cooled as uniformly as possible to near the liquidus in this area of action. A subcooling of the melt is within the scope of the invention, since under these conditions, the nucleation is particularly rapid.
An expedient embodiment of the invention is that the heat content of the melt is controlled or controlled in dependence on the amount of coolant flowing through.
For example, during the pouring of a melt charge over the casting time, a gradual decrease in temperature occurs, which amounts to a few degrees. Likewise, during sequence casting, temperature jumps can occur that are caused by the change of casting pans. Such changes can be influenced by a controlled or regulated amount of coolant and the solidification conditions in the mold can be kept constant.
Alternatively or additionally, there is the possibility that the heat content of the melt is controlled or controlled as a function of the immersion depth of the heat exchanger element.
For such pouring process-dependent and melt temperature-dependent influences, it is proposed that, for the controlled or controlled influencing of the heat content of the melt, at least the feed temperature of the melt and the coolant feed temperature are predetermined or at least once fed measured to a controller or a computing unit, by the controller or a Arithmetic unit on the basis of a mathematical cooling model determines the necessary for an optimal microstructure education coolant quantity and / or immersion depth of the heat exchanger element and this is controlled depending on Giessverlaufs or controlled.
To solve the problem of the invention, a device is also proposed for the temperature control of a melt, preferably a molten steel, in a continuous casting mold with cooled mold walls, wherein the mold walls form a mold cavity for receiving the melt and forming a casting strand, wherein several of them form a mold Kokil- lenquerschnitt distributed places in the melt dipping heat exchanger elements are arranged, the heat exchanger elements are designed as cooling elements and have at least one cooling channel for the passage of a cooling medium. The inventive device is characterized in that the heat exchanger elements have a wedge-shaped outer contour in their longitudinal extent.
As a result of this configuration, the solidification tongues formed on the heat exchanger elements and coalesced with the strand shell become easily detached from the heat exchanger element and move synchronously with the discharge movement of the metal strand
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Cracks possible.
Expediently, the heat exchanger elements are arranged in sections along the mold walls delimiting the mold cross section. In most cases, in areas where the melt is introduced by a Tauchgiessrohr below the bath level in the mold, a greater distance between adjacent heat exchanger elements must be provided for reasons of space. Even in the edge regions of the mold, the arrangement of heat exchanger elements is dispensed with, since here an increased shell growth due to the angular position of the growing solidification fronts is already present.
The heat exchanger elements are arranged at several points along at least two mold walls delimiting the mold cross section, these heat exchanger elements preferably being arranged on two mutually opposite mold walls in order to maintain a symmetrical strand formation and with regard to strand deformation in the strand guide stand. These are expediently the broad side walls of the mold, which form the broad sides of the cast strand, are supported in the tube frame of the strand guide and are subjected to a particular mechanical load.
To form a largely uniform solidification front, in particular on the broad sides of the mold, the heat exchanger elements arranged along a mold wall are arranged at least in sections in a row with a constant spacing from one another. In mutually parallel rows of heat exchanger elements, these rows are arranged offset by half the distance of the heat exchanger elements.
Suitably, the heat exchanger elements are arranged on the input side protruding into the mold cavity of the continuous casting mold and dip up to 400 mm, preferably up to 250 mm, in the melt. In this way, over a subarea of the mold height, a thermal influencing of the one in the melt is carried out selectively.
If necessary, the heat exchanger elements are fastened to a common lifting frame which permits easy dismantling or also a relative movement to the mold with which the depth of immersion of the heat exchanger element can be selectively adjusted.
In order to be able to influence the temperature conditions in a sufficient area in front of the solidification front, the heat exchanger elements are approximately lens-shaped in cross-section and oriented with their lenticular longitudinal extent normal to the mold wall. The essentially flat heat exchanger elements project thus far into the mold interior and influence the temperature conditions in the melt in a wide band in front of the solidification front. In order not to disturb the formation of a uniform solidification front by the primary cooling of the mold, a distance of at least 10 mm is set between the mold wall and the heat exchanger element.
The heat exchanger elements are supported on the continuous casting mold, optionally with the interposition of a supply console, and oscillate with this synchronously.
However, the heat exchanger elements can also be supported via supply consoles on the continuous casting mold and the supply consoles can be raised and lowered with a lifting device relative to the continuous casting mold. Thus, different immersion depths of the heat exchanger elements in the melt can be adjusted, whereby the active heat exchanger surface of the heat exchanger elements can be controlled or regulated individually or in groups.
The heat exchanger elements can be supported according to a further embodiment also on non-oscillating with the continuous casting mold supply brackets. The supply brackets are in this case attached to a rigid support frame. Nevertheless, there is the possibility that the immersion depth can be controlled or regulated by individual heat exchanger elements or groups of heat exchanger elements in the molten metal in the mold cavity of the continuous casting mold, if the individual supply brackets are arranged relative to the rigid support frame by means of lifting elements.
The heat exchanger elements are connected to supply lines and outlets for the coolant, wherein the supply line or the discharge line is assigned a quantity regulating device for a controlled or regulated passage of the coolant. A plurality of heat exchanger elements can also be coupled to a quantity-regulating device if an individual coolant supply is not necessary for groups of heat exchanger elements.
To ensure a cooling medium supply dependent on the casting process of the heat exchanger.
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Shear elements is associated with the heat exchanger elements, a controller or a computing unit, the / at least the predetermined, preferably measured by a temperature measuring device in the distribution vessel inlet temperature of the continuous casting mold supplied melt and at least one Kühlmittelkenngrösse, preferably the determined by a temperature measuring device coolant inlet temperature is switched on and which determines, on the basis of a mathematical cooling model, the quantity of coolant required for an optimal microstructure formation and controls / regulates the quantity regulating device and / or a lifting device for the heat exchanger elements via a control signal.
An integration of this cooling model into an existing cooling model for the continuous casting mold or a supplement involving the primary cooling circuit in the continuous casting mold can be carried out with at least one additional coolant temperature measurement in the primary cooling circuit.
A coupling with a strand cooling model, as is usually provided for the secondary cooling in the strand guidance of a continuous casting plant, is also possible.
Further advantages and features of the present invention will become apparent from the following description of non-limiting embodiments, reference being made to the attached figures, which show the following:
1 is a plan view of a slab mold with a possible arrangement of the inventive heat exchanger elements,
2 shows an analogous arrangement of the heat exchanger elements for a large-scale pre-block cross section,
3 shows a longitudinal section through a slab mold in the region of a heat exchanger element,
Fig. 4 shows a cross section through a slab mold with a symmetrical sequence of
Heat exchanger elements,
5 shows a heat exchanger element in elevation,
6 shows the heat exchanger element according to FIG. 5 in an oblique view, FIG.
7 control or
Control scheme for the heat exchanger element,
8 shows a diagram which shows the temperature profile in the slab center with and without the use of the heat exchanger elements according to the invention.
In Fig. 1, a continuous casting mold 1 for the production of a cast strand with slab cross section is shown in a schematic representation. The continuous casting mold consists of long side walls forming mold walls 2, 3, which are supported on support walls 4, 5. Between the broad side walls adjustable narrow side walls forming mold walls 6, 7 are arranged, which are supported on support walls 8.9. Between the mold walls 2, 3, 6, 7 and the associated support walls 4, 5, 8, 9, coolant channels (not shown) are arranged, through which coolant, preferably cooling water, is pumped in a predetermined amount. This primary cooling system allows heat removal from the melt through the mold walls and the construction of a continuous strand shell 10 which grows steadily in the strand conveying direction (see FIG. 3) on the mold walls.
The mold walls form the mold cavity 11 of the continuous casting mold.
Melt is introduced from an intermediate vessel, not shown, which is positioned above the Stranggiessko- kille by a centrally projecting into the mold cavity pouring tube 12 in the continuous casting mold 1. When the casting process is running, the continuous casting mold is filled with melt up to a certain filling level, the bath surface 13 (see FIG. 3) forming the pouring mirror and forming a mold cross section 14 at this height level.
Individual heat exchanger elements 15 are fastened via holders 16 on the continuous casting mold 1. Four heat exchanger elements 15a are arranged in a symmetrical distribution around the pouring tube 12, further heat exchanger elements 15 are positioned parallel to the mold walls 2,3 forming the broad side walls in two rows and at a distance from one another. The two rows of heat exchanger elements 15 are positioned offset. The forming the narrow side walls Kokillenwänden 6.7 are not associated with any heat exchanger elements, since starting from the edge regions of the mold already takes place an increased strand shell growth.
Fig. 2 shows a schematic representation of a continuous casting mold 1 for the production of a steel strand with an approximately square cross-section. The structural design of this continuous casting mold with mold walls 2, 3, 6, 7 and associated support walls 4, 5, 8, 9 corresponds to that of the slab mold of FIG.