DE19642554A1 - Beheizen einer Metallschmelze - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beheizen einer Metallschmelze. Sie findet eine besondere, jedoch nicht ausschließliche, Anwendung bei einer Vorrichtung zum Beheizen einer Metallschmelze bevor sie einer Stranggußvorrichtung wie z. B. eine Doppelwalzen-Gießvorrichtung zugeführt wird.

Stranggußverfahren, insbesondere das Doppelwalzen- Stranggießen von Metallschmelzen erfordern die Zufuhr der Me­ tallschmelze zu einer Gießvorrichtung bei sehr hohen Tempera­ turen, wobei das Metall dazu neigen kann, sich sehr schnell abzukühlen, nachdem es aus einer Gießpfanne einem Metallzu­ führungssystem zugeführt wurde, welches es der Gießvorrich­ tung zuführt. Es wurde daher vorgeschlagen, eine Zusatzhei­ zung mittels eines Plasmabrenners bereitzustellen, während es aus dem Zuführungssystem zu der Gießvorrichtung fließt.

Der­ artige Vorschläge sind beispielsweise in US Patent 4,646,534 und in den Japanischen Patentveröffentlichungen Nr. J58- 100951 und J59-9202142 beschrieben.

Bei der Zufuhr von Wärme zu einem Vorrat einer Metall­ schmelze mittels eines Plasmabrenners ist es erforderlich, eine Elektrode bereitzustellen, die einen guten elektrischen Kontakt mit der Metallschmelze herstellt, um einen elektri­ schen Stromkreis zusammen mit der Brennerelektrode zu ver­ vollständigen, welche in der Nähe der Metallschmelzenoberflä­ che gehalten und mit einem Gasstrom versorgt wird, um das elektrisch leitende Plasma zu erzeugen. Die Brennerelektrode kann eine negative Elektrode sein und die mit der Metall­ schmelze in Kontakt stehende Elektrode kann positiv sein, wie es in der Japanischen Veröffentlichung J58-100951 offenbart ist, aber im allgemeinen wird bevorzugt, daß die Bren­ nerelektrode positiv ist, und daß die Metallkontaktelektrode eine negative Elektrode oder Masseelektrode ist. Die Bereit­ stellung einer zufriedenstellenden Metallkontaktelektrode ist in der beim Gießen von Metallschmelzen, insbesondere bei Stahlschmelzen, anzutreffenden rauhen Umgebung, schwierig. In einer Stranggußvorrichtung weist die Metallzuführungsanord­ nung normalerweise eine Zwischenwanne auf, um einen von einer Gießpfanne gelieferten Metallschmelzevorrat aufzunehmen. In diesem Falle wird die Elektrode im allgemeinen durch ein feu­ erfestes Material bereitgestellt, welches in der Zwischenwan­ ne befestigt ist, wo es insbesondere während des Gießens zu Beginn, oder bei einer Reinigung nach einem Gußvorgang wegen einer Verfestigung von Metall an der Innenoberfläche der Zwi­ schenwanne und der Oberfläche von Komponenten in dieser be­ sonders gegenüber Beschädigung empfindlich ist. Der Verlust eines geeigneten elektrischen Kontaktes während der Plasma­ brennerbeheizung kann zu der Ausbildung eines alternativen elektrischen Rücklaufpfades führen, welcher einen "Ausbruch" von Metallschmelze durch die Wände der Zwischenwanne in die Umgebung beschleunigen kann, was gefährlich ist und eine so­ fortige Unterbrechung des Gießprozesses erfordert. Die vor­ liegende Erfindung vermeidet diese Probleme durch die Bereit­ stellung einer Vorrichtung, welche es ermöglicht eine Metall­ kontaktelektrode leicht in und aus dem Kontakt mit der zu be­ heizenden Metallschmelze zu bringen.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Zuführung von Wärme zu einem Vorrat einer Metallschmelze bereitgestellt, welche einen Plasmabrenner, der auf einem Gestell für eine Auf- und Abwärtsbewegung montiert ist, so daß er in die Nähe der Oberfläche eines Vorrats an zu beheizender Metallschmelze nach unten bewegbar ist, und eine Elektrode aufweist, um ei­ nen solchen Kontakt mit der Metallschmelze herzustellen, daß ein elektrischer Stromkreis mit dem Plasmabrenner geschlossen wird, wobei die Elektrode ebenfalls auf dem Gestell für die Auf- und Abwärtsbewegung montiert ist, um in die Metall­ schmelze einführbar und daraus zurückziehbar zu sein.

Bevorzugt sind der Plasmabrenner und die Elektrode an dem Gestell für die Aufwärts- und Abwärtsbewegung zusammen als eine Einheit befestigt.

Ferner ist die Elektrode oder kann die Elektrode bevor­ zugt in Bezug auf den Plasmabrenner so eingestellt werden, daß sie über den Boden des Plasmabrenners hinaus hervorsteht, wodurch sie in den Vorrat der zu beheizenden Metallschmelze eintaucht, wenn sich der Boden des Plasmabrenners der Ober­ fläche der Metallschmelze annähert.

Der Plasmabrenner kann eine hohle Brennerelektrode und eine Einrichtung zum Zuführen von Gas durch die Brennerelek­ trode aufweisen, um ein Plasma auf der Oberfläche der zu be­ heizenden Metallschmelze zu erzeugen. Das Gas kann beispiels­ weise Stickstoff- oder Argongas sein.

Die Brennerelektrode kann im Betrieb eine positive Gleichstromelektrode und die Metallkontaktelektrode eine ne­ gative Elektrode oder Rücklaufelektrode sein.

Die Rücklaufelektrode kann aus einem feuerfesten Mate­ rial wie z. B. aus Aluminiumoxidgraphit bestehen. Sie kann mit einem Innenkanal für einen Gasstrom durch diesen hindurch in die Metallschmelze ausgebildet sein, und sie kann mit einem Gasdruckdetektor versehen sein, um eine Gasdruckveränderung als Folge des Bruches der Metallkontaktelektrode zu detektie­ ren.

Für eine vollständigere Erläuterung der Erfindung wird eine spezielle Ausführungsform unter Bezugnahme auf die bei­ gefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:

Fig. 1 ein Seitenaufriß einer Bandstranggußvorrichtung ist, welche eine erfindungsgemäß aufgebaute Vorrichtung enthält; und

Fig. 2 ein Querschnitt an der Linie 2-2 von Fig. 1 ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Gießvorrichtung weist einen Hauptmaschinenrahmen, allgemein mit dem Bezugszeichen 11 be­ zeichnet, auf, welcher auf dem Werkboden 12 auf steht. Der Rahmen 11 unterstützt einen Gießwalzenwagen 13, welcher hori­ zontal zwischen einer Rüststation und einer Gießstation ver­ fahrbar ist. Der Wagen 13 trägt ein Paar paralleler Gießwal­ zen 16, welche einen Spalt bilden, in welchem ein Gießpool der Metallschmelze ausgebildet und zwischen zwei (nicht dar­ gestellten) Seitenplatten oder Dämmen gehalten wird, die in gleitenden Kontakt mit den Enden der Walzen gehalten werden.

Die Metallschmelze wird während eines Gießvorgangs von einer Gießpfanne 17 über eine Zwischenwanne 18, einen Zufüh­ rungsverteiler 19a und eine Düse 19b in den Gießpool gelie­ fert. Vor dem Aufbau auf dem Wagen 13 werden die Zwischenwan­ ne 18, der Verteiler 19a, die Düse 19b und die Seitenplatten alle auf Temperaturen über 1000°C vorbeheizt. Die Düsen 19b und die Seitenplatten können beispielsweise in (nicht darge­ stellten) speziellen Vorheizöfen vorbeheizt werden, während die Zwischenwanne 18 und der Verteiler 19a durch (ebenfalls nicht dargestellte) geeignete Gasbrenner vorbeheizt werden können. Die Art und Weise, in welcher diese Komponenten vor­ beheizt und zum Zusammenbau auf den Wagen 13 gebracht werden können, ist vollständiger in dem US-Patent 5,184,668 be­ schrieben.

Die Gießwalzen 16 sind wassergekühlt, so daß die Metall­ schmelze aus dem Gießpool als Schalen auf den sich bewegenden Walzenoberflächen fest werden, und die Schalen an dem Spalt zwischen diesen zusammengebracht werden, um ein verfestigtes Bandprodukt 20 an dem Walzenauslaß zu erzeugen. Dieses Pro­ dukt wird einem Auslaßtisch 21 und anschließend einem Stan­ dardwickler zugeführt. Ein Aufnahmebehälter 23 ist auf dem Maschinenrahmen neben der Gießstation angeordnet, und Metall­ schmelze kann über eine Überlaufrinne 25 an dem Verteiler 19a in diesen Aufnahmebehälter geleitet werden.

Aus Gründen, welche vollständig in unserer Australischen Patentanmeldung Nr. 59352/94 erläutert sind, kann die Zwi­ schenwanne 18 eine Anfangsmenge einer Metallschmelze aufneh­ men, welche auf eine Temperatur gut über der Liquidus-Tem­ peratur vorbeheizt werden kann, um durch die Zuführungsdüse nach dem Start ausgegossen zu werden, worauf dann eine Me­ tallschmelze aus der Gießpfanne bei einer wesentlich niedri­ geren Temperatur über dieselbe Zwischenwanne und Zuführungs­ düse in den Gießpool gegossen werden kann.

Die Zwischenwanne 18 ist mit einem Deckel 32 versehen, und ihr Boden ist bei 24 gestuft, so daß eine Vertiefung oder Senke 26 in dem Boden der Zwischenwanne an deren linken Ende gemäß Darstellung in Fig. 1 erzeugt wird. Die Metallschmelze wird in das rechte Ende der Zwischenwanne von der Gießpfanne 17 über eine Auslaßdüse 37 und ein Sperrschieberventil 38 ge­ liefert. An dem Boden der Senke 26 befindet sich ein Auslaß 40 in dem Boden der Zwischenwanne, um ein Ausfließen der Me­ tallschmelze aus der Zwischenwanne über eine Auslaßdüse 42 zu dem Zuführungsverteiler 19a und der Düse 19b zu ermöglichen. Die Zwischenwanne 18 ist mit einer Spundstange 46 und einem Sperrschieberventil 47 ausgestattet, um den Auslaß 40 selek­ tiv zu öffnen und zu schließen, und den Metallfluß durch den Auslaß wirksam zu steuern.

Die Senke 26 in dem Boden der Zwischenwanne ist dafür vorgesehen, die Anfangsmenge der Metallschmelze aufzunehmen, um einen Vorrat (27) mit einer Metallschmelze zu bilden, wel­ cher auf eine Temperatur über der Gießpfannentemperatur vor­ zuheizen ist. Aus diesem Grund ist ein Plasmabogenbrenner 48 über der Senke 26 angeordnet und kann nach unten abgesenkt werden, um so betrieben zu werden, daß die Metallschmelze in der Senke beheizt wird.

Eine Einheit 28 zum Erzeugen von Argongasblasen ist in dem Boden der Senke eingebaut und wird mit unter Druck ge­ setzten Argongas über ein Rohr 30 versorgt, um Gasblasen zu erzeugen, welche durch den Metallschmelzevorrat in der Senke aufsteigen, um eine Zirkulation in dem Bereich des Plasmabo­ genbrenners zu fördern und Schlacke von der Metalloberfläche um den Brenner herum zu entfernen. Man fand, daß die besten Resultate dann erzielt werden, wenn die Blasenerzeugungsein­ heit ein Paar eng benachbarter poröser Auslässe aufweist, um so zwei eng beabstandete Blasenströme freizusetzen, welche zusammenwirken, um eine stabil vertikal aufsteigende Schicht von Blasen in der Nähe des Plasmabogenbrenners zu erzeugen. Wenn nur ein Auslaß verwendet wird, tendiert der sich erge­ bende einzelne Blasenstrahl dazu, sich gegenüber der vertika­ len Richtung etwas zu bewegen und abzubrechen. Gute Ergebnis­ se werden mit einem Gasstrom in einer Größenordnung von 44 Liter/Minute und mit Blasen erreicht, die etwa 200 mm von dem Plasmabogenbrenner in einer Richtung von dem Ende der Zwi­ schenwannenauslasses 40 entfernt und zu dem Ende der Zwi­ schenwanne hin liegen, welches die Metallschmelze aus der Gießpfannenauslaßdüse 37 aufnimmt. Dieses stellt sicher, daß die Blasen durch das Metall aufsteigen, bevor dieses die Plasmabogenbrennerzone in seinem Strom von der Gießpfannen­ auslaßdüse 37 zu dem Zwischenwannenauslaß 40 erreicht, um so eine gute Zirkulation um die Plasmabogenbrennerzone und in­ nerhalb der Senke 26 zu erreichen.

Erfindungsgemäß ist der Plasmabrenner 48 auf einem Ge­ stell 51 für eine Aufwärts- und eine Abwärtsbewegung relativ zu dem Gestell montiert, und eine Metallkontaktelektrode 52 ist ebenfalls auf demselben Gestell für die Aufwärts- und Ab­ wärtsbewegung relativ zu dem Gestell montiert. Das Gestell 51 ist auf der einen Seite der Zwischenwanne 18 angeordnet. Es weist eine Basis 53 und einen Mast 54 auf, auf welcher ein Schlitten 55 für die vertikale Aufwärts- und Abwärtsbewegung montiert ist. Der Schlitten 55 trägt einen Auslegerarm 56, der sich nach außen über die Zwischenwanne 18 erstreckt, und den Plasmabogenbrenner 48 und die Rücklaufelektrode 52 so un­ terstützt, daß sie sich nach unten durch Öffnungen in dem Zwischenwannendeckel 32 hindurch erstrecken. Der Schlitten 55 kann durch den Betrieb einer pneumatischen Zylindereinheit 57, welche zwischen der Gestellbasis 53 und einem aus dem Schlitten hervorstehenden Arm 58 arbeitet, angehoben und ab­ gesenkt werden.

Der Brenner 48 weist einen herkömmlichen Aufbau auf. Er weist die übliche Brennerelektrode 60 und Gasdurchtrittsöff­ nungen 61 für den Fluß von Stickstoff- oder Argongas durch den Boden des Brenner auf, um ein leitendes Plasma zu erzeu­ gen. Die Metallkontaktelektrode 52 besteht aus einem feuerfe­ sten Material, wie z. B. Aluminiumoxidgraphit, welches um ei­ nen zentralen Metallstab oder Kern 62 herum ausgebildet sein kann, um dessen strukturelle Festigkeit zu verbessern. Das feuerfeste Material ist mit einem oder mehreren Kanälen 63 ausgebildet, um einen Gasfluß von einem Versorgungsrohr 64 nach unten durch die Elektrode hindurch in die Metallschmelze zu ermöglichen, und ein Gasdruckdetektor 65 ist in dem Ver­ sorgungsrohr vorgesehen, um einen plötzlichen Gasdruckabfall als Folge eines Bruchs der feuerfesten Elektrode zu detektie­ ren.

Die Rücklaufelektrode 52 weist eine solche Länge auf, und ist an dem Auslegerarm 56 in Bezug auf den Brenner 48 so befestigt, daß sie über das Bodenende des Brenners 48 hinaus­ ragt. Demzufolge taucht dann, wenn der Brenner 48 und die Elektrode 52 mit dem Arm 56 abgesenkt werden, die Elektrode 52 in den Vorrat 27 der Metallschmelze ein, wenn sich das Bo­ denende des Plasmabrenners der Metallschmelzeoberfläche annä­ hert und in seine Betriebsposition kommt. Demzufolge können der Brenner und die Elektrode unabhängig von dem Pegel des zu beheizenden Metallvorrates sehr schnell in die geeignete Be­ triebsposition gebracht werden. Ferner können in dem Falle eines Elektrodenbruches oder einer Fehlfunktion die Elektrode und der Brenner schnell angehoben werden, um die Elektrode aus der Metallschmelze zurückzuziehen. Sie kann dann schnell ersetzt und der Brenner mit der Ersatzmetallkontaktelektrode in die Betriebsposition zurückgebracht werden, um die Fort­ setzung des Prozesses ohne Verlust der Metallschmelzecharge in der Zwischenwanne zu ermöglichen.

Der Metallschmelzevorrat 27 in der Zwischenwannensenke 26 kann auf eine Temperatur in der Größenordnung von 1635°C vorgeheizt werden, worauf dann der Zwischenwannenauslaß 40 geöffnet wird, so daß die Metallschmelze aus der Zwischenwan­ ne 18 über die Auslaßdüse 42 zu der Zuführungsdüse 19a und in den Spalt zwischen den Gießwalzen fließen kann, um einen Gießpool zu bilden. Da die Metallschmelze durch die engen Flußkanäle in der Zuführungsdüse strömt, bringt sie die Fluß­ kanäle auf eine gleichmäßige Temperatur, wobei gleichzeitig die Abkühlung irgend eines Metallbereichs auf Temperaturen verhindert wird, welche eine vorzeitige Verfestigung erzeugen könnten.

Wenn sich ein stabiler Gießvorgang eingestellt hat, wird der Sperrschieber an der Gießpfanne betätigt, um Metall aus der Gießpfanne in die Zwischenwanne zu gießen, um so die Zwischenwanne zu füllen, und eine volle Zwischenwanne im Ver­ lauf des Gießvorgangs sicherzustellen. Der Plasmabrenner 48 und die Elektrode 52 werden vor dem Gießvorgang der Gießpfan­ ne angehoben, um eine Beschädigung durch das eintretende Me­ tall zu vermeiden. Die Metallschmelze auf Gießpfannentempera­ tur vermischt sich dann mit dem Rest der Anfangsmenge mit der höheren Metalltemperatur in der Zwischenwanne, so daß die Temperatur des aus der Zwischenwanne fließenden Metalls fällt. An diesem Punkt kann der Plasmabogenbrenner über dem neuen Pegel des Metallschmelzevorrates in der Zwischenwanne positioniert und betrieben werden, um der von der Gießpfanne aus durch die Zwischenwanne hindurchfließenden Metallschmelze Wärmeenergie zuzuführen, um auf diese Weise die Temperatur des in die Zuführungsdüse fließenden Metalls im wesentlichen auf einer Temperatur unterhalb der der Anfangsmenge konstant zu halten, welcher in der Senke 26 vorbeheizt wurde. Da sich die Rücklaufelektrode 52 mit dem Plasmabrenner bewegt, ist sie automatisch so eingestellt, daß sie an der geeigneten Stelle und bis zur geeigneten Tiefe in den neuen Metallober­ flächenpegel eintaucht.

In einer typischen Anlage kann die Zwischenwanne 18 eine Gesamtkapazität von etwa 8-11 t, die Senke 26 eine Kapazität von etwa 2-4 t und der Plasmabogenbrenner 48 eine Leistung in der Größenordnung von 1 Megawatt aufweisen.

Die dargestellte Vorrichtung wurde im Rahmen eines Bei­ spiels aufgebaut und könnte erheblich modifiziert werden. Beispielsweise könnte der Plasmabrenner und/oder die Metall­ kontaktelektrode unabhängig auf dem Auslegerarm 56 vertikal beweglich sein, um die Eindringtiefe der Metallkontaktelek­ trode einstellen zu können. Eine oder beide dieser Komponen­ ten könnten ebenfalls in Längsrichtung des Armes einstellbar sein, um die seitliche Trennung zwischen dem Brenner und der Rücklaufelektrode einstellen zu können. Die physikalische Konstruktion des Unterstützungsgestells und des beweglichen Schlittens und der Brenner/Elektroden-Halterungsaufbaus kön­ nen für spezielle Anwendungen angepaßt werden.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Einbringen von Wärme in einen Vorrat (27) einer Metallschmelze, welche einen Plasmabrenner (48) und eine Metallkontaktelektrode (52) zum Vervollständigen ei­ nes elektrischen Stromkreises mit dem Brenner (48) über das geschmolzenen Metall in dem Vorrat (27) aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß sowohl der Plasmabrenner (48) als auch die Metallkontaktelektrode (52) auf einem Ge­ stell (51) für Aufwärts- und Abwärtsbewegungen montiert sind, 50 daß der Plasmabrenner (48) nach unten in die Nä­ he der Oberfläche des Vorrats der Metallschmelze bewegt und die Metallkontaktelektrode in die Metallschmelze ein­ führbar und daraus zurückziehbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeich­ net, daß der Plasmabrenner (48) und die Metallkontakt­ elektrode (52) an dem Gestell (51) für die Aufwärts- und Abwärtsbewegung zusammen als eine Einheit befestigt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeich­ net, daß die Metallkontaktelektrode (52) relativ zu dem Plasmabrenner (48) so eingestellt ist oder werden kann, daß sie nach unten über den Boden des Plasmabrenner (48) hinausragt, wodurch sie in den Vorrat (27) der zu behei­ zenden Metallschmelze eintaucht, wenn sich der Boden des Plasmabrenners der Oberfläche der Metallschmelze annä­ hert.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Plasmabrenner (48) eine Brenner­ elektrode (60) mit Gasflußkanälen (61) für den Fluß eines Gases durch diese hindurch aufweist, um ein Plasma an der Oberfläche der Metallschmelze zu erzeugen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner dadurch gekennzeich­ net, daß die Brennerelektrode (60) eine positive Gleich­ stromelektrode ist, und die Metallkontaktelektrode (52) eine negative Elektrode oder Rücklaufelektrode ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner da­ durch gekennzeichnet, daß die Metallkontaktelektrode (52) mit einem Innenkanal (63) für den Fluß von Gas durch die­ sen in die Metallschmelze ausgebildet ist, und daß ein Gasdruckdetektor (65) vorgesehen ist, um eine Gasdruck­ veränderung als Folge eines Bruches der Metallkontakt­ elektrode (52) zu detektieren.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner ge­ kennzeichnet durch eine Gasblasen-Erzeugungseinheit (28) auf dem Boden des Behälters (27) um Gasblasen zu erzeu­ gen, die durch die Metallschmelze in dem Vorrat aufstei­ gen, um dadurch eine Zirkulation in dem Bereich des Plas­ mabrenners (48) zu fördern und um Schlacke von der Me­ talloberfläche um den Brenner herum zu entfernen.