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Die Erfindung betrifft eine Sekundärkühleinrichtung innerhalb einer Strangführungseinrichtung einer Stranggießanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben der Sekundärkühleinrichtung.
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Stranggießanlagen sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Sie umfassen typischerweise eine Kokille zum Gießen eines Metallstrangs und eine der Kokille nachgeordnete Strangführung zum Führen des Metallstrangs nach seinem Austritt aus der Kokille. Die Strangführung besteht typischerweise aus einer Vielzahl von Rollenpaaren zwischen denen der frisch gegossene Metallstrang geführt und aus der Vertikalen in die Horizontale umgelenkt wird.
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Die Ausbildung des Metallstrangs beginnt in der Kokille. Deren Seitenwände werden mit Hilfe einer so genannten Primärkühleinrichtung gekühlt, so dass die Metallschmelze im Innern der Kokille an den Seitenwänden erstarrt und sich auf diese Weise zu einer Strangschale des Metallstrangs mit noch flüssigem Kern ausbildet. Wenn der Metallstrang aus der Kokille ausgezogen wird muss er weiter gekühlt werden, damit sein zunächst noch flüssiger Kern später durcherstarrt. Diese weitere Kühlung erfolgt innerhalb der Strangführungseinrichtung mit Hilfe einer so genannten Sekundärkühleinrichtung.
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Die Sekundärkühleinrichtung besteht typischerweise aus einer Vielzahl von Düsenbalken, welche zwischen den Strangführungsrollen der Strangführungseinrichtung angeordnet sind und zwischen den Rollen ein Kühlmittel auf die Ober- und Unterseite des Strangs aussprühen. Die auf diese Weise durch Sprühkühlung von der Sekundärkühleinrichtung erzeugte Kühlleistung ist im oberen Bereich der Strangführungseinrichtung, das heißt in dem der Kokille unmittelbar nachgeordneten Bereich der Strangführungseinrichtung am intensivsten. Die Kühlleistung der Sprühkühlung kann mit zunehmender Erstreckung der Strangführungseinrichtung zunehmend schwächer ausgebildet sein und insbesondere im Auslauf der Strangführungseinrichtung sogar ganz abgestellt werden. Diese Reduzierung der Kühlleistung über die Länge der Strangführungseinrichtung erfolgt typischerweise im Hinblick auf die Anforderungen der jeweils gegossenen Metall-, insbesondere Stahlsorten.
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Insbesondere Metallstränge aus rissempfindlichen Materialien dürfen nicht zu intensiv gekühlt werden bzw. keinen allzu großen Temperaturgradienten ausgesetzt werden, um eine Rissbildung an deren Oberfläche zu vermeiden. Insbesondere bei diesen Stählen wird deshalb die Kühlleistung der Sekundärkühlung suggestive mit der Länge der Strangführung reduziert. Insbesondere wenn die Sekundärkühlung im Auslauf der Strangführung ganz abgeschaltet wird, so spricht man von Trockenkühlung.
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Wegen der unterschiedlichen Kühlmethoden, die zur Kühlung eines Metallstrangs in einer Strangführungseinrichtung zum Einsatz kommen, Intensiv- oder Trockenkühlung, sind an den jeweiligen Einsatzweck angepasste, unterschiedliche Rollentemperaturen von Vorteil. So sind bei einer Intensivkühlung nicht aktiver Sprühkühlung kalte Rollen und bei der trockenen Kühlung warme Rollen von Vorteil. Besonders bei der trockenen Kühlung ist ein geringer Temperaturabfall der Bramme erwünscht, um hohe Oberflächentemperaturen im Richtbereich zur Vermeidung von Rissen zu erzielen.
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Um auch rissempfindliche Stähle trotz praktizierter Trockenkühlung noch vorsichtig weiter abkühlen zu können, ist es bekannt, auch Strangführungsrollen zur Strangkühlung zu verwenden, denn aufgrund von deren Kontakt mit der Oberfläche des Metallstrangs erfolgt durch sie auch eine gewisse Wärmeableitung.
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Die oben erwähnten Strangführungsrollen werden in den Strangführungseinrichtungen jedoch in einem hohen Maße belastet. So steht beispielsweise für die unmittelbar im Anschluss an die Kokille angeordneten Strangführungsrollen vor allem die Temperaturbelastung im Vordergrund. Bei den beim Vergießen von Stahl auftretenden hohen Abstichtemperaturen und den heute üblichen hohen Gießgeschwindigkeiten ist die Strangführungsrolle besonderen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die linienförmige und axial ausgerichtete Kontaktfläche zwischen der Strangführungsrolle und dem gegossenen Metallstrang führt zu einer orientierten Aufheizung, wobei an der Rollenoberfläche laufend starke Temperaturveränderungen auftreten. Diese ständigen Temperaturwechsel-Vorgänge und die damit verbundenen Spannungsumkehrungen können im Laufe der Zeit eine Ermüdung des Werkstoffs nach sich ziehen und zu Rissen in der Rollenoberfläche führen. Diese Risse können sich ins Innere der Rolle fortsetzen und schließlich zu einem völligen Ausfall führen. Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, wurde in der
DE-OS 1 508 974 vorgeschlagen, auf der Rollenoberfläche Rillen in Form von Dehnfugen auszubilden, wobei die zwischen den Dehnfugen verbleibenden Oberflächenbereiche breiter als die Dehnfugen sein sollen.
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Gemäß der
DE-OS 1 758 029 wird die Rollenoberfläche mit einem Walzpanzer niedriger Wärmeleitfähigkeit umgeben, um dadurch die schädliche Aufheizung des eigentlichen Rollenmantels zu vermeiden. Als Walzpanzer wird ein keramischer, metalloxidischer oder pulvermetallurgischer Überzug vorgeschlagen.
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Diese aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen berücksichtigen nicht, dass eine gute Wärmeabführung durch die Strangführungsrolle - wie bei der vorliegenden Erfindung - ausdrücklich gewünscht sein kann, um die Abkühlung des Stahlstrangs zu beschleunigen. Aus diesem Grunde sind Strangführungsrollen mit Innenkühlung im Einsatz.
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Aus der
JP S52- 40 608 B2 ist eine innengekühlte Stranggussrolle mit einem Kern, einem den Kern umgebenden Mantel und einem weiteren, den Mantel umschließenden Verschleißschutzmantel bekannt. Der Mantel um den Kern besteht aus Kupfer, einer Kupfer-Aluminium-Legierung oder Aluminium. Der Verschleißschutzmantel ist aus Stahl oder Gusseisen und mit einem inneren Mantel über insbesondere eine Schrumpfpassung verbunden. Aus diesem Dokument ist zwar die grundsätzliche Vorgehensweise, einen Kern einer Stranggießrolle mit einem Mantel aus Kupfer zu umgeben und diesen über einen weiteren Mantel vor Verschleiß zu schützen, bekannt, jedoch wird die Wärmeleitung durch den Stahl- oder Gussmantel mit geringerer Wärmeleitfähigkeit als Kupfer vermindert. Zusätzlich wirkt sich die aus Festigkeitsgründen benötigte Wanddicke zum Aufschrumpfen des Stahl- oder Gussmantels negativ auf die Wärmeleitung aus.
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In der
DE 26 36 199 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von vergüteten Rollen in Strangführungseinrichtungen mit einer Schutzschicht beschrieben. Die aus einer Chrom-Nickel-Legierung bestehende Schutzschicht wird durch Aufspritzen aufgebracht und danach gesintert. Anschließend wird die Schutzschicht auf ein Endmaß von mindestens 1 mm mechanisch endbearbeitet.
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Der Nachteil von aufgespritzten Schutzschichten liegt in ihrer geringen Haftfähigkeit, da diese mit der aufgerauten Oberfläche des Grundwerkstoffs nur mechanisch verklammert sind. Außerdem lassen sich diese Schichten nicht in ausreichend gleichmäßiger Wandstärke aufbringen, so dass eine Nachbearbeitung erforderlich ist.
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Aus der
DE 26 36 199 A1 geht eine innengekühlte Rolle mit einer durch Auftragsschweißen aufgebrachten Verschleißschicht hervor. Die Verschleißschicht ist auf einem Mantel aus Rundeisen und dazwischenliegenden Schweißwerkstofffüllungen angeordnet, wobei die Rundeisen in einen Kern eingearbeitete Kühlkanäle abdecken. Die Verschleißschicht wird gegebenenfalls mehrlagig aufgebracht und anschließend endbearbeitet. Beispielsweise werden zwei Lagen mit einer Gesamtdicke von etwa fünf bis acht Millimetern aufgebracht, um einerseits eine Aufmischung des Schweißwerkstoffs mit dem Mantel zu vermeiden und andererseits eine erforderliche Endbearbeitungszugabe von zwei Millimetern zu erhalten. Auch hierbei besteht der Nachteil darin, dass die Wärmeleitung vom Strang in Richtung zu dem Kühlmittel durch die Dicke und schlechte Wärmeleitfähigkeit der Verschleißschutzschicht vermindert wird.
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Als Strangführungsrollen kommen im Stand der Technik je nach verwendeten Kühlverfahren Revolverrollen, Mantelrollen mit Kühlwendeln, Rollen mit einer Mittenbohrung zur Durchführung des Kühlmittels und Vollrollen zum Einsatz. Bei all diesen Rollen stellen sich die Rollentemperaturen ein entsprechend der aktuellen Wärmebelastung durch die Bramme, d. h. unter Berücksichtigung der Brammentemperatur, der Gießgeschwindigkeit und der ferrostatischen Last, nach Maßgabe der Kühlbedingungen der Rolle, d. h. entsprechend dem Rollentyp, der Rollengeometrie und der Kühlmittelgeschwindigkeit. Der Einsatz von Revolver- und Mantelrollen in Form von zur Kühlung eines Metallstrangs dienenden Segmentrollen ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 031 557 A1 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bekannte Sekundärekühleinrichtung und ein bekanntes Verfahren zu deren Betrieb dahingehend weiterzubilden, dass sie eine besonders vorsichtige und feine Einstellung der Kühlleistung ermöglicht, wie dies insbesondere bei der Herstellung von Metallsträngen aus rissempfindlichen Materialgüten erforderlich ist.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des neuen Patentanspruchs 1 gelöst. Dieser ist gekennzeichnet durch ein im Zulauf des ersten Kühlkanals vorgesehenes Kühlmittel-Steuerventil zum Steuern des Volumenstroms des Kühlmittels durch den ersten Kühlkanal, ein im Zulauf des zweiten Kühlkanals vorgesehenes Kühlmittel-Absperrventil zum Absperren des zweiten Kühlkanals gegen ein Durchfluss des Kühlmittels und eine Steuereinrichtung zum Ansteuern des Kühlmittel-Steuerventils und des Kühlmittel-Absperrventils wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, den zweiten Kühlkanal durch Ansteuern des zweiten Kühlmittel-Absperrventils gegen einen Eintritt des Kühlmittels abzusperren, wenn der Metallstrang aus einem rissempfindlichen Material besteht.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Material, insbesondere eine Stahlgüte, als rissempfindlich eingestuft, wenn seine/ihre Duktilität kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist und umgekehrt.
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Die erfindungsgemäße Sekundärkühleinrichtung ist typischerweise Bestandteil einer Strangführungseinrichtung innerhalb einer Stranggießanlage, wie einleitend beschrieben.
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Durch den erfindungsgemäß beanspruchten Aufbau der Sekundärkühleinrichtung, insbesondere der Strangführungsrollen, ist es möglich, bei der konventionellen Kühlung und bei der Intensivkühlung die Innen- und Außenbereiche, das heißt, den ersten und zweiten Kühlkanal der Rolle mit einem Kühlmittel durchströmen zu lassen, jedoch bei der trockenen Kühlung nur den inneren Bereich, das heißt den ersten Kühlkanal. Der ungekühlte äußere Bereich der Rolle erreicht bei Trockenkühlung durch die schlechte Wärmeleitung zur Rollenmitte infolge des leeren zweiten Kühlkanals höhere Außentemperaturen; dies ist für die bei Trockenkühlung reduzierte Wärmeabfuhr von der Oberfläche des Metallstrangs von Vorteil.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Sekundärkühleinrichtung eine Spüleinrichtung mit einem Kompressor zum Herausblasen von Resten des Kühlmittels aus dem zweiten Kühlkanal mittels eines Gases, zum Beispiel mittels Druckluft, nachdem der zweite Kühlkanal mit Hilfe des Kühlmittel-Absperrventils gegen den Eintritt des Kühlmittels abgesperrt wurde. Das Herausblasen von Resten des Kühlmittels aus dem zweiten Kühlkanal hat den Vorteil, dass ein Verdampfen der Reste des Kühlmittels in dem zweiten Kühlkanal und damit ein Siedeverzug der Rolle verhindert wird.
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Vorteilhafterweise weist die Spüleinrichtung ein Gas-Absperrventil auf, dessen Ausgang zwischen dem Kühlmittel-Absperrventil und der Strangführungsrolle in den Zulauf des zweiten Kühlkanals mündet zum Öffnen oder Absperren des zweiten Kühlkanals für oder gegen einen Eintritt des Gases.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Sekundärkühleinrichtung eine erste Temperatur-Messeinrichtung zum Messen der Oberflächentemperatur des in der Strangführungseinrichtung geführten und zu kühlenden Metallstrangs, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, durch Ansteuern des Kühlmittel-Steuerventils im Ansprechen auf die gemessene Oberflächentemperatur des Metallstrangs den Volumenstrom des Kühlmittels in dem ersten Kühlkanal derart einzustellen, dass die Oberflächentemperatur des Metallstrangs einen vorgegebenen Strangtemperatur-Schwellenwert nicht unterschreitet.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Strangführungseinrichtung eine zweite Temperatur-Messeinrichtung auf im Zulauf des ersten Kühlkanals und eine dritte Temperatur-Messeinrichtung im Rücklauf des ersten Kühlkanals zum Erfassen einer Änderung der Temperatur des Kühlmediums beim Durchfließen durch den ersten Kühlkanal. Die Steuereinrichtung ist dann weiterhin ausgebildet, durch Ansteuern des Kühlmittel-Steuerventils nach Maßgabe der erfassten Änderung der Temperatur des Kühlmittels, den Volumenstrom des Kühlmittels in dem ersten Kühlkanal derart einzustellen, dass die Änderung der Temperatur des Kühlmittels einen vorgegebenen Temperaturänderung-Schwellwert nicht überschreitet. Die beobachte Änderung der Temperatur des Kühlmittels ist ein Maß für die von der Rolle geleitete Wärmeabfuhr von dem Strang. Je größer die erfasste Temperaturänderung desto größer ist auch die abgezogene Wärmemenge. Um die Rissbildung in dem Strang nicht zu fördern ist es wichtig, dass die abgezogene Wärmemenge nicht zu groß ist und deshalb sollte die erfasste Änderung der Temperatur des Kühlmittels den vorgegebenen Temperaturänderungs-Schwellenwert nicht überschreiten.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird auch die Temperatur des Kühlmittels im Rücklauf zum ersten Kühlkanal separat ausgewertet. Auch diese Temperatur des erwärmten Kühlmittels sollte einen vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreiten, um einen Kalkausfall aus dem Kühlmittel zu vermeiden, welcher nachteiligerweise zu einer Verstopfung des Kühlkreislaufs bzw. der Kühlkanäle führen könnte.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung auch ausgebildet sein, den Volumenstrom des Kühlmittels in dem ersten Kühlkanal derart einzustellen, dass sowohl die Oberflächentemperatur des Metallstrangs den vorgegebenen Strangtemperatur-Schwellenwert nicht unterschreitet, wie auch gleichzeitig die Änderung der Temperatur des Kühlmittels den vorgegebenen Temperaturänderungs-Schwellenwert nicht überschreitet. Die beiden Kriterien sind widersprüchlich zueinander und es bedarf deshalb der Erfahrung eines erfahrenen Stranggießers, welche zum Beispiel in der Programmierung der Steuereinrichtung hinterlegt sein kann, um bei jedem individuellen Gießprozess einen geeigneten Kompromiss bei der Einstellung des Volumenstroms des Kühlmittels im ersten Kühlkanal zu finden, um beiden Kriterien zumindest näherungsweise zu genügen.
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In vorteilhafter Weise ist die Strangführungsrolle beispielsweise als Revolverrolle oder als Mantelrolle ausgebildet ist.
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Vorzugsweise wird vorgesehen, dass die in den beiden Kühlkanälen zirkulierenden Kühlmittel über an den Stirn- oder Mantelflächen von Rollenzapfen der Strangführungsrolle angebrachten Dreheinführungen bzw. Drehdurchführungen in den Rollenkörper der Strangführungsrolle eingeleitet und aus ihm an dem gegen-überliegenden Rollenzapfen wieder herausgeleitet werden.
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Vorzugsweise ist der erste Kühlkanal symmetrisch zur Längsachse der Rolle ausbildet.
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Vorzugsweise ist der zweite Kühlkanal an der Einlaufseite und der Auslaufseite der Strangführungsrolle jeweils in Form eines den ersten Kühlkanal konzentrisch umgebenden Ringkanalabschnitts ausgebildet.
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Auf einfache Weise wird der zweite Kühlkreislauf weiterhin so ausgestaltet, dass von den Ringkanalabschnitten in radialer Richtung Kanäle abzweigen, die jeweils über einen vorzugsweise parallel zur Mantelfläche der Strangführungsrolle verlaufenden Verbindungskanal miteinander verbunden sind.
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Alternativ lässt sich in einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorsehen, dass der zweite Kühlkanal wendel- oder spiralförmig in der Strangführungsrolle verläuft.
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Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zum Betreiben einer Sekundärkühleinrichtung gemäß der Erfindung gelöst. Die Vorteile dieses Verfahrens entsprechen den oben mit Bezug auf die Vorrichtung genannten Vorteilen. Das Verfahren sieht vor, dass zunächst festgestellt wird, ob der Metallstrang aus einem rissempfindlichen Material besteht oder nicht. Diese Feststellung erfolgt - vereinfacht ausgedrückt - durch Auswerten der Duktilität des Materials. Wenn die Duktilität unterhalb eines vorgegeben Schwellenwertes liegt, so ist das Material rissempfindlich und umgekehrt, wenn die Duktilität oberhalb des Schwellenwertes liegt, wird erfindungsgemäß von keiner Rissempfindlichkeit ausgegangen.
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Wenn keine Rissempfindlichkeit vorliegt, sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, den Metallstrang traditionell intensiv abzukühlen, das heißt, sowohl den ersten wie den zweiten Kühlkanal der Rolle gleichzeitig mit Kühlmittel zu betreiben, um auf diese Weise eine maximale Wärmeabfuhr über die Strangführungsrolle - eventuell auch in Kombination mit einer traditionellen Sprühkühlung - zu realisieren.
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Andererseits sieht die Erfindung vor, bei der Abkühlung von rissempfindlichen Metallgüten, die Abkühlung nur schonend bzw. langsam durchzuführen. Dies erfolgt erfindungsgemäß durch Abschalten des äußeren zweiten Kühlkanals in der Strangführungsrolle gegen das Kühlmittel und Betreiben nur des inneren Kühlkanals zur (Trocken-)Kühlung des Metallstrangs, wenn dessen Material rissempfindlich ist.
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Bei rissempfindlichen Materialien ist es von Vorteil, wenn die Abkühlung nur mit einer geringen Kühlrate erfolgt. Deshalb wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise bei minimierter Kühlleistung der Sprühkühleinrichtung der Sekundärkühleinrichtung insbesondere im Auslauf der Strangführungseinrichtung durchgeführt. Die Sprühkühlungseinrichtung kann auch im Auslauf der Strangführungseinrichtung ganz abgeschaltet sein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Sekundärkühleinrichtung und des Verfahrens zu deren Betrieb sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Ansicht einer temperaturgesteuerten Strangführungsrolle im Längsschnitt,
- 2 das erfindungsgemäße Verfahren,
- 3 ein Diagramm, in dem die Oberflächentemperatur einer Bramme vor einem Richttreiber als Funktion der Rollentemperatur der Strangführungsrollen für verschiedene Gießgeschwindigkeiten dargestellt ist, und
- 4 ein Diagramm zum Einfluss der Temperatur der Stranggussrollen auf die Position der Durcherstarrung einer Bramme, wobei die Position der Durcherstarrung als Funktion der Temperatur der Stranggussrollen dargestellt ist.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Sekundärkühleinrichtung zum Kühlen eines Metallstrangs 200 in einer Strangführungseinrichtung. Die Sekundärkühleinrichtung umfasst definitionsgemäß bei der vorliegenden Erfindung mindestens einen Kühlkreislauf 110 mit einer Pumpe 111 zum Fördern eines Kühlmittels 150 und eine Strangführungsrolle 120. Innerhalb der Strangführungseinrichtung dient die Strangführungsrolle natürlich zum Führen des Metallstrangs 200. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Strangführungsrolle jedoch zusätzlich als Teil der Sekundärkühleinrichtung angesehen und es wird deshalb zusätzlich auf ihre Eignung zur Abfuhr von Wärme von dem Metallstrang abgestellt. Zum Zwecke der Wärmeabfuhr umfasst die Strangführungsrolle 120 einen ersten Kühlkanal 112 und einen zweiten Kühlkanal 114, wobei beide Kühlkanäle jeweils als Teilabschnitte des besagten Kühlkreislaufes 110 zum Durchfließen des Kühlmittels 150 ausgebildet sind.
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Gemäß 1 sind die beiden Kühlkanäle 112, 114 in dem einen Kühlkreislauf 110 jeweils parallelgeschaltet. Alternativ könnten der erste Kühlkanal 112 und der zweite Kühlkanal 114 auch in jeweils individuell zugeordneten Kühlkreisläufen betrieben werden. Der Einfachheit halber wird jedoch nachfolgend lediglich ein gemeinsamer Kühlkreislauf für die beiden Kühlkanäle weiter beschrieben.
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Erfindungsgemäß umfasst der Kühlkreislauf 110 im Zulauf 113 des ersten Kühlkanals 112 ein Kühlmittel-Steuerventil 9 zum Steuern des Volumenstroms des Kühlmittels 150 in dem ersten Kühlkanal. Weiterhin umfasst der Kühlkreislauf 110 im Zulauf 115 des zweiten Kühlkanals 114 ein Kühlmittel-Absperrventil 10 zum Absperren des zweiten Kühlkanals gegen einen Durchfluss des Kühlmittels 150. Bei dem Absperrventil 10 kann es sich auch um ein Kühlmittel-Steuerventil zum variablen Einstellen des Volumenstroms des Kühlmittels handeln, allerdings muss es ausgebildet sein, den zweiten Kühlkanal auch komplett gegen den Durchfluss des Kühlmittels absperren zu können.
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Weiterhin umfasst der Kühlkreislauf 110 eine zweite Temperatur-Messeinrichtung 142 im Zulauf 113 des ersten Kühlkanals 112 und eine dritte Temperatur-Messeinrichtung 143 im Rücklauf des ersten Kühlkanals 112, jeweils zum Erfassen der dortigen Temperaturen des Kühlmittels 150. Sowohl der Rücklauf 117 für das Kühlmittel aus dem ersten Kühlkanal 112 wie auch der Rücklauf 114 für das Kühlmittel aus dem zweiten Kühlkanal 114 münden jeweils beide in einen Behälter 160 für das Kühlmittel 150. In diesem Behälter schließt sich der Kühlkreislauf 110, denn aus diesem fördert die Pumpe 111 das Kühlmittel in sowohl den ersten Kühlkanal 112 wie auch den zweiten Kühlkanal 114.
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Die Strangführungsrolle 120 ist vorzugsweise als Revolverrolle oder als Mantelrolle ausgebildet. An den Stirn- oder Mantelflächen von ihren Rollenzapfen sind jeweils Dreheinführungen oder Drehdurchführungen angebracht, jeweils zum Einleiten oder Herausleiten des Kühlmittels aus den beiden Kühlkanälen 112, 114.
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Der erste Kühlkanal 112 ist typischerweise in Form einer Bohrung entlang der Längsachse der Strangführungsrolle 120 verlaufend ausgebildet. Der zweite Kühlkanal besteht dagegen an der Einlaufseite und der Auslaufseite der Strangführungsrolle jeweils in Form von Ringkanalabschnitten 114-1, 114-1', welche konzentrisch zu dem ersten Kühlkanal ausgebildet sind. Von diesen Ringkanalabschnitten zweigen jeweils in radialer Richtung Kanalabschnitte 114-2, 114-2' ab, welche über einen vorzugsweise parallel zu der Mantelfläche der Strangführungsrolle verlaufenden Verbindungskanal 114-3 miteinander verbunden sind. Der Verbindungskanal 114-3 kann beispielsweise wendel- oder Spiralförmig in der Strangführungsrolle ausgebildet sein.
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Die erfindungsgemäße Sekundärkühleinrichtung umfasst weiterhin eine Spüleinrichtung 300 mit einem Kompressor 310, welcher über ein Gas-Absperrventil (13) an den Zulauf 115 des zweiten Kühlkanals angekoppelt ist. Die Spüleinrichtung mit dem Kompressor dient zum Herausblasen von Resten des Kühlmittels aus dem zweiten Kühlkanal zum Beispiel mittels Druckluft, nachdem der zweite Kühlkanal mit Hilfe des Kühlmittel-Absperrventils 10 gegen den Eintritt des Kühlmittels abgesperrt wurde.
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Schließlich umfasst die erfindungsgemäße Sekundärkühleinrichtung eine zentrale Steuereinrichtung 130 welche die Temperatur-Messdaten einer ersten, der zweiten und der dritten Temperatur-Messeinrichtung 140, 142 und 143 empfängt und in Abhängigkeit dieser Messwerte auf Basis eines zugrunde liegenden Programms bzw. Prozessmodells das Kühlmittel-Steuerventil 9, das Kühlmittel-Absperrventil 10 und das Gas-Absperrventil 13 geeignet ansteuert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren, wie es als Programm hinterlegt ist, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 detailliert beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zunächst eine Prüfung des Materials des zu kühlenden Metallstrangs 200 im Hinblick auf seine Rissempfindlichkeit vor. Dazu wird - vereinfacht ausgedrückt - die Duktilität des Materials mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Ist die Duktilität des Materials kleiner als der vorgegebene Schwellenwert, so wird das Material als rissempfindlich eingestuft und umgekehrt, ist die Duktilität größer als der vorgegebene Schwellenwert, so wird das Material als rissunempfindlich eingestuft.
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Liegt riss-unempfindliches Material zur Kühlung an, so wird dieses - wie traditionell üblich - intensiv gekühlt, das heißt mit voll aktivierter Sprühkühlung und optional auch mit aktivierter Rollenkühlung, wobei dann sowohl der erste Kühlkanal 112 wie auch der zweite parallele Kühlkanal 114 gleichzeitig betrieben werden, das heißt mit Kühlmittel durchflossen werden. Auf diese Weise wird eine besonders große Wärmeabfuhr pro Zeiteinheit von dem Metallstrang erzielt.
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Anders verläuft dagegen die Kühlung, wenn rissempfindliche Metallgüten zur Kühlung anstehen. Diese Materialien vertragen lediglich geringe Kühlraten, das heißt die Wärmeabführung pro Zeiteinheit darf nicht zu groß werden. Zu diesem Zweck werden diese Materialien typischerweise trocken gekühlt, das heißt die Kühlleistung der traditionellen Sprühkühlung wird insbesondere im Auslauf der Strangführung gegenüber der Kühlleistung zu Beginn der Strangführung nach Austritt des Strangs aus der Kokille deutlich reduziert, zum Teil sogar ganz abgeschaltet.
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Die Erkenntnis der Erfindung liegt nun darin, dass bei gegebener Trockenkühlung für rissempfindliche Stähle die Wärmeabfuhr von dem Metallstrang noch sehr gut und fein dosiert gesteuert werden kann, durch eine geeignete Steuerung des Volumenstroms des Kühlmittels insbesondere durch den ersten Kühlkanal, der in Form einer Bohrung entlang der Längsachse der Strangführungsrolle ausgebildet ist. Der zweite Kühlkanal 114 wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens für den Durchfluss des Kühlmittels 150 abgesperrt, um eine zu intensive Kühlung der Oberfläche des Metallstrangs 200 zu verhindern. Stattdessen wird der zweite Kühlkanal 114 sogar mit Hilfe der besagten Spüleinrichtung von jeglichen Resten des Kühlmittels aus vorangegangenen Intensivkühlungen befreit, um eine unerwünschte Verdampfung des Kühlmittels in dem zweiten Kühlkanal zu verhindern.
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Stattdessen wird, wie gesagt, der Volumenstrom des Kühlmittels 150 in dem ersten Kühlkanal 112 in Abhängigkeit der Temperatur des Metallstrangs 200, der Temperaturerhöhung, welche das Kühlmittel beim Durchfluss durch den ersten Kühlkanal erfährt, und optional auch in Abhängigkeit der Rücklauftemperatur des Kühlmittels nach Passieren des ersten Kühlkanals 112 eingestellt. Die Messung der Oberflächentemperatur des Metallstrangs 200 erfolgt mit der ersten Temperatur-Messeinrichtung 140. Sobald diese Temperatur TMetallstrang kleiner ist als ein zugeordneter Strangtemperatur-Schwellenwert TSStr, wird das Kühlmittel-Steuerventil 9 von der Steuereinrichtung 130 entsprechend angesteuert, um den Volumenstrom des Kühlmittels 150 in dem ersten Kühlkanal 112 zu erhöhen, um auf diese Weise die Kühlleistung zu vergrößern und die Temperatur des Metallstrangs wieder unter den Strangtemperatur-Schwellenwert zu drücken.
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Durch Auswerten der Temperaturdifferenz der von der zweiten Temperatur-Messeinrichtung 142 im Zulauf 113 des ersten Kühlkanals 112 und der von der dritten Temperatur-Messeinrichtung 143 im Rücklauf 117 des ersten Kühlkanals 112 erfassten Temperaturen ermittelt die Steuereinrichtung 130 die Änderung der Temperatur des Kühlmittels beim Durchfließen durch den ersten Kühlkanal 112. Diese Temperaturdifferenz repräsentiert die Kühlrate und damit die Wärmeabfuhr von dem Metallstrang 200. Aufgrund der Rissempfindlichkeit des Materials darf diese Wärmeabfuhr einen vorgegebenen Temperaturänderungs-Schwellenwert ΔTSK nicht überschreiten. Wenn ein Überschreiten dieses Schwellenwertes droht, ist die Steuereinrichtung ausgebildet, das Kühlmittel-Steuerventil 9 im Zulauf 113 zu dem ersten Kühlkanal 112 derart anzusteuern, dass es den Volumenstrom des Kühlmittels durch den ersten Kühlkanal 112 entsprechend reduziert. Die beiden genannten Bedingungen, dass die Temperatur des Metallstrangs nicht unterhalb der unterhalb den vorgegebenen Strangtemperatur-Schwellenwert fallen darf und dass gleichzeitig aber auch die Änderung der Temperatur des Kühlmittels im ersten Kühlkanal nicht zu groß werden darf, das heißt den vorgegebenen Temperaturänderungs-Schwellenwert nicht überschreiten darf sind durchaus widersprüchlich und die Steuereinrichtung 130 ist deshalb erfindungsgemäß so ausgebildet, dass sie vorzugsweise einen Kompromiss bei der Einstellung des Volumenstroms ermittelt, um beiden Kriterien vorzugsweise gerecht zu werden.
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Optional kann zusätzlich auch noch die absolute Temperatur des Kühlmittels im Rücklauf 117 mit Hilfe der dritten Temperatur-Messeinrichtung 143 erfasst und mit einem vorgegebenen Kühlmitteltemperatur-Schwellwert verglichen werden. Die Steuereinrichtung 130 muss dann zusätzlich ausgebildet sein, um auch dieses Kriterium zu erfüllen, denn eine zu große Temperatur des Kühlmittels birgt die Gefahr eines Kalkausfalls aus dem Kühlmittel, der nachteiligerweise zu einer Verstopfung des ersten Kühlkanals und des Kühlkreislaufes führen könnte.
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Die Durchführung des soeben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 3 und 4 weiter veranschaulicht.
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3 zeigt die Abkühlung von Metallsträngen aus rissempfindlichen Stahlgütern.
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Dazu ist auf der Ordinate die Oberflächentemperatur des Strangs in °C vor dem Richttreiber und auf der Abzisse die Temperatur der Strangführungsrolle 120 in °C aufgetragen. Gemäß der Erfindung werden die Metallstränge trocken gekühlt, d. h. nur unter Einsatz des ersten Kühlkanals 112, während der zweite Kühlkanal 114 trocken ist, d. h. mit Luft gefüllt ist. Dabei steigt die Oberflächentemperatur des Metallstrangs vor dem Richttreiber bei einer Änderung der Temperatur der Strangführungsrollen von beispielsweise 200 °C auf 300 °C je nach den Gießgeschwindigkeiten v1=1m/min, v2=1,5m/min, v3=2,2m/min um etwa 20 °C, beispielsweise um bis zu 23 °C, an.
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In 4 ist auf der Ordinate die Position der Durcherstarrung Sumpfspitze als Abstand vom Ausgang der Kokille und auf der Abzisse die Rollentemperatur in °C aufgetragen.
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Bei trockener Kühlung verändert sich der Abstand der Durcherstarrung (4) beispielsweise bei Rollentemperaturen zwischen 200 °C und 300°C in Abhängigkeit von der Gießgeschwindigkeit. In 4 sind die Veränderungen der Abstände ΔL beispielhaft für die Gießgeschwindigkeiten v0=0,5m/min, v1, v2 und v3 dargestellt. Bei höheren Gießgeschwindigkeit verlagert sich die Position der Durcherstarrung zu größeren Rollen-Nummern hin; das heißt die Abstände der Position der Durcherstarrung zum Kokillenausgang werden größer. Im Beispiel der Darstellung verlagert sich die Durcherstarrung von einer Rolle R44, das heißt der vierundvierzigsten Rolle, gezählt nach dem Auslass der Gießkokille, hin zu einer Rolle R136. In Abhängigkeit der jeweiligen Oberflächentemperatur der Rollen verlagert sich der Ort der Erstarrung ebenfalls in einem Bereich von mehr als 1 Meter, in diesem Fall um etwa 1100 mm. Dies bedeutet, dass durch die Kühlung im Kühlkreislauf, der bei einer trockenen Kühlung für den oberen beschriebenen Werkstoff ausschließlich zum Einsatz kommt, durch die Wahl der Kühlmitteltemperatur und/oder der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels, des bei dem Kühlmittel möglichen Wärmeübergangs und der Effizienz der Rückkühlung des Kühlmittels im Wärmetauscher ein Kühlverlauf individuell an die gewünschte Eigenschaften der Bramme, beispielsweise deren Kornstruktur, Duktilität, etc., individuell eingestellt werden kann.
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Prinzipiell lassen sich auf der Mantelfläche der Strangführungsrollen 120 bei trockener Kühlung Temperaturen in der Größenordnung bis zu 500 °C realisieren, während bei einer Kühlung unter Einsatz beider Kühlkanäle 112, 114 Kühltemperaturen von beispielsweise 120 °C auf der Manteloberfläche erzielt werden, wenn in beiden Fällen die Strangtemperatur bei etwa 1000 °C liegt und das Kühlmittel, beispielsweise Wasser, eine Temperatur von etwa 50 °C oder auch eine noch höhere Temperatur hat. Die Menge des Kühlwassers, das durch den ersten Kühlkanal fließt, liegt in der Größenordnung von 50 bis 100 l/min.
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Bezugszeichenliste
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- 9
- Kühlmittel-Steuerventil
- 10
- Kühlmittel-Absperrventil
- 13
- Gas-Absperrventil
- 110
- Kühlkreislauf
- 111
- Pumpe für Kühlmittel
- 112
- erster Kühlkanal
- 113
- Zulauf des ersten Kühlkanals
- 114
- zweiter Kühlkanal
- 114-1, 114-1'
- koaxiale Ringkanalabschnitte des zweiten Kühlkanals
- 114-2, 114-2'
- radiale Kanalabschnitte des zweiten Kühlkanals
- 114-3
- Verbindungskanal des zweiten Kühlkanals
- 115
- Zulauf des zweiten Kühlkanals
- 117
- Rücklauf des ersten Kühlkanals
- 120
- Strangführungsrolle
- 130
- Steuereinrichtung
- 140
- erste Temperatur-Messeinrichtung
- 142
- zweite Temperatur-Messeinrichtung
- 143
- dritte Temperatur-Messeinrichtung
- 150
- Kühlmittel
- 160
- Behälter
- 200
- Metallstrang
- 300
- Spüleinrichtung
- 310
- Kompressor
- ΔTSK
- Temperaturänderung-Schwellenwert
- TSStr
- Strangtemperatur-Schwellenwert