DE2320277A1

DE2320277A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung und ueberwachung der schalendicke eines erstarrenden koerpers

Info

Publication number: DE2320277A1
Application number: DE2320277A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Phys Dr Doerr; Hartwig Dipl Ing Matzner; Tilmann Dipl Ing Dr Noska
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1973-04-17
Filing date: 1973-04-17
Publication date: 1974-11-07
Also published as: AT337381B; DE2320277B2; ATA28474A; FR2226660A1; US3923091A; FR2226660B1; JPS5010195A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung und überwachung der Schalendicke eines erstarrenden Körpers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung und überwachung der Schalendicke eines erstarrenden Körpers, insbesondere des Schalenwachstums eines Stranges beim Stranggießverfahren innerhalb einer flüssigkeit sgekühlten oben und unten offenen Kokille, wobei der flüssige Sumpf innerhalb des Stranges ein Mehrfaches der Kokillenlänge beträgt.

Beim Stranggießen ist es von großer Bedeutung, daß die in der Kokille gebildete Strangschale um den ganzen Strangumfang eine gleichmäßige Dicke erreicht, die beim Kokillenaustritt eine ausreichende Festigkeit aufweist, um Störungen möglichst auszuschließen·

Um dieses zu erreichen, geht man heute von Erfahrungswerten aus, d.h., die Abstimmung von Gießgeschwindigkeit, Kühlung und evtl. Konizität der Kokille erfolgt nach Erfahrungswerten

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Büro Berlin

Fernsprecher: 885 60 37 / 886 23 82 Drahtwort: Invention Berlin

Bankkonto: W. Meissner, Berliner Bank AG, Berlln-Halensee Kurfürstendamm 130, Konto-Nr. 3695716 000

Poetscheckkonto: W. Meissner, Berlin West 12282-109

derart, daß man bei Kokillenaustritt mit ausreichender Sicherheit eine Schalenstärke erhalten kann, die Störungen weitgehend unwahrscheinlich erscheinen läßt·

Die Strangabzugsgeschwindigkeit und somit die Leistungsfähigkeit einer Stranggießanlage ist also aufgrund mangelnder bzw. ungenauer Informationen den Prozeßablauf in der Kokille betreffend begrenzt.

Es ist ferner bekannt, die Schalendicke eines Stranges unter Verwendung von quer zum Werkstück gesendeten Wellen oder Strahlen zu ermitteln und die Schalendicke als Maß zur Steuerung der Stranggießanlage zu verwenden. Mit diesem Verfahren läßt sich die Schalendicke jedoch erst unterhalb der Kokille ermitteln·

Es ist auch versucht worden, mit Hilfe mathematischer kodelle die Vorgänge in der Kokille rechnerisch zu erfassen bzw, zu simulieren, um sich mit den so gewonnenen Aussagen an irgendwelche Verfahrensgrenzen heranzutasten.

Der große Uhsicherheitsfaktor bei jeder Modellbetrachtung ist u.a. jedoch das Problem der Spaltbildung und somit die genaue Berechnung des über die Kokillenhöhe nicht konstanten Wärmeüberganges. Die sich plötzlich ändernde Wärmeübergangsbedingungen durch Abheben des Stranges von der Kokillenwand können theoretisch nicht mit ausreichender Genauigkeit und Sicherheit erfaßt werden, da einerseits weder Ort noch Mechanismus des Abhebevorganges genügend geklärt ist und andererseits die Wärmeübergangsverhältnisse im Spalt noch viel komplexere Formen annehmen als im oberen !Teil der Kokille, bevor es zur Spalt bildung kommt. Außerdem ist es sehr unwahrscheinlich, daß die Spaltbildung am gesamten Umfang der Kokille zur gleichen Zeit bzw· auf gleicher Höhe erfolgt.

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Einen anderen ?/eg, Informationen über die Vorgänge in der Kokille zu erhalten, bietet die Meßtechnik. So·sind bei in Betrieb befindlichen Anlagen bereits Überwachungssysteme bekannt, die aufgrund der Messung der Wärmeleistung der Kokille Hinweise für Steuerung und Überwachung geben. Die Wärmeleistung wird dabei über die Wassermenge und die Ein- und die Auslauftemperatur des Kühlwassers bestimmt. Gesteigert kann der Wert dieser Hinweise werden, wenn die Kühlleistung der Kokille nach Kokillenseiten getrennt gemessen und registriert wird.

Da bei diesen Systemen entweder die Gesamtkühlleistung der Kokille gemessen oder höchstens eine nach Kokillenseiten getrennte Kühlleistung benimmt werden kann, ist es nicht möglich, für aus Erfahrung speziell gefährdete Kokillenlängsabschnitte ausreichend genaue Aussagen zu treffen, da die gemessene Gesamtkühlleistung der ganzen Kokille bzw. die einzelnen Kokillenplatten nicht bzw. nur ungenau auf die Kühlung bzw. Wärmeabfuhr an erfahrungsgemäß gefährdeten Kokillenabschnitten schließen läßt.

Die Erfindung hat die Aufgabe, die geschilderten Nachteile zu vermeiden und in einfacher Weise eine Prozeßkenngröße zu erstellen, die bereits Aussagen über die Schalenausbildung und über die Schalendicke des Stranges am Kokillenaustritt, insbesondere an erfahrungsgemäß besonders gefährdeten Breiten-Abschnitten der Kokille zuläßt, die ferner einen Vergleich der Schalenstärke über den Strangumfang gestattet und in an sich bekannter Weise zur Regelung des Stranggießverfahrens benutzt werden kann.

Die Erfindung löst die Aufgabe, bei einem Verfahren zur Ermittlung und Überwachung der Schalendicke eines erstarrenden Körpers, insbesondere des Schalenwachstums eines Stranges beim Stranggießverfahren innerhalb einer flüssigkeitsgekühlten oben und unten offenen Kokille, wobei der flüssige Sumpf

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innerhalb des Stranges ein Mehrfaches der Kokillenlänge beträgt, erfindungsgemäß dadurch, daß das Verhältnis der Wärmeabfuhren verschiedener ubereinanderliegender Kühlzonen eines oder mehrerer Breitenbereiche der Kokille (Kenngröße K) und die Gesamtwärmeabfuhr in diesem Breitenbereich oder die Oberflächentemperatur des Stranges am Kokillenaustritt in diesem Breitenbereich gemessen und durch funktionale Verknüpfung zur Anzeige der Strangschalendicke benutzt wird. Bereits die erhaltene Kenngröße K, bzw. Abweichungen von einem vorgegebenen Wert von K, kann in an sich bekannter Weise zur Regelung des Stranggießverfahrens benutzt werden.

Fach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das Wärmeabfuhrverhältnis (K) in der Kokille und die Oberflächentemperatur am Kokillenaustritt an mehreren übereinstimmenden Breitenbereichen gemessen und zur Überwachung des Schalenwachstums über die Strangbreite miteinander verglichen. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß in einer an sich bekannten mit in Gießrichtung verlaufenden durchgehenden Kanälen versehenen Kokille das Verhältnis der Wärmeabfuhren im oberen und unteren Teil dadurch bestimmt wird, daß die Temperatur des auslaufenden und des einlaufenden Kühlwassers sowie die Temperatur des Wassers in der Mitte eines Führungskanals durch entsprechende Thermofühler gemessen wird. Es liegt mit im Rahmen der Erfindung, daß zur Messung des Wärmeabfuhrverhältnisses in der Kokille das Kühlwasser in zwei Höhenabschnitten der Kokille getrennt geführt wird und die Ein- und Auslauftemperaturen des Kühlwassers beider Kreisläufe gemessen wird. In diesem Falle müssen zusätzlich die pro Zeiteinheit durchgesetzten Wassermengen ermittelt werden«

Bei der Ermittlung der Kenngröße K geht die Erfindung von der bereits bekannten Tatsache aus, daß bei der Abkühlung des Stranges in der Kokille u.a. aufgrund des Schalenwachstums und der Spaltbildung nicht über die gesamte Kokillenhöhe gleich viel Wärme abgezogen wird, die Verteilung der Wärmestromdichte (q) über die Kokillenhöhe also nicht konstant ist,

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Es kommt vielmehr zu einer Wärmestromdichtenverteilung mit einem ausgeprägten Maximum im oberen Kokillenabschnitt. Diese Tatsache macht sich die Erfindung zunutze. Mit Hilfe von Modelluntersuchungen konnte gezeigt werden, daß die Schalenstärke bei Kokillenaustritt von der gesamten, im betrachteten Breitenabschnitt der Kokille abgeführten Wärme und von der Verteilung der Wärmestromdichte über die Kokillenhöhe abhängt. Aus der im betrachteten Breitenabschnitt abgeführten Gesamtwärmemenge und ihrer Verteilung über die Kokillenhöhe resultiert, wie ebenfalls mittels Modelluntersuchungen gezeigt werden konnte, eine ganz bestimmte Oberflächentemperatur (r^i) des Stranges bei Kokillenaustritt. Der Zusammenhang zwischen ^ und der Schalenstärke (s) bei Kokillenaustritt, der Verteilung der Wärmestromdichte über die Kokillenhöhe und der Gesamtwärmeabfuhr im betrachteten Breitenabschnitt kann als Kurvenschar dargestellt und auch in arithmetischer Form beschrieben werden· Diese Kurvenscharen sind in Fig. 2 dargestellt, wobei Parameter dieser Kurvenscharen bei jeweils konstanter Gießgeschwindigkeit die mittlere Wärmeabfuhr im betrachteten Breitenabschnitt ist.

Die Fig. 2 zeigt für eine konstante Gießgeschwindigkeit (v^,) im linken Teil die Zusammenhänge der meßbaren Größen K, und der Gesamtwärmeabfuhr Q. Die Meßwerte K^ und ^? in der Kurvenschar auf der linken Hälfte der Fig. 2 eindeutig die Kurve mit dem Parameter Q^t welcher wiederum in der rechten Hälfte der Fig. 2 die Kurve mit demselben Parameter Q2 entspricht. Über diese Parameter Q2 kaum nun, da die Kurvenschar in der rechten Hälfte der Fig. 2 den Zusammenhang zwischen K, s und Q beschreibt, die Schalenstärke s bestimmt werden»

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Der mathematische Zusammenliang -zwischen der Schalendicke s und den Meßgrößen K und der Oberflächentemperatur, bzw, K und der Gesamtwärmeabfuhr im betrachteten Abschnitt ergibt sich wie folgt:

In K « A' in a (1)

bzw. InK- A-^_n + (2)

In diesen Gleichungen bedeuten A, A», B, B', C, C* Konstanten, die sich aus den Simulationsergebnissen des Abkühlvorganges ergeben, In - Logarithmus Ifaturalis, K = Quotient der Wärmemengen aus dem oberen und unteren Kokillenbereich,-^ die Strangtemperatur am Kokillenaustritt, S die Schalendicke der Strangschale am Kokillenaustritt.

Die erfindungsgemäße Meßanordnung hat nun den Zweck, die Verteilung der Wärme stromdichte über die Kokillenhöhe im betrachteten Kokillenabschnitt kontinuierlich zu erfassen.

Die Erfindung sieht zu diesem Zweck eine flüssigkeitsgekühlte Kokille "vor, die in an sich bekannter Weise mit Kanälen oder Bohrungen zur !Führung des Kühlmediums versehen ist. Gemäß der Erfindung ist an der Eintrittsseite für das Kühlmedium mindestens eines Kanals mindestens einer Kokillenseite, an der Austrittsseite und in der Mitte je ein Thermofühler derart angeordnet, daß seine Meßspitze in den Kanal für das Kühlmedium hineinragt. Die Thermofühler ermitteln die Temperatur des Kühlmediums an den angegebenen Stellen. Daraus lassen sich die Wärmemengen Q_ und Q im oberen und unteren Kokillenteil berechnen. Als Maßzahl für die Wärmestromdichtenverteilung erhält man einen Faktor K, der der Quotient aus dem im Ober- und Unterteil des Kokillenabschnittes abgeführten Wärmemengen Q_Q und Q₁₁ ist.

Es ist jedoch auch möglich, eine Kokille quer zur Gießrichtung in zwei verschiedene Höhenbereiche zu unterteilen, wobei beide Teile mit getrennten Wasserzu- und abfuhranschlüssen versehen

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sind. Während bei der letztgenannten Kokillenausführungsform zur Bestimmung des Faktors K eine Wassermengenmessung unbedingt erforderlich ist, haben Kokillen mit "durchgehenden Längskanälen den Vorteil, daß man auf die Wassermengenmessung verzichten kann. Wird nun zusätzlich neben dieser Verteilungskennzahl E der Wärmestromdichte entweder die abgeführte Gesamtwärmemenge oder die Oberflächentemperatur des Stranges bei Kokillenaustritt gemessen, so läßt sich mit Hilfe von aus Simulationsuntersuchungen ermittelten o.a. mathematischen Funktionen die Schalenstärke am Kokillenaustritt bestimmen·

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sei anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben·

5"ig. 1 zeigt in prinzipieller Oar stellung eine perspektivische Ansicht einer Stranggießkokille,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Kokille einer Strangseite.

Fig. 1 zeigt eine vierteilige Plattenkokille mit den einzelnen Wandplatten 1, 2, 3» 4-· Bei der dargestellten Kokille handelt es sich um eine Brammenkokille mit den. Breitseiten 1,3 und den Schmalseiten 2,4-, Das angegebene schraffierte ^eId 5 zeigt den für einen Durchbruch erfahrungsgemäßen gefährdetsten Breitenabschnitt der Brammenschmalseite, während die schraffierten Bereiche 6 diese gefährdeten Bereiche bzw. Breitenabschnitte der Brammenbreitseite darstellen. In diesen Breitenabschnitten der Kokille kommt bevorzugt die in Fig. dargestellte Meßanordnung zur Anwendung. In Fig. 3 ist eine der Kokillenwandplatten mit 7 bezeichnet. Durch die Kokille erstreckt sich in Gießrichtung verlaufend ein Kühlwasserkanal Mit 9 ist eine Meßblende zur Erfassung der durch diesen Kanal fließenden Wassermenge bezeichnet. Am Eintrittsende des Kühlwasserkanales 8 in der Mitte des Kühlwasserkanals und am Austrittsende sind Thermoelemente 10, 11 und 12 angeordnet,

* Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit von K von

O ^bZW· ^S "®"

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die mit ihren Meßspitzen 13 in den Kühlkanal 8 hineinragen. Die. Thermoelemente liefern die Kühlwassertemperaturen j. des Kühlwassereinlaufs -^_M in der Mitte des Kühlkanals und ^A für den Wasseraustritt» Unterhalb der Kokille ist ein Pyrometer 14 angeordnet, das die Strangaustrittstemperatur am Ende der Kokille *^in dem entsprechenden ^reitenabschnitt der Kokille liefert. Die Gießgeschwindigkeit v_& wird von der Rolle 15 abgenommen. Mit 16 ist die Strangschale bezeichnet, die den flüssigen Kern 17 des Stranges umgibt.

Anhand von 2 Beispielen soll das beschriebene ^erfahren näher erläutert werden:

1. Schalenbestimmung mit Hilfe der Größen k und —^ bei

einer konstanten Gießgeschwindigkeit

Aus den Temperaturmeßwerten an der Eintrittsseite, der Austrittssexte und in der Mitte eines Kühlkanals ermittelt ein Prozeßrechner laufend den Faktor k nach

MITTE " EINLAUF
3Γ""——~~
AUSLAUF " MITTE

Weiter besorgt der Rechner die zeitliche Zuordnung dieser, eventuell gemittelten k-Werte mit den Meßwerten aus der Oberflächentemperaturmessung am Kokillenaustritt. Mit Hilfe der Beziehung (2), in die die so erhaltenen Werte für k und ⁷^⁷I eingehen, berechnet der Rechner nun den aktuellen Parameter Q, der die augenblicklich gültige Kurve in der k- ™ -Kurvenschar fixiert (i¹ig.2)·

Aus dem so errechneten Parameter Q und der Beziehung (1) errechnet der Rechner schließlich die Schalenstärke und bringt sie zur Anzeige,

2. Schalenbestimmung mit Hilfe der Größen k und Q bei einer konstanten Gießgeschwindigkeit .

Neben den Temperaturmessungen im Kühlkanal, wie sie im Beispiel 1 beschrieben sind, wird die durch die entsprechenden Kühlkanäle durchgesetzte Wassermenge gemessen

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und dafür auf die Oberflächentemperaturmessung verzichtet· Aus den drei Temperaturwerten <-^L,, ¹^Ap ^^ α ^un^· d.er

Wassermenge bestimmt der .Rechner zunächst die im oberen Kokillenteil abgeführte Wärmemenge (Q₀) und die im unteren Kokillenteil abgeführte Wärmemenge (Q₁₁)* Dann bildet er den Quotienten aus Q und O und erhält den Faktor k·

Durch die Summenbildung von Q und O wird der Parameter Q erhalten. Mit Hilfe von k, des Parameters Q und der. Beziehung (1) wird letztlich die Schalenstärke errechnet·

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Ermittlung und Überwachung der Schalendicke eines erstarrenden Körpers, insbesondere des £>chalenwachstums eines Stranges beim Stranggießverfahren innerhalb einer flüssigkeitsgekühlten oben und unten offenen Kokille, wobei der flüssige Sumpf innerhalb des Stranges ein Kehrfaches der Kokillenlänge beträgt, mit Anzeige der am Kokillenende auftretenden Schalendicke des Stranges, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis der Wärmeabfuhren, verschiedener übereinanderliegenden Kühlzonen eines oder mehrerer Breitenbereiche der Kokille und die Gesamtwärmeabfuhr in diesem Breitenbereich gemessen und durch die funktionale Verknüpfung InK = AVInS₊ (D-zur Anzeige der Strangschale benutzt wird«

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstatt der Gesamtwärmeabfuhr (Q) die Oberflächentemperatur -~j am Austritt des Stranges aus der Kokille im entsprechenden Breitenbereich gemessen und durch die funktionale Verknüpfung InK = A* In s + (1) und In K = A <-*jh + (2) zur Anzeige der Strangschale benutzt wird·

3· Verfahren nach den Ansprüchen 1 una 2, dadurch gekennzeichnet, daß an mehreren Breitenbereichen des Stranges das Wärmeabfuhrverhältnis in der Kokille und die Ober--

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flächentemperatur am Kokillenaustritt gemessen und zur überwachung des öchalenwachstums über die Strangbreite miteinander verglichen werden.

4-, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß in einer mit in Strangrichtung verlaufenden Kühlkanälen versehenen Kokille das Verhältnis der Wärmeabfuhren im oberen und unteren Teil der Kokille dadurch bestimmt wird, daß die Temperatur des auslaufenden und des einlaufenden Kühlwassers sowie die Temperatur des Wassers in der Mitte des Kanals durch entsprechende Thermofühler gemessen wird.

5· Verfahren nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß zur , Messung des Wärmeabfuhrverhältnisses in der Kokille das Kühlwasser in zwei Höhenabschnitten der Kokille getrennt geführt wird und die Ein- und Auslauftemperaturen des Kühlwassers beider Kreisläufe gemessen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß bei Kokillen mit getrennter Wasserführung in zwei Höhenabschnitten neben den Wassertemperaturen zusätzlich die Wassermengen gemessen werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die Höhe mindestens eines Kanals für das Kühlmedium in der Kokille mindestens einer Kokillenseite mehrere Temperaturfühler derart angeordnet sind, daß ihre Meßspitzen in den Kanal hineinragen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß den Meßfühlern in den Kanälen Durchwirbler vorgeschaltet sind·

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