DE102007002405A1

DE102007002405A1 - Stranggießkokille mit Kühlmittelkanal

Info

Publication number: DE102007002405A1
Application number: DE102007002405A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Dr. Odenthal; Norbert Dr. Vogl
Original assignee: SMS Demag AG
Current assignee: SMS Siemag AG
Priority date: 2007-01-17
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2008-07-24
Also published as: AR064927A1; WO2008086856A1; UA92985C2; TW200909099A; JP2010515580A; CN101646515A; MX2009007659A; KR20090077925A; RU2414986C1; CA2670037A1; EP2121218A1; ZA200902185B; US20100065242A1; CN101646515B; BRPI0718884A2

Abstract

Bei einer Stranggießkokille (1) mit einem Kühlmittelkanal (2), der durch eine dem schmelzflüssigen Metall zugewandte Kokilleninnenwand (3) als Heißseite, eine Kokillenaußenwand (4) als Kaltseite und eine rechte Seitenwand (5) und eine linke Seitenwand (6) gebildet ist, ist der Kühlmittelkanal (2) mit turbulenzerzeugenden Elementen (7, 9, 10) ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stranggießkokille mit einem Kühlmittelkanal, der durch eine, dem schmelzflüssigen Metall zugewandte Kokilleninnenwand als Heißseite, eine Kokillenaußenwand als Kaltseite und einer rechten und linken Seitenwand gebildet wird.
Aus der DE 198 26 522 A1 ist eine Kokillenwand einer Stranggießkokille bekannt, die aus einer Kokilleninnenplatte und einem mit der Kokilleninnenplatte über Schraubverbindungen verbundenen Wasserkasten besteht, wobei die Kokilleninnenplatte auf ihrer dem Wasserkasten zugewandten Seite Stege mit dazwischen verlaufenden Nuten aufweist, in den Füllstücke angeordnet sind. Die Nuten dienen dabei als Kühlkanäle für eine Kühlflüssigkeit, in der Regel Wasser. Die Füllstücke dienen der Verringerung des Kanalquerschnitts, so dass sich die Fleißgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit im Kühlkanal erhöht.
Die DE 198 42 674 A1 beschreibt ähnliche Füllstücke.
Stranggießkokillen mit Kühlkanälen sind weiterhin aus den Dokumenten DE 101 22 618 A1 , DE 100 35 737 A1 und DE 101 38 988 C2 bekannt.
Aus der DE 102 53 735 A1 ist eine Kokille zum Stranggießen von schmelzflüssigen Metallen, insbesondere von Stahl bekannt, mit Kühlkanälen wie Kühlnuten, Kühlschlitzen oder Kühlbohrungen in der der Kokillenheißseite gegenüberliegenden Kontaktfläche. Der Wärmeübergang der Kokille wird dadurch verbessert, dass die geometrischen Ausgestaltungen der wärmeübertragenden Flächen eines Kühlkanals oder einer Gruppe von Kühlkanälen in Form, Querschnittsfläche, Umfang, Grenzflächenbeschaffenheit, Orientierung zur Kontaktfläche, Anordnung und/oder Anordnungsdichte gegenüber der Kontaktfläche der lokalen Ausbildung von Wärmestromdichte und/oder Temperatur der Kontaktfläche im Gießbetrieb, und insbesondere im Gießspiegelbereich, angepasst wird.
Beim Stranggießen fließt die flüssige Schmelze aus einem Stranggießverteiler durch ein Tauchrohr in eine oszillierende, wassergekühlte Kupferkokille. Infolge der Wärmeabfuhr sinkt die Schmelzentemperatur unter die Solidustemperatur und es bildet sich eine dünne Strangschale, die in Gießrichtung abgezogen wird. Mit zunehmender Abkühlung wächst die Dicke der Strangschale an, bis der Strang vollständig erstarrt ist. Je nach Format und Anzahl der Stränge werden heute Gießgeschwindigkeiten von 6 m/min und mehr erreicht. Typische lokale Wärmestromdichten liegen in der Größenordnung von bis zu 12 MW/qm.
Der vom Kühlmittel abgeführte Wärmestrom ist u. a. abhängig von der Geometrie der Kühlmittelkanäle, der Wandrauhigkeit sowie der Durchströmgeschwindigkeit und damit auch vom Turbulenzgrad. Je höher der Turbulenzgrad auf der Kühlmittelseite, desto intensiver ist die Durchmischung und umso mehr Wärme wird abgeführt. Zwar lässt sich die wärmeübertragende Fläche vergrößern, jedoch sind dieser Vergrößerung enge Grenzen gesetzt. Besonders bei sehr hohen Wärmestromdichten tritt häufig eine Verschmutzung der wärmeübertragenden Flächen durch Ablagerungen auf, das so genannte Fouling. Da die Ablagerungen eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzen, führt Fouling im Fall der Kokillenkühlung zu einer starken Erhöhung der Kupfertemperatur und damit zu einer verminderten Standzeit der Kokille.
Konventionelle Stranggießkokillen werden mit rechteckigen Kühlmittelkanälen ausgebildet, die mit Strömungsgeschwindigkeiten von etwa 10 m/s durchströmt werden. In diesen Kühlmittelkanälen bildet sich bei Reynolds-Zahlen von ca. 250.000 eine turbulente Strömung mit einer Hauptkomponenten in axialer Richtung aus. Die Grundturbulenz führt zu einem erhöhten Massen-, Impuls- und Energieaustausch zwischen den einzelnen Kühlmittelschichten. In Wandnähe bilden sich Strömungs- und Temperaturgrenzschichten aus, die sich durch so genannte logarithmische Wandgesetze beschreiben lassen. Mit zunehmender Annäherung an die Wand wird die Turbulenz gedämpft. Der Hauptnachteil der konventionellen Kühlung besteht in der gerichteten Turbulenz mit überwiegenden Anteilen in axialer Strömungsrichtung und niedrigeren Anteilen in radialer Strömungsrichtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stranggießkokille anzugeben, bei der der Rekristallisationsprozess des Kokillenmaterials bzw. das Material der Wände des Kühlmittelkanals, der von der Betriebstemperatur und der Betriebsdauer abhängig ist, verzögert wird, die Standzeit der Kokille und die Turbulenz erhöht und eine homogene Durchmischung des Kühlmittels zu erzielt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer Stranggießkokille mit einem Kühlmittelkanal, der durch eine, dem schmelzflüssigen Metall zugewandten, Kokilleninnenwand als Heißseite, einer Kokillenaußenwand als Kaltseite und einer rechten und einer linken Seitenwand gebildet ist, der Kühlmittelkanal mit turbulenzerzeugenden Elementen ausgebildet ist. Durch das Einbringen von turbulenzerzeugenden Elementen wird generell eine stärkere Durchmischung des Kühlmittels erzielt. Gleichzeitig vergrößern die turbulenzerzeugenden Elemente die wärmeübertragende Fläche des Kühlmittelkanals bzw. der Kokillenwände. Das Zusammenwirken beider Maßnahmen, d. h. Turbulenzerzeugung und Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche, verbessert den lokalen Wärme übergang von den Wänden des Kühlmittelkanals bzw. von dessen Wänden auf das Kühlmittel, welches dann die Wärme ableitet.
Das Grundprinzip aller turbulenzerzeugenden Elemente basiert auf dem turbulenzinduzierten Massen-Impuls- und Energietransport. Der Wärmeübergang im Kühlmittelkanal von Stranggießkokillen wird erfindungsgemäß verbessert. Infolge der intensiveren Durchmischung führen die Turbulenzerzeuger zu höheren lokalen Wärmestromdichten, d. h. die pro Flächeneinheit abgeführte Wärme wird vergrößert. Die Turbulenz, sowohl in Wandnähe als auch im Bereich der Kernströmung, wird erhöht und eine homogene Durchmischung erzielt. Durch die turbulenzerzeugenden Elemente wird eine bessere Durchmischung des Kühlwassers erreicht und das Temperaturniveau im Kupfer wird abgesenkt, wobei sich der von der Betriebstemperatur und -dauer abhängige Rekristallisationsprozess des Kokillenmaterials bzw. des Materials der Wände des Kühlmittelkanals verzögert. Dieses führt zu einer Erhöhung der Standzeit der Kokille. Das Material der Kokille bzw. der Kokillenwände ist beispielsweise Kupfer, teilweise Kupfer oder ein anderes Material. Weiterhin werden die Verschmutzung und die Ablagerungsneigung durch die erhöhte Turbulenz und die größeren Scherkräfte an der Heißseite des Kühlkanals vermindert.
An der Hinterkante der turbulenzerzeugenden Elemente reißt die Wasserströmung ab und es bildet sich ein instationäres und verwirbeltes, d. h. turbulentes Rezirkulationsgebiet. Eine erste Ausführung von turbulenzerzeugenden Elementen besteht aus horizontalen Stufen im Kühlmittel, die beispielsweise von rechteckigen Profilen gebildet werden, die sich über die gesamte Breite oder Teilbereiche des Kühlmittelkanals erstrecken. Eine zweite und dritte Ausführung von turbulenzerzeugenden Elementen besitzt die Form von Tetraedern und Winglets. Bei diesen Formen werden einwärts drehende Wirbelzöpfe induziert, die zu einer noch intensiveren Durchmischung des Kühlmittels führen. Wirbelzöpfe lassen sich beispielsweise am Ende eines Tragflügelprofils oder hinter Kraftfahrzeugen beobachten, wo sie prinzipiell unerwünscht sind. Die turbulenzerzeugenden Elemente werden auf der Heißseite beispielsweise hintereinander versetzt angeordnet, wobei der Abstand maßgeblich durch die räumliche Ausdehnung des stromauf liegenden Rezirkulationsgebietes bestimmt wird. Alternativ können die turbulenzerzeugenden Elemente auch auf der Kaltseite installiert werden, da die Auswirkung der Rezirkulation sich bis zur Heißseite erstreckt. Auch eine Kombination aus Tetraedern auf der Kaltseite und horizontal angebrachten Stufen auf der Heißseite des Kühlmittelkanals ist möglich. Ebenso ist denkbar, die turbulenzerzeugenden Elemente lediglich im Eintritt eines Kühlmittelkanals oder nur in Höhe des Gießspiegels zu installieren, um den fertigungstechnischen Aufwand in Grenzen zu halten. Zusätzlich zu den genannten strömungstechnischen Effekten wird die wärmeübertragende Fläche durch die Turbulenzelemente etwas erhöht, bei den beschriebenen Tetraedern um ca. 6%. Auf diese Weise wird auch die lokale Wärmestromdichte vergrößert. Durch die nicht zu groß gewählten Abmessungen der Turbulenzelemente kann der Druckverlust gering gehalten werden.
Die prinzipielle Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kühlmittelkanals kann anhand numerischer Strömungssimulationen (CFD – Computational Fluid Dynamics) belegt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von sehr schematischen Zeichnungen näher beschrieben.
1 in räumlicher Darstellung einen Teil einer Stranggießkokille;
2 in geschnittener Vorderansicht die Stranggießkokille mit turbulenzerzeugenden Elementen gemäß einer ersten Ausführung;
3 in geschnittener Vorderansicht die Stranggießkokille mit turbulenzerzeugenden Elementen gemäß einer zweiten Ausführung;
4 in geschnittener Vorderansicht die Stranggießkokille mit turbulenzerzeugenden Elementen gemäß einer dritten Ausführung; und
5 in geschnittener Seitenansicht die Stranggießkokille mit turbulenzerzeugenden Elementen.
1 zeigt in räumlicher Darstellung einen Teil einer Stranggießkokille 1 mit einem Kühlmittelkanal 2, der durch eine, dem schmelzflüssigen Metall zugewandten, Kokilleninnenwand 3 als Heißseite, einer Kokillenaußenwand 4 als Kaltseite und einer rechten Seitenwand 5 und einer linken Seitenwand 6 gebildet ist. In Strömungsrichtung 8 sind turbulenzerzeugende Elemente 7, 9 und 10 auf der Kokilleninnenwand 3, der Heißseite, angebracht und ragen in den Kühlmittelkanal 2.
2 zeigt in geschnittener Vorderansicht den Kühlmittelkanal 2, bei dem in zwei Reihen 11 turbulenzerzeugende Elemente 7 in Form von Tetraedern auf der Kokilleninnenwand 3 angebracht sind. Die Tetraeder zeigen mit ihrer Spitze entgegen der Strömungsrichtung 8. Durch eine derartige Anordnung wird ein sich aufbauender Widerstand erzeugt. Hinter dem Tetraeder verhält sich das Kühlmittel turbulent. Die Tetraeder können auch versetzt angeordnet sein.
In 3 sind turbulenzerzeugende Elemente 9 in Form von horizontalen Stufen dargestellt. Die horizontalen Stufen werden beispielsweise durch einen rechteckigen Stab (siehe 5) gebildet, der sich über die gesamte Breite des Kühlmittelkanals 2 erstreckt.
Eine weitere Form der turbulenzerzeugenden Elemente 10 ist in 4 dargestellt. Diese turbulenzerzeugenden Elemente 10 besitzen die Form von Winglets. Diese, z. B. von Flugzeugflügeln bekannten Winglets, sind entweder in Reihen 11 hintereinander ausgerichtet an der Kokilleninnenwand 3 befestigt oder sind auf der Kokilleninnenwand verteilt befestigt, wie durch das unterste Winglet angedeutet.
Sämtliche turbulenzerzeugenden Elemente 7, 9 und 10 ragen von der Kokilleninnenwand 3 in den Kühlmittelkanal 2 hinein oder umgekehrt und beeinflussen das Kühlmittel, wenn es in Strömungsrichtung 8 durch den Kühlmittelkanal 2 strömt.

1: Stranggießkokille
2: Kühlmittelkanal
3: Kokilleninnenwand
4: Kokillenaußenwand
5: rechte Seitenwand
6: linke Seitenwand
7: Tetraeder
8: Strömungsrichtung
9: horizontale Stufe
10: Winglet
11: Reihe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19826522 A1 [0002]
- DE 19842674 A1 [0003]
- DE 10122618 A1 [0004]
- DE 10035737 A1 [0004]
- DE 10138988 C2 [0004]
- DE 10253735 A1 [0005]

Claims

Stranggießkokille (1) mit einem Kühlmittelkanal (2), der durch eine, dem schmelzflüssigen Metall zugewandten, Kokilleninnenwand (3) als Heißseite, einer Kokillenaußenwand (4) als Kaltseite und einer rechten Seitenwand (5) und einer linken Seitenwand (6) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (2) mit turbulenzerzeugenden Elementen (7, 9, 10) ausgebildet ist.
Stranggießkokille (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die turbulenzerzeugenden Elemente (7) in Form von Tetraedern ausgebildet sind.
Stranggießkokille (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die turbulenzerzeugenden Elemente (9) in Form von horizontalen Stufen ausgebildet sind.
Stranggießkokille (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die turbulenzerzeugenden Elemente (10) in Form von Winglets ausgebildet sind.
Stranggießkokille (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das die turbulenzerzeugenden Elemente (7, 9, 10) auf der Kokilleninnenwand (3) angeordnet ausgebildet sind.
Stranggießkokille (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das die turbulenzerzeugenden Elemente (7, 9, 10) auf der Kokillenaußenwand (4) angeordnet ausgebildet sind.
Stranggießkokille (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das die turbulenzerzeugenden Elemente (7, 10) in Reihen (11) angeordnet ausgebildet sind.
Stranggießkokille (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das die turbulenzerzeugenden Elemente (7, 10) in Reihen (11), versetzt angeordnet, ausgebildet sind.
Stranggießkokille (1) nach einem der Ansprüche 1 bis, dadurch gekennzeichnet, das die turbulenzerzeugenden Elemente (7, 9, 10) im Bereich des Gießspiegels angeordnet ausgebildet sind.