DE10218957A1 - Stranggießkokille für flüssige Metalle, insbesondere für flüssigen Stahl - Google Patents

Abstract

Eine Stranggießkokille (1) für flüssigen Stahl aus hochwärmeleitfähigen Platten (2), Profilrohren (3) u. dgl. mit bogenförmigen und/oder geraden Umfangsabschnitten (5; 6) oder zwei geraden Umfangsabschnitten (6), die aneinander anschließen oder aufeinander senkrecht stehen und von außen gekühlt sind, können auf der Heißseite (9) (und auf der Kaltseite (10)) in ihrer Wärmestromdichte vergleichmäßigt werden, indem konvexen Umfangsabschnitten (8), die die Heißseite begrenzen, auf der Kaltseite (10) gleichartige, konvexe Umfangsabschnitte (11) mit zur Abschnittsmitte stetig verminderter Wanddicke (12) unmittelbar gegenüberliegen oder alternativ, dass konkaven Umfangsabschnitten (13) auf der Heißseite (9) dieser gegenüber auf der Kaltseite (10) gleichartige, konkave Umfangsabschnitte (8) mit bis zur Abschnittsmitte (8a) stetig vergrößerter Wanddicke (14) unmittelbar gegenüberliegen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Stranggießkokille für flüssige Metalle, insbesondere für flüssigen Stahl, die aus hochwärmeleitfähigen Platten, Profilrohren u. dgl. gebildet ist, wobei, auf den Kokillen-Querschnitt bezogen, bogenförmige und/oder gerade Umfangsabschnitte oder zwei gerade Umfangsabschnitte aneinander anschließen oder zueinander senkrecht stehen und den ringsum geschlossenen Gießquerschnitt bilden, der von außen gekühlt ist.
• Stranggießkokillen für Brammen-, Dünnbrammen-, Vorblock- (dog-bone); Knüppel-, Verstellkokillen und Trichterkokillen für CSP-Anlagen sind durch ungleichmäßige Wärmeströme, insbesondere im Gießspiegelbereich, hoch belastet. Die Wärmeströme fließen von der Heißseite, dem Inneren des Gießquerschnitts, durch die Kupferplatten-Wandung und werden nach außen erheblich zusammengedrängt, so dass auf der Außenseite der Kupferplatten Temperaturen erreicht werden, denen nicht mehr durch höhere Kühlmittelgeschwindigkeiten begegnet werden kann. In Ausnahmefällen wird dadurch die kritische Temperatur für Blasensieden auf der Kaltseite überschritten, wodurch auf der Heißseite die Rekristallisations-Temperatur überschritten wird und bleibende Schäden entstehen können. Gefährdet sind Bogenabschnitte und Stoßstellen von aufeinander senkrecht stehenden Kokillenbreitseiten- Platten und Kokillenschmalseiten-Platten.
• Ausgenommen die Anbringung von unterschiedlich breiten und tiefen Schlitzen für Kühlmittel an der Kaltseite oder gebohrte Kühlmittelkanäle innerhalb der Plattendicke und die Beeinflussung des Überdeckungsgrades durch die Kühlkanäle sind keine Maßnahmen bekannt, die beschriebenen unterschiedlichen Wärmestromdichten zu reduzieren oder ganz zu vermeiden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, konstante, gleichhohe Wärmestromdichten vorzugsweise auf der Heißseite zu bewirken, so dass auf der Kaltseite eine kritische Temperatur nicht überschritten wird.
• Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass konvexen Umfangsabschnitten, die die Heißseite begrenzen, auf der Kaltseite gleichartige, konvexe Umfangsabschnitte mit zur Abschnittsmitte stetig verminderter Wanddicke unmittelbar gegenüberliegen oder alternativ, dass konkaven Umfangsabschnitten auf der Heißseite dieser gegenüber auf der Kaltseite gleichartige, konkave Umfangsabschnitte mit bis zur Abschnittsmitte stetig vergrößerter Wanddicke unmittelbar gegenüberliegen. Dadurch kann eine weitgehend gleiche Wärmestromdichte auf der Heißseite (oder auf der Kaltseite) erzeugt werden, wodurch auf der Heißseite keine außerhalb der Kupferplatten-Rekristallisations-Temperatur liegende und gefährliche Überhitzungen mehr stattfinden können. Dabei kann außerdem die Kühlmittelgeschwindigkeit (alpha in W/m² K) zonenweise variabel gestaltet werden. Dieses Grundprinzip kann ohne weiteres auf Brammen-, Dünnbrammen-, Vorblock-, Knüppel- und Verstellkokillen in jeweils modifizierter Form angewendet werden.
• Eine solche Ausgestaltung sieht vor, dass bei einer bogenförmigen Trichterausbauchung der Breitseite der konkave Mittenbereich auf der Heißseite zu seiner Mitte hin stetig verdickt ist und dass der vom Mittenbereich in den Kantenbereich übergehende konvexe Endbereich in der Wanddicke zu seiner Mitte hin stetig verringert ist.
• Diese Modifizierung ist für sog. CSP-Kokillen besonders günstig. Es kann dabei nur die Verdickung des Mittenbereiches oder die Reduzierung im Kantenbereich angewendet werden oder beides je nachdem wie weit die Wärmestromdichte reguliert werden soll.
• Eine weitere Verbesserung sieht vor, dass der konkave Mittenbereich durch eine stetig verdickte Nickelschicht gebildet ist. Die Nickelschicht kann als Auftragsschicht auf eine Kupferplatte noch später aufgebracht werden.
• Eine weitere Modifizierung kann dadurch stattfinden, dass bei einem zu Doppel-T- Trägern auszuwalzenden Vorblock-Profil und einem festen Radius r2 der Heißseite der Radius r1 der Kaltseite für eine zu seiner Mitte hin stetig verminderte Wanddicke sich nach folgender Funktionsgleichung bestimmt:
  
  
  wobei
  r1 = Radius der Kaltseite,
  r2 = Radius der Heißseite,
  d = Wanddicke im geraden Umfangsabschnitt
  und e = e-Funktion (e = 2,71. .)
  bedeuten.
• Dadurch kann der Grundgedanke auch auf das Gießen von sog. dog-bone-Profilen und auf die zugehörigen Vorblock-Kokillen angewendet werden.
• Nach weiteren Merkmalen ist vorgesehen, dass in den geraden Umfangsabschnitten die Wanddicke konstant ist, d. h. dort werden keine Maßnahmen für die Veränderung der Wärmestromdichte benötigt.
• Eine Ausgestaltung besteht darin, dass an Stoßstellen von geraden und gebogenen Umfangsabschnitten die Wanddicke gegenüber der Wanddicke eines geraden Umfangsabschnitts erhöht ist. Auch dadurch kann die Wärmestromdichte auf der Kaltseite erhöht werden. Diese Maßnahme wirkt sich an Vorblock-Kokillen günstig aus.
• Eine andere Modifizierung ergibt sich daraus, dass bei einem aus einem Profilrohr gebildeten Kokillen-Querschnitt in den Ecken, d. h. an den Stoßstellen der gleichdicken, geraden Umfangsabschnitte, ein im Übergang bogenförmiger Verlauf bis zu einer Ausbauchung vorgesehen ist. Die Maßnahme eignet sich daher für das Gießen von Knüppelsträngen mittels entsprechenden Knüppel-Kokillen.
• Vorteilhaft ist dabei, wenn die Ausbauchung als Halbkreis ausgebildet ist. Dadurch wird in den Ecken die Wärmestromdichte ebenfalls herabgesetzt.
• Die Kühlung von außen kann derart gestaltet sein, dass das Vorblock-Profil und/oder das Profilrohr von einem Wasserspalt umgeben sind.
• Die gestellte Aufgabe wird für Kokillen mit einem Brammenquerschnitt, der aus Breitseitenplatten und Schmalseitenplatten gebildet ist, wobei die Schmalseitenplatten fest oder auf veränderte Gießstrang-Abmessungen einstellbar sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an den Eckstellen der Schmalseitenplatten der ebenen Innenfläche auf der Heißseite jeweils ein konvexer Übergang auf der Kaltseite gegenüberliegt. Auch damit kann die Wärmestromdichte auf der Kaltseite reduziert werden.
• Nach weiteren Merkmalen ist für Brammenquerschnitte vorgesehen, dass auf der Kaltseite, dem Verlauf des konvexen Übergangs folgend, Kühlschlitze und/oder gebohrte Kühlkanäle angeordnet sind. Die Anordnung erfolgt auf dem Verlauf der sich ergebenden Kurve.
• Eine weitere Maßnahme besteht dazu, dass die Kühlschlitze und/oder die gebohrten Kühlkanäle mit unterschiedlichen, sich nach der erforderlichen Kühlmittelbedeckung ergebenden Abständen angeordnet sind. Diese Maßnahme trägt ebenfalls zur Reduzierung der Wärmestromdichte bei.
• In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die nachstehend näher erläutert werden.
• Es zeigen:
• Fig. 1 einen horizontalen Querschnitt durch eine Stranggießkokille mit einem Verlauf der Kokillenplatte, die gerade und gebogene Umfangsabschnitte aufweist,
• Fig. 2A einen horizontalen Schnitt durch eine Breitseitenplatte einer Trichterkokille mit verdicktem Mittelabschnitt,
• Fig. 2B denselben horizontalen Schnitt mit einer Reduzierung des Kantenbereichs,
• Fig. 2C eine Kombination der Ausführungen aus den Fig. 2A und 2B mit dem Verlauf der Kühlschlitze und/oder gebohrten Kühlkanäle,
• Fig. 3A eine Vorblock-Kokille,
• Fig. 3B ein Viertel der Vorblock-Kokille aus Fig. 3A,
• Fig. 4 einen horizontalen Querschnitt durch eine Knüppel-Kokille,
• Fig. 5A eine Brammenkokille mit Schmalseitenplatte,
• Fig. 5B eine Detail-Darstellung der Stoßstellen der Schmalseitenplatte im Querschnitt in vergrößertem Maßstab und
• Fig. 5C dieselbe Detail-Darstellung mit einer alternativen Anordnung der Kühlkanäle.
• Gemäß Fig. 1 ist der Grundgedanke der Erfindung dargestellt. Die Stranggießkokille 1 für flüssigen Stahl besteht aus hochwärmeleitfähigen Platten 2, z. B. aus Kupfer, für Brammen- oder Dünnbrammen-Kokillen (oder aus einem Profilrohr 3, vgl. die Fig. 3A, 3B und 4), wobei auf den Kokillen-Querschnitt 4 bezogen, bogenförmige und/oder gerade Umfangsabschnitte 5 und 6 oder zwei gerade Umfangsabschnitte 6 aneinander anschließen oder zueinander senkrecht stehen (Fig. 4 und 5A-5C) und den Gießquerschnitt 7 begrenzen.
• Ein konvexer Umfangsabschnitt 8 auf der Heißseite 9 liegt einem konkaven Umfangsabschnitt 11 (jeweils von der Kaltseite 10 aus betrachtet) auf der Kaltseite 10 unmittelbar gegenüber mit zur Abschnittsmitte 11a nach beiden Seiten stetig verminderter Wanddicke 12. Im konvexen Umfangsabschnitt 8 (jeweils von der Heißseite 9 aus betrachtet) ist das Kupfer dünner. Demgegenüber ist alternativ am konkaven Umfangsabschnitt 13 auf der Heißseite 9 und im konvexen Umfangsabschnitt 8 in der Abschnittsmitte 8a das Kupfer dicker im Sinn einer vergrößerten Wanddicke 14.
• In den Fig. 2A-2C ist eine Trichterkokille für CSP-Anlagen dargestellt, die an der Breitseite 1a mit der Dicke "d" eine bogenförmige Trichterausbauchung 15 aufweist. Im Bereich der Trichterausbauchung 15 wird in einem ersten Herstellungsschritt (Fig. 2A) die Kupferplattendicke vergrößert. Die Radien r1 und r2 folgen der Funktionsgleichung r2 = r1.e^(d/r1). In einem zweiten Herstellungsschritt (Fig. 2B) wird zusätzlich (oder auch als einzigem Schritt) zu dem konkaven Mittenbereich 16 im Kantenbereich 17 eine Verringerung der Kupferdicke vorgenommen, wobei die Radien r3, r4 der Funktionsgleichung r3 = r4/e^(d/r4) folgen. Es ergibt sich bei Anwendung beider Schritte die in Fig. 2C gezeigte Form der Kupferplatte für die konstante Wärmestromdichte auf der Heißseite 9 entlang der Breitseite 1a. Die dicke ausgezogene Linie zeigt die Lage der Kühlkanäle.
• Bei der bogenförmigen Trichterausbauchung 15 der Breitseite 1a ist der konkave Mittenbereich 16 auf der Heißseite 9 zu seiner Mitte hin stetig verdickt und vom Mittenbereich 16 geht der konvexe Endbereich 18 mit der Wanddicke 12 in den Kantenbereich 17 über, wobei dieser zu seiner Abschnittsmitte 8a hin stetig verringert ist. Der konkave Mittenbereich 16 kann auch durch eine stetig verdickte Nickelschicht 19 gebildet sein. Die Kühlung erfolgt durch gebohrte Kühlkanäle 29 und/oder durch Kühlschlitze 28.
• Die Fig. 3A, 3B zeigen eine Vorblock-Kokille für das sog. dog-bone-Gießen. In Fig. 3B ist nur das in Fig. 3A geschwärzte Viertel des Kokillen-Querschnitts 4 gezeigt. Die vier Viertel sind entsprechend gleich und spiegelbildlich angeordnet. Im Vorblock- Profil 4a ist an den Stoßstellen 20 von geraden und gebogenen Umfangsabschnitten 5; 6) die konstante Wanddicke 12a gegenüber der Wanddicke 12a eines geraden Umfangsabschnitts 6 erhöht. Die Kupferdicke variiert so, dass die Wärmestromdichte an der Heißseite 9 auf dem gesamten Umfang der Stranggießkokille 1 konstant ist. Hierzu wird bei festem Radius r2 (Radius auf der Heißseite 9) der Radius r1 der Kaltseite 10 nach folgender Funktion variiert: r1 = r2/e^(d/r2). Die Kupferdicke ist in der Wanddicke 12a konstant. An den Kanten ist in den Stoßstellen 20 das Kupfer dicker. Demgegenüber ist im bogenförmigen Umfangsabschnitt 5 das Kupfer wie beschrieben dünner gehalten. Der bogenförmige Umfangsabschnitt 5 wird in der Wanddicke 12 stetig auf dem konkaven Umfangsabschnitt 11 zu "d" erhöht. der Profilumfang ist von einem Wasserspalt 24 umgeben. Die Herstellung einer solchen Stranggießkokille erfolgt durch Fräsen (auf NC-Maschinen) oder durch Explosions- Umformen.
• Gemäß Fig. 4 ist eine Stranggießkokille 1 für Knüppel-Querschnitte dargestellt. Dabei sind in einem Profilrohr 3 mit dem Kokillen-Querschnitt 4 in den Ecken 21 die jeweils zusammenstoßenden geraden Umfangsabschnitte 6 an den Stoßstellen 20 der gleichdicken, geraden Umfangsabschnitte 6 mit einem im Übergang 22 bogenförmiger Verlauf bis zu einer Ausbauchung 23 ausgeformt. Die Ausbauchung 23 ist als Halbkreis 23a (oder einem ähnlichen Querschnitt) gebildet. Auch hier ist der Profilumfang von einem Wasserspalt 24 umgeben. Die Dicke des geraden Umfangsabschnittes 6 entspricht etwa 2/3 und die Überhöhung durch die Ausbauchung 23 etwa 1/3 der Wanddicke 12a. In der Praxis kann die Überhöhung z. B. 6 mm und die Wanddicke 12a etwa 12 mm betragen. Die größere Kupferdicke an den Ecken 21 entspricht einer gebrochen-rationalen Funktion und folgt der Formel y = (a + b.x)/(c + d.x).
• Gemäß Fig. 5A ist die Stranggießkokille 1 für flüssige Metalle, insbesondere für flüssigen Stahl, mit einem Brammenquerschnitt 25 vorgesehen, der aus Breitseitenplatten 1b und aus Schmalseitenplatten 1c gebildet ist, wobei die Schmalseitenplatten 1c fest oder auf veränderte Gießstrang-Abmessungen eingestellt werden können. An den Eckstellen 20 der Schmalseitenplatten 1c mit der ebenen Innenfläche 26 liegt auf der Heißseite 9 jeweils ein konvexer Übergang 27 der Kaltseite 10 gegenüber. Auf der Kaltseite 10, dem Verlauf des konvexen Übergangs 27 folgend, sind Kühlschlitze 28 und/oder gebohrte Kühlkanäle 29 angeordnet.
• In Fig. 5B sind gefräste Kühlschlitze 28 auf der Kaltseite 10 angeordnet, die auf der vorgegebenen Kurve entsprechend der Funktionsgleichung y = (a + b.x)/(c + d.x) liegen. Ebenfalls liegen die gebohrten Kühlkanäle 29 auf der vorgegebenen Kurve. Außerdem sind die Kühlschlitze 28 und/oder die gebohrten Kühlkanäle 29 mit unterschiedlichen, sich nach der erforderlichen Kühlmittelbedeckung ergebenden Abständen 30 angeordnet (Fig. 5B und 5C). Alternativ kann dazu eine Veränderung der Kühlmittelbedeckung, eine Vergrößerung der Abstände 30 zwischen den Kühlkanälen 28, 29 am Kokillenrand vorgesehen sein.
• Die aufgrund der Erfindung getroffenen Maßnahmen gelten immer dann, wenn die Kühlung zwischen Kupferplatte und Kühlmittelstrom unterhalb der Siedetemperatur (außerhalb des Leidenfrost'schen Phänomens) betrieben wird. Bezugszeichenliste 1 Stranggießkokille
  1a Breitseite
  1b Breitseitenplatte
  1c Schmalseitenplatte
  2 hochwärmeleitfähige Platte
  3 Profilrohr
  4 Kokillen-Querschnitt
  4a Vorblock-Profil
  5 bogenförmiger Umfangsabschnitt
  6 gerader Umfangsabschnitt
  7 Gießquerschnitt
  8 konvexer Umfangsabschnitt
  8a Abschnittsmitte
  9 Heißseite
  10 Kaltseite
  11 konkaver Umfangsabschnitt
  11a Abschnittsmitte
  12 verminderte Wanddicke
  12a konstante Wanddicke
  13 konkaver Umfangsabschnitt
  14 vergrößerte Wanddicke
  15 bogenförmige Trichterausbauchung
  16 konkaver Mittenbereich
  17 Kantenbereich
  18 konvexer Endbereich
  19 Nickelschicht
  20 Stoßstellen
  21 Ecken
  22 Übergang
  23 Ausbauchung
  23a Halbkreis
  24 Wasserspalt
  25 Brammenquerschnitt
  26 ebene Innenfläche
  27 konvexer Übergang
  28 Kühlschlitze
  29 gebohrte Kühlkanäle
  30 Abstände
  

Claims (12)

1. Stranggießkokille (1) für flüssige Metalle, insbesondere für flüssigen Stahl, die aus hochwärmeleitfähigen Platten (2), Profilrohren (3) u. dgl. gebildet ist, wobei, auf den Kokillen-Querschnitt (4) bezogen, bogenförmige und/oder gerade Umfangsabschnitte (5; 6) oder zwei gerade Umfangsabschnitte (6) aneinander anschließen oder zueinander senkrecht stehen und den ringsum geschlossenen Gießquerschnitt (7) bilden, der von außen gekühlt ist, dadurch gekennzeichnet, dass konvexen Umfangsabschnitten (8), die die Heißseite (9) begrenzen, auf der Kaltseite (10) gleichartige, konvexe Umfangsabschnitte (11) mit zur Abschnittsmitte (11a) stetig verminderter Wanddicke (12) unmittelbar gegenüberliegen oder alternativ, dass konkaven Umfangsabschnitten (13) auf der Heißseite (9) dieser gegenüber auf der Kaltseite (10) gleichartige, konkave Umfangsabschnitte (8) mit bis zur Abschnittsmitte (8a) stetig vergrößerter Wanddicke (14) unmittelbar gegenüberliegen.

2. Stranggießkokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer bogenförmigen Trichterausbauchung (15) der Breitseite (1a) der konkave Mittenbereich (16) auf der Heißseite (9) zu seiner Mitte hin stetig verdickt ist und dass der vom Mittenbereich (16) in den Kantenbereich (17) übergehende konvexe Endbereich (18) in der Wanddicke (12) zu seiner Mitte hin stetig verringert ist.

3. Stranggießkokille nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der konkave Mittenbereich (16) durch eine stetig verdickte Nickelschicht (19) gebildet ist.

4. Stranggießkokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem zu Doppel-T-Träger auszuwalzenden Vorblock-Profil (4a) und einem festen Radius (r2) der Heißseite (9) der Radius (r1) der Kaltseite (10) für eine zu seiner Mitte hin stetig verminderte Wanddicke (12) sich nach folgender Funktionsgleichung bestimmt:


wobei
r1 = Radius der Kaltseite,
r2 = Radius der Heißseite,
d = Wanddicke im geraden Umfangsabschnitt
und e = e-Funktion (e = 2, 71. .)
bedeuten.

5. Stranggießkokille nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den geraden Umfangsabschnitten (6) die Wanddicke (12) konstant ist.

6. Stranggießkokille nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass an Stoßstellen (20) von geraden und gebogenen Umfangsabschnitten (5; 6) die Wanddicke (12) gegenüber der Wanddicke (12) eines geraden Umfangsabschnittes (6) erhöht ist.

7. Stranggießkokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aus einem Profilrohr (3) gebildeten Kokillen-Querschnitt (4) in den Ecken (21), d. h. an den Stoßstellen (20) der gleichdicken, geraden Umfangsabschnitte (6), ein im Übergang (22) bogenförmiger Verlauf bis zu einer Ausbauchung (23) vorgesehen ist.

8. Stranggießkokille nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbauchung (23) als Halbkreis (23a) ausgebildet ist.

9. Stranggießkokille nach einem der Ansprüche 1, 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorblock-Profil (4a) und/oder das Profilrohr (3) von einem Wasserspalt (24) umgeben sind.

10. Stranggießkokille für flüssige Metalle, insbesondere für flüssigen Stahl, mit einem Brammenquerschnitt (25), der aus Breitseitenplatten (1b) und Schmalseitenplatten (1c) gebildet ist, wobei die Schmalseitenplatten (1c) fest oder auf veränderte Gießstrang-Abmessungen einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den Eckstellen (20) der Schmalseitenplatten (1c) der ebenen Innenfläche (26) auf der Heißseite (9) jeweils ein konvexer Übergang (27) auf der Kaltseite (10) gegenüberliegt.

11. Stranggießkokille nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kaltseite (10) dem Verlauf des konvexen Übergangs (27) folgend Kühlschlitze (28) und/oder gebohrte Kühlkanäle (29) angeordnet sind.

12. Stranggießkokille nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlitze (28) und/oder die gebohrten Kühlkanäle (29) mit unterschiedlichen, sich nach der erforderlichen Kühlmittelbedeckung ergebenden Abständen (30) angeordnet sind.