DE10253735A1

DE10253735A1 - Intensivierung des Wärmeüberganges bei Stranggießkokillen

Info

Publication number: DE10253735A1
Application number: DE10253735A
Authority: DE
Inventors: Uwe Plociennik; Markus Reifferscheid; Dirk Mangler
Original assignee: SMS Demag AG
Current assignee: SMS Siemag AG
Priority date: 2002-04-27
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2003-11-13
Also published as: UA81247C2; ZA200406378B; KR20040097142A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kokille zum Stranggießen von schmelzflüssigen Metallen, insbesondere von Stahl, mit Kühlkanälen 1 wie Kühlnuten, Kühlschlitzen oder Kühlbohrungen in der von der Kontaktfläche mit der Schmelze abgewandten Kokillenseite 2. Der Wärmeübergang der Kokille wird dadurch verbessert, dass die geometrischen Ausgestaltungen der wärmeübertragenden Flächenbereiche eines Kühlkanals 1 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 18 im Gießbetrieb, und insbesondere im Gießspiegelbereich 11, angepasst ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kokille zum Stranggießen von schmelzflüssigen Metallen, insbesondere von Stahl, mit Kühlkanälen wie Kühlnuten, Kühlschlitzen oder Kühlbohrungen in der von der Kontaktfläche mit der Schmelze abgewandten Kokillenseite.

Eine Stranggießkokille, insbesondere eine CSP (Compact Strip Production)- Kokille üblicher Bauart in Form einer Plattenkokille, zum Stranggießen von Vorblöcken oder Brammen aus Stahl, ist zumeist mit Seitenwänden ausgebildet, die jeweils aus einer Stützwand und einer an dieser befestigten, mit der Metallschmelze in Kontakt gelangenden Innenplatte bestehen. Bevorzugt an der der Stützwand zugewandten Seite der Innenplatte sind zueinander parallele Kühlmittelkanäle vorgesehen, die als zur Stützwand offene Schlitze ausgebildet sein können.

Bei CSP-Kokillen aktueller Bauart sind die Wärmeübergangsverhältnisse über der Kokillenhöhe, insbesondere in einem Bereich über und unter dem Badspiegel, in Grenzen veränderlich. Beispielsweise wird die Wandtemperatur der Kokille oberhalb des Badspiegels abgesenkt. Wenn jedoch der Wärmeübergang im Bereich und/oder oberhalb des Badspiegels verringert wird, so steigt die Temperatur der Kokille. Dies hat folgende Vorteile:

- Durch die im Bereich des Badspiegels wärmere Kokille wird Gießpulver schneller aufgeschmolzen;
- Schnelleres Aufschmelzen des Gießpulvers erhöht die Schmierwirkung zwischen Strang und Kokille, mit dem Ergebnis einer besseren Strangoberfläche;
- Bessere Schmierung führt zu einer niedrigeren Kokillenoberfläche unterhalb des Badspiegels, dadurch ergeben sich verringerte thermische Spannungen und verringerte Tendenz zu Rissbildungen, infolgedessen höhere Standzeiten der Kokille;
- Wärmere Bereiche der Kokille oberhalb des Badspiegels reduzieren die Druckspannungen in Bereichen unterhalb desselben. Dies vermindert ebenfalls die Rissbildung und führt zu höheren Standzeiten der Kokille.

Durch Messungen an Stranggießkokillen ist es bekannt, dass die Verteilung der Wärmestromdichten unterhalb des Badspiegels zwischen 20 und 80 mm ein Maximum aufweist, um ausgehend hiervon sowohl in Gießrichtung, als auch dazu entgegengesetzt nach Art einer Glockenkurve abzufallen. Dabei beträgt der Bereich der erhöhten Wärmestromdichte ca. 120 mm.

Ein zuordenbares Diagramm der Temperaturverteilung der Schmelze in der Kokille entspricht der Krümmung einer liegenden Parabel mit t_max im Bereich der erhöhten Wärmestromdichte.

Das Dokument DE 38 40 448 C2 beschreibt eine Stranggießkokille, insbesondere Plattenkokille, deren Seitenwände jeweils von einer Stützwand und einer an dieser befestigten, mit Metallschmelze in Kontakt gelangenden Innenplatte gebildet sind, und wobei an der der Stützwand zugewandten Seite der Innenplatte zueinanderliegende Kühlmittelkanäle vorgesehen sind, die als zur Stützwand offene Schlitze ausgebildet sind, deren Breite geringer, und deren Tiefe größer als die Breite der zwischen den Schlitzen liegenden Rippen ist.

Die EP 0 551 311 B1 beschreibt eine flüssigkeitsgekühlte, breitenverstellbare Plattenkokille zum Stranggießen von Strängen aus Stahl im Brammenformat, insbesondere für eine Dicke unter 100 mm. Bei dieser sind die Breitseitenplatten und Schmalseitenplatten in Richtung ihrer Quererstreckung im Sinn einer Querschnittsvergößerung für den Strang ausgebildet, die Schmalseitenplatten sind über die Kokillenhöhe im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und die Breitseitenplatten mindestens im Bereich geringster Brammenbreite konkav ausgebildet, derart, dass im Querschnitt die Scheitelhöhe der einen Bogen bildenden Kokillenwand gegenüber einem eingeschriebenen Rechteck auf der Eingießseite der Kokille maximal 12 mm pro 1000 mm Brammenbreite beträgt und die Form der Breitseitenplatten am Strangaustrittsende der Kokille dem zu erzeugenden Strangformat entspricht. Die Breitseitenplatten sind im Verstellbereich der Schmalseitenplatten als ebene Fläche ausgebildet und es sind in der der formgebenden Seite abgewandten Seite schlitzartige Kanäle angeordnet.

Die EP 0 968 779 A1 betrifft die Ausbildung einer Breitseite einer Brammenkokille, mit einer Gießplatte mit einer Innenfläche und einer dieser gegenüberliegenden Außenfläche, wobei die Breitseite einen oberen und einen unteren Teilbereich aufweist, und wobei zumindest der obere Teilbereich einen Mittelbereich und zwei seitlich davon angeordnete Seitenbereiche aufweist. In dem Dokument wird vorgeschlagen, dass die Innenfläche der Gießplatte zur Bildung von Kühlkanälen Nuten mit Hinterschneidungen aufweist, und dass die Nuten von Füllstücken formschlüssig abgedeckt sind, die in die Hinterschneidungen eingeführt sind.

Das U.S.-Patent 5,207,266 betrifft eine wassergekühlte Kupferkokille, umfassend eine Kupferplatte mit einem daran befestigten rückwärtigen Rahmen unter Ausbildung von Kühlkanälen, worin Weiten von Hauptkanälen in der Region der Befestigungsbolzen weiter als diejenigen in anderen Regionen sind. Die Kokille umfasst die Ausbildung größerer Kanäle zwischen rechtsseitigen und linksseitigen Kanälen in der Region der Befestigungsbolzen ausschließlich der Bolzenverschraubungen. Verzweigungs-Kanäle zwischen den Hauptkanälen und den vergrößerten Kanälen sind vorgesehen, worin zumindest Zweigkanäle und -bereiche von den Hauptkanälen mehr Wasserflächenbereiche aufweisen, als die Haupt- und vergrößerten Kanäle.

Für eine rasche und sichere, insbesondere gleichmäßige Ausbildung einer rissfreien Strangschale ist eine intensive Kühlung bzw. Wärmeabfuhr aus dem Bereich unterhalb des Meniskus bis zur Auslassöffnung der Kokille von ausschlaggebender Bedeutung. Hierfür sind bei bekannten Kokillen folgende Möglichkeiten gegeben:

- Einstellen einer relativ hohen Kühlwassergeschwindigkeit,
- Absenken der Kühlwassertemperatur,
- Vergrößerung der Wärmetauscherflächen in den Kühlkanälen durch Kühlrippen.

Vorgenannte Varianten werden bereits bei der Auslegung von Kokillen für Stanggießanlagen in der Praxis vielfach angewandt.

Die Kontaktplatte der Kokille, die in der Regel aus einer Kupferlegierung besteht steht im "direkten Kontakt" mit dem flüssigen und erstarrten Metall. Die auch als Kupferplatte bezeichnete Kontaktplatte ist ein Verschleißteil und wird auf einem Trägerelement, meist aus Stahl bestehend, befestigt. Das wiederverwertbare Trägerelement wird Wasserkasten genannt.

Die Kokille selbst wirkt als Kristallisator, d. h. dem eingebrachten flüssigen Stahl wird soviel Energie entzogen, dass eine tragfähige Strangschale entsteht, die dann kontinuierlich aus der Kokille herausgezogen werden kann. Dabei bildet sich eine erste Strangschale in Höhe des Füllstandes in der Kokille am sogenannten Meniskus. Der Begriff Meniskus steht für den frühen Entstehungsbereich der Strangschale in dem die Kontaktfläche der Kokille, festes und geschmolzenes Gießhilfsmittel sowie Flüssigstahl und Strangschale zusammentreffen. Als Gießhilfsmittel werden Gießpulver und Öle eingesetzt. Diese trennen Metall und Kupfer durch Schmierung voneinander und steuern den lokalen Wärmeübergang (Fig. 8).

Das am Meniskus gebildete erste Strangschalenvolumenelement wandert mit Abzugsgeschwindigkeit durch die Kokille. Aufgrund des gegebenen Temperaturgradienten zwischen Flüssigstahl und Kühlmedium stellt sich ein lokaler Energiestrom in Richtung der Kühlkanäle ein. Sein Energieinhalt wird über die mit dem Kühlmittel, meist Wasser, durchströmten Kühlkanäle abgeführt. Die Strangschalendicke nimmt entsprechend zu.

Die in der Kokillenkonstruktion ausgebildeten Kühlkanäle können vollständig innerhalb der Kupferplatte oder auch innerhalb des Wasserkastenelements befindlich ausgeführt sein. Auch Mischbauweisen sind bekannt. Zudem sind Varianten verbreitet, bei denen Füllstücke zwischen Wasserkasten und Kupferplatte derartig angeordnet sind, dass geeignete Kühlkanäle entstehen.

Aus fertigungstechnischen Gründen sind Kühlkanäle mit Rechteck- oder Kreisquerschnitten weit verbreitet. Eckenbereiche können mit Verrundungen ausgeführt sein. Durch geeignete Füllstücke werden aber auch U-, L- und T-Formen beliebiger Ausrichtung gegenüber der Kontaktfläche erzeugt. Die typische Anordnung der Kühlkanäle folgt einzeln oder gruppiert der Gießrichtung, d. h. von oben nach unten, und meist äquidistant zur Kontaktfläche zum Metall. Ziel der Bemühungen ist, über die Kontaktfläche der Kokille eine möglichst homogene Kühlwirkung zu erzielen, was im Bereich von Befestigungsstellen oft nur bedingt gelingt. Oft werden in Querschnittsfläche und/oder Geometrieform unterschiedlich gestaltete Kühlkanäle nebeneinander kombiniert, um die Gleichmäßigkeit der Kühlwirkung über der Gießbreite weiter zu optimieren (Fig. 10).

All diesen Bauformen gemeinsam ist die Eigenschaft, dass die Geometrie eines einzelnen Kühlschlitzes über seine Länge in Form und Querschnittsfläche unverändert bleibt. Diese Ausführung implementiert, dass die zur Kühlung nutzbare Kühlkanalfläche über die Kühlkanallänge unveränderlich bleibt. Über die Mengenbilanz entlang eines gedachten Stromfadens lässt sich weiterhin ableiten, dass die Strömungsgeschwindigkeit über die Kühlkananllänge konstant bleibt.

Diesbezüglich existiert lediglich eine Sonderausführung für Kühlkanalbohrungen in die von oben oder unten, zentrale Verdrängerstifte eingebracht werden können. Da die Länge des Verdrängerstiftes in der Regel kürzer ist als die Bohrungslänge selbst, kommt es im Kühlkanal zu einer Querschnittsverengung, was zu einer Beschleunigung des Kühlmediums in diesem Übergangsbereich führt. Im verengten Querschnittsbereich fließt das Kühlmedium dann schneller, was die Kühlwirkung entsprechend verstärkt. Die für den Kühlkanal wirksame Kühlfläche bleibt von dieser Maßnahme allerdings unberührt.

Die bisher üblichen konstruktiven Auslegungen der Kühlkanäle zielen auf eine möglichst homogene Kühlwirkung, wobei die tatsächlich vorhandene, inhomogene thermische Belastungsverteilung auf der Kokillenplatte keine Berücksichtigung findet. Aufgrund der notwendigen mehrdimensionalen Betrachtung sind zwei Inhomogenitäten in der thermischen Lasterverteilung zu unterscheiden.

- Inhomogenität parallel zur Gießrichtung
- Inhomogenität senkrecht zur Gießrichtung

In Gießrichtung kann der Wärmeübergang aus dem flüssigen Stahl in das Kühlmedium im Kühlkanal vereinfacht als eindimensionale Wärmeleitung durch mehrere Schichten betrachtet werden. In der Energiebilanzgleichung sind zu berücksichtigen:

1. Wärmeübergang aus dem Flüssigstahl in die gebildete Strangschale
2. Wärmeleitung durch die Stangschale
3. Wärmeleitung durch die Schmiermittelschicht
4. Wärmeleitung durch die Kupferplatte
5. Wärmeübergang in das Kühlmedium

Im stationären Fall sind Quellterme nicht zu berücksichtigen.

Im Term der Wärmeleitung durch die Strangschale liegt eine Ursache für die ungleichmäßige, thermische Lastverteilung über der Kokillenlänge, da im Gießspiegel überhaupt erst eine Strangschale entsteht und diese in Gießrichtung weiter wächst. Der Wärmeübergang behindert sich somit mit zunehmender Strangschalendicke selbst. Setzt man alle übrigen Parameter konstant, ist daher zu erwarten, dass der Wärmestrom am Gießspiegel seinen höchsten Wert aufweist und dann in Gießrichtung kontinuierlich abnimmt. Aus der Integration über die gesamte Kühlkanallänge kann ein mittlerer Wärmestrom abgeleitet werden. Aufgrund der Mehrdimensionalität der Wärmeleitung - oberhalb des Gießspiegels erfolgt kein Wärmeeintrag - wird sich der theoretisch scharfe Verlauf der Wärmestromdichte glätten und die Lage des Maximums in Gießrichtung verschieben (Fig. 9).

Betriebsmessungen von lokalen Wärmestromdichten belegen, dass gegenüber dem mittleren Wärmestrom die lokalen Werte im Gießspiegelbereich um den Faktor 1,5 bis 3 höher, dagegen die Werte am Kokillenfuß um den Faktor 0.3 bis 0.6 niedriger liegen können. Die Lage des Maximums liegt je nach Anlage und Prozessparameter 20 bis 70 mm unterhalb der eigentlichen Gießspiegellage. Die absoluten Werte der mittleren Wärmestromdichten sind zum einen von Gießpulver, insbesondere aber auch von der Gießgeschwindigkeit abhängig. So werden in der Literatur mittlere Wärmestromdichten um 1.0 MW/m² bei 0.9 m/min. 2.0 MW/m² bei 3.0 m/min und 3.0 MW/m² bei 5.5 m/min Gießgeschwindigkeiten genannt. Über die genannten Faktoren lassen sich die zu erwartenden lokalen Wärmestromdichten zumindestens abschätzen.

Die ungleichmäßige Verteilung der Wärmestromdichte in Gießrichtung führt dazu, dass der thermische Hauptverschleiß an der Kokillenplatte fast ausnahmslos im Gießspiegelbereich - stattfindet. Dieser äußert sich in Riefen, Rissen, Deformationen und sogar Abplatzungen von eventuell vorher aufgebrachten Schichten.

Auch in Breitenrichtung ist die Belastung der Kokillenplatte durchaus unterschiedlich. Inhomogenitäten resultieren meist aus dem sich in der Kokille ausbildendem Strömungsfeld des flüssigen Stahls. Die Vorgänge sind eng verknüpft mit der geometrischen Ausgestaltung des stahlzuführenden Tauchausgusses, der Kontaktflächengeometrie und anderen Prozessgrößen. Stationäre und instationäre Vorgänge am Gießspiegelausbildungen bewirken eine meist anlagenspezifisch inhomogene Ausbildung des Meniskus. Mit der inhomogenen Meniskusausbildung ist auch eine inhomogene Wärmeverteilung verbunden, sodass die Hauptschädigung sich nicht gleichmäßig über der Kokillenbreite ausbildet, sondern konzentriert an bestimmten Stellen einsetzt.

Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den für die Kühlwirkung der Kühlkanäle massgebenden Wärmeübergang durch eine besondere geometrische Ausgestaltung der wärmeübertragenden Flächenbereiche eines Kühlkanals bzw. einer Gruppe derselben der lokalen Wärmestromdichte der mit der Schmelze in Berührung stehenden Kontaktfläche der Kokille anzupassen.

Die Lösung der Aufgabe wird mit der Erfindung entsprechend den Merkmalen von Anspruch 1 erreicht.

Weitere erfindungsgemässe Beeinflussungen des Wärmeüberganges und damit der Kühlwirkung des bzw. der Kühlkanäle sind entsprechend den Unteransprüchen vorgesehen. Dabei kann z. B. zur Beeinflussung der lokalen Kühlwirkung eines Kanals dessen Form, Querschnittsfläche, Umfang, Grenzflächenbeschaffenheit, Orientierung und Anordnung relativ zur Kontaktfläche lokal variiert sein.

Weiterhin können z. B. die wirksamen Wärmeaustauschflächen am Kanalgrund bzw. an den Seitenwänden vergrössert oder verkleinert sein.

Beispielsweise werden durch Ausbildung von Riefen in den Grund- oder Seitenflächen der Kühlkanäle diese oberflächenmäßig wesentlich vergrößert bis nahezu verdoppelt, was zu einer höheren Wärmestromdichte mit erheblich intensiverer Kühlwirkung bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums führt, mit dem bedeutenden Vorteil, dass die Temperaturen der Kokille erheblich gesenkt werden, sodass neben der geringeren Belastung des Kokillenwerkstoffes ggf. auch die Wasserdrücke für das Kühlwasser gesenkt werden können.

Vergleichende Temperaturberechnungen haben hierbei beispielhaft folgende Werte ergeben:

- glatte Oberfläche der Wärmetauscherfläche am Grunde von Kühlnuten (Grad C):

507° Temperatur zum Strang 173° Temperatur zum Wasser
- vergrößerte Oberfläche gemäß der Erfindung

462° Temperatur zum Strang 131° Temperatur zum Wasser

-45° Differenz -42° Differenz.

Die Zahlen beweisen in aller Deutlichkeit die positive Wirkung der Maßnahme nach der Erfindung. Eine künstliche Vergrößerung der Kühlkanaloberflächen kann auch bei gebohrten CSP-Kokillen vorzugsweise im Meniskusbereich mit Hilfe eines Raum-Werkzeuges realisiert werden.

Andere Ausgestaltungen der Erfindung sind entsprechend weiteren Unteransprüchen vorgesehen. Dabei wird die künstliche Vergrößerung der Kühlkanaloberfläche nicht oberhalb des Badspiegels vorgenommen, weil in diesem Bereich der Kokille der Wärmeübergang eher reduziert werden soll, um das Aufschmelzen des Gießpulvers zu unterstützen.

Eine Verringerung des Wärmeübergangs oberhalb des Badspiegels wird erreicht durch:

- Einsatz von Hülsen in Kühlbohrungen oberhalb des Badspiegels,
- Beschichten der Bohrungen oberhalb des Badspiegels,
- Einbringen von Einsätzen aus geringer wärmeleitendem Material oberhalb des Badspiegels.

Gleichzeitig werden durch einen wärmeren Bereich der Kokille oberhalb des Badspiegels die Spannungen in der Kokille reduziert und so die Rissbildung des Stranges verringert unter gleichzeitiger Erhöhung der Verfügbarkeit der Kokille.

Hierbei hat sich als besonders zweckmäßig die Maßnahme erwiesen, dass die Wärmeabfuhr der wärmeübertragenden Flächenbereiche der Kühlkanäle durch eine über die Höhe der Kokille variierende Anpassung an deren Wärmestromdichteverteilung vorgenommen wird.

Hierdurch werden die Temperaturverläufe entlang der Kokillenhöhe in derselben noch mehr vergleichsmäßigt und größere Materialspannungen in der im Entstehen begriffenen Strangschale vermieden und deren Rissbildung verhindert.

Die Erfindung wird anschliessend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Abschnitt einer Kokillenwand, in vergrössertem Schnitt, senkrecht zu ihrem Verlauf,
Fig. 2 ein weiteres Teilstück der Kokillenwand gemäß Fig. 1, ebenfalls im Schnitt,
Fig. 3 Kühlkanalbohrungen mit Riefen an ihren Innenflächen,
Fig. 4 und 5 vergleichende Teile von Wärmetauschflächen ohne und mit vergrösserter Bodenfläche,
Fig. 6 den Verlauf der Wärmestromdichte q über der Höhe H der Kokille unterhalb des Badspiegels,
Fig. 7 ein Diagramm der Tiefe der Rillen R über der Höhe der Kokille mit zugeordnetem Verlauf einer Temperaturkurve T, ebenfalls unterhalb des Badspiegels mit T_max oberhalb und unterhalb des Meniskusbereiches,
Fig. 8 im Schnitt ein Stück einer Kokillenwand mit Kühlkanälen und zugeordnetem Wärmestrom,
Fig. 9 zwei zum Vergleich nebeneinander dargestellte Diagramme mit der mittleren bzw. globalen Wärmestromdichte bzw. Temperatur,
Fig. 10 Teile von Kühlmittelkanälen unter Ausbildung vergleichbarer Wärmetauscherböden,
Fig. 11 weitere Ausbildungsformen von Wärmeaustauscherböden,
Fig. 12 zeigt eine über die Kokillenhöhe angepasste Verteilung der Wärmestromdichteverteilung mit q_max unterhalb des Badspiegels.
Die Fig. 1 zeigt vergrößert einen Abschnitt 10 einer der Schmelze abgewandten Seite 2 einer Kokillenwand mit einer darin angeordneten schlitzartigen Kühlnut 1. Diese besitzt eine Breite B und eine Tiefe T. Der Bodenbereich der Kühlnut 1 ist nach der Erfindung mit einem Riefen 3 aufweisenden Profil ausgebildet, wodurch dessen Fläche gegenüber einer planen Ausführung, z. B. gemäß Fig. 4, annähernd verdoppelt ist.
Dabei kann die Wärmeabfuhr der wärmeübertragenden Flächenbereiche der Kühlnuten -schlitze oder -bohrungen durch eine über die Höhe der Kokille variierende Anpassung an deren Wärmestromdichteverteilung vorgenommen werden, wie dies beispielsweise in der Fig. 6 dargestellt ist.
Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass die Riefen 3 zwecks Variation der Intensität des Wärmeüberganges eine variable Tiefe 4 beispielsweise zwischen 1 und 4 mm besitzen und mit je einem Öffnungswinkel zwischen 30° und 60° ausgebildet sind, wie dies rein beispielhaft in der Fig. 7 gezeigt ist. Die Riefen 3 können mit einem Öffnungswinkel bis ca. 60° und einer Höhe bis ca. 4 mm in Abständen "A" ausgebildet sein und ähneln dem Profil eines Gewindes. Natürlich können auch andere Formen, wie wellenförmig, trapezförmig, zahnförmig oder dgl. gestaltete Riefen vorgesehen werden, die zur Vergrößerung der kühlenden Oberfläche führen.
Fig. 2 zeigt einen Abschnitt 10 einer Kokillenwand, umfassend je ein Stück einer Stützwand 5 mit einem Stück einer Innenplatte 6, die miteinander dicht anliegend verbunden, insbesondere miteinander verschraubt sind. Die Innenplatte 6 ist von Kühlkanälen 7 durchsetzt, die als gegen die Stützwand 5 offene und von der Stützwand 5 abgedeckte Schlitze ausgebildet sind. Nach der Erfindung sind die Schlitze an ihren Böden mit von Riefen durchsetzten Wärmetauscherflächen 3 versehen, die eine künstlich erhöhte Wärmestromdichte zur Folge haben.
Fig. 3 zeigt ein beliebiges Teilstück 10 einer Kokillenwand mit darin angeordneten Kühlkanalbohrungen 8 mit in Form von Rillen bzw. Riefen 3 ausgebildeten Innenwänden 9.
Die Fig. 4 und 5 zeigen anhand angedeuteter Teile von Kühlmittelkanälen 7, 7' unter Ausbildung miteinander zu vergleichender Wärmeaustauscherböden 11 bzw. 12 eine glatte 11 und eine aus Riefen 12 bestehende Konfiguration sowie die zugehörigen Temperaturwerte. Diese zeigen für die Ausführung mit Riefenboden 12 eine deutliche Absenkung der Temperaturen unter streng identischen Ermittlungsbedingungen der zu vergleichenden Prozess-Parameter.
Fig. 6 zeigt eine über die Höhe der Kokille erfindungsgemäß angepaßte Wärmestromdichteverteilung mit qmm in einem begrenzten Bereich unterhalb des Badspiegels (Bad). Entsprechend zeigt die Temperaturkurve T in der Fig. 7 ein Temperaturmaximum T_max innerhalb eines Bereiches 13 bis 17 von variabler Tiefe R der wärmetauschenden Rillen mit R_max zwischen Punkt 14 und 15. Die Wärmetauscherrillen (3) beginnen bei 13 in Höhe des Badspiegels. Bei 14 ist die maximale Rillentiefe (4) erreicht. Diese maximale Rillentiefe geht bis 15 und wird wieder auf dem Weg über 16 auf das ursprüngliche Niveau reduziert.
Fig. 8 zeigt im Schnitt eine Breitseitenwand einer Kokille, umfassend eine Stützplatte 20 mit einer daran befestigen Kontaktplatte 18, einer Schicht Giesshilfsmittel und angedeutetem Kühlmittelkanal 7, einer in Giessrichtung sich aufbauender Strangschale 19 sowie einen zuordenbaren Wärmestrom.
Fig. 9 stellt eine Ergänzung zu den Fig. 6 und 7 dar, mit in Diagrammen angegebenem Verlauf der lokalen Wärmestromdichte/Temperatur im Vergleich zur wärmeübertragenden Kühlkanalfläche in Abhängigkeit von der Position des Maniskus.
Die Fig. 10 bzw. 11 zeigen unterschiedliche Gestaltungsmöglichkeiten in der Ausführung von Kühlschützen, und insbesondere von deren Bodenregion.
Zugeordnet zu diesen Ausgestaltungen der Kühlkanäle zeigt die Fig. 12 in Form einer tabellarischen Auflistung:

- die Kanalquerschittsflächen
- die wirksamen Kühlkanalwandflächen
- deren Abstand zur Kontaktfläche
- die sich daraus ergebende effektive Kühlwirkung,

Bezugszeichenliste

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15-17

18

19

20

Claims

1. Kokille zum Stranggießen von schmelzflüssigen Metallen, insbesondere von Stahl, mit Kühlkanälen (1) wie Kühlnuten, Kühlschlitzen oder Kühlbohrungen in der von der Kontaktfläche mit der Schmelze abgewandten Kokillenseite (2), dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Ausgestaltungen der wärmeübertragenden Flächenbereiche eines Kühlkanals (1) 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 (18) im Giessbetrieb, und insbesondere im Giessspiegelbereich (11), angepasst ist.

2. Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der lokalen Kühlwirkung eines Kühlkanals (1) dessen Form, Querschnittsfläche, Umfang, Grenzflächenbeschaffenheit, Orientierung und Anordnung sowie Anordnungsdichte relativ zur Kontaktfläche lokal variiert ist.

3. Kokille nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Ausgestaltungen in wenigstens einem Kühlkanal (1) oder einer Gruppe von Kühlkanälen einzeln oder in Kombination zur Anwendung gelangen.

4. Kokille nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Ausgestaltungen eines Kühlkanals (1) oder einer Gruppe von Kanälen fliessend oder sprungartig ineinander übergehend ausgeführt sind.

5. Kokille nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend der Ausgestaltung der Kühlkanäle (1) im Bereich der maximalen Wärmestromdichte bzw. der maximalen Temperatur der Kontaktfläche (18) die Kühlwirkung der Kühlkanäle (1) maximiert wird.

6. Kokille nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der lokalen Kühlintensität eines Kühlkanals (1) dessen wirksame Wärmeaustauschflächen am Kanalgrund bzw. an den Seitenflächen angepasst vergrössert oder verkleinert sind.

7. Kokille nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrösserungen der Wärmeaustauschflächen in den Kühlkanälen zusätzlich eingebrachte Nuten oder Riefen in ihrer Querschnittsgestaltung als Rechteck, Dreieck, Trapez, Teilkreis bzw. -ellipse oder beliebige Freiform ausgeführt sind und in Anzahl, Tiefe und Breite und in ihrer Lage parallel oder in sonstiger beliebiger Position dem Verlauf der Kühlkanäle angepasst sind.

8. Kokille nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsflächen der Kühlkanäle (1) zur Beeinflussung der lokalen Kühlintensität hinsichtlich ihrer Grenzflächenbeschaffenheit verändert sind, z. B. durch Aufbringen definierter Wandrauheiten für erhöhten Wärmeübergang bzw. durch Aufbringen zusätzlicher Schichten für verringerten Wärmeübergang.

9. Kokille nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der lokalen Kühlintensität eines Kühlkanals (1) dessen isoperimetrische Querschnittsfläche durch Einbringen von zusätzlichen Nuten in die Grund- oder Seitenflächen vergrössert, bzw. durch Einsetzen von Verdrängungskörpern verringert ist.

10. Kokille nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der lokalen Kühlintensität eines Kühlkanals (1) und zur Veränderung der zunächst bezüglich der Kontaktfläche gerade ausgerichteten Kühlmittelströmung zusätzliche Nuten in die Kühlkanal-Grund- und/oder -Seitenflächen bzw. zusätzliche Verdrängungskörper eingebracht sind und/oder eine veränderte Wandgestaltung der Kühlkanäle (1) vorgesehen ist.

11. Kokille nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der lokalen Kühlintensität die Kühlkanäle (1) lokal oder global bezüglich ihres Abstandes zur Kontaktfläche und/oder Anordnungsdichte, d. h. Anzahl der Kühlkanäle pro Längeneinheit der Kokillenbreite angeordnet sind.