DE19742794A1 - Verfahren und Erzeugung der Oszillation einer Stranggießkokille - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung der Oszillation einer Kokille in einer Stranggießanlage, insbesondere unter Ver­ wendung einer hydraulisch angetriebenen Hubvorrichtung.

Die Kokillenoszillation ist ein wesentlicher Bestandteil des Strang­ gießverfahrens von Metallen. Sie gewährleistet die erforderliche Schmierwirkung des Schmiermittels, bspw. Gießpulver oder Öl, und verhindert damit das Ankleben des Stranges an den Kokillenwänden. Beim Stranggießen von Stahl hat sich Schlacke als Schmiermittel in der Kokille durchgesetzt. Sie entsteht durch Aufschmelzen von Gießpulver, welches in einer solchen Weise auf den Badspiegel aufgegeben wird, daß es diesen permanent bedeckt.

Die einfachste technische Lösung, die zugleich den überwiegenden Stand der Technik kennzeichnet, besteht darin, eine Stranggießkokil­ le mit Hilfe von einem motorangetriebenen Exzenter in eine oszillie­ rende Bewegung zu versetzen. Damit ergibt sich eine sinusförmige Schwingungsform der Kokille, deren Frequenz und Amplitude jeweils durch die Drehzahl des Motors sowie durch die Exzentrizität des Exzenters veränderbar vorgegeben wird.

Damit die Schlacke als Schmiermittel kontinuierlich in den Spalt zwischen Gußstrang und Kokillenwand eindringen kann, und um zu verhindern, daß der Schmierfilm abreißt, ist es erforderlich, die Amplitude und Frequenz der Kokille so einzustellen, daß sie bei ihrer Abwärtsbewegung den Strang periodisch überholt.

Der Zeitanteil einer Schwingungsperiode T, in der sich der Überhol­ vorgang V_Kokille < V_C bei der Abwärtsbewegung der Kokille abspielt, wird allgemein als Negativer Strip bezeichnet und beträgt:

Es bedeuten:
V_Kokille - Kokillengeschwindigkeit (m/sec),
V_C - Gießgeschwindigkeit (m/sec),
A - Amplitude der Kokillenoszillation (m),
n - Schwingungsfrequenz der Kokillenoszil­ lation (1/sec).

Diesem Negativen Strip entspricht während jeder Schwingungsperiode die sogenannte Heilzeit, T_heal genannt

während der das Schmiermittel in den Spalt zwischen Strangschale und Kokillenwand eindringen kann.

Es ist bekannt, daß Negativer Strip, Heilzeit, Amplitude und Fre­ quenz der Kokillenoszillation sowie deren auf den vorliegenden Betriebsfall abgestimmte Kombination für die Qualität des Gußproduk­ tes maßgeblich sind und auf die Eigenschaften der zu vergießenden Schmelze und des verwendeten Gießpulvers eingestellt sein müssen. Die Auswahl der Oszillationsparameter ist wesentlicher Bestandteil bei der Optimierung des Stranggießprozesses und besteht im wesentli­ chen in der Wahl einer optimalen Kombination von Amplitude und Frequenz, wobei der Negative-Strip innerhalb bestimmter Grenzen liegen soll, üblicherweise zwischen 15 und 40%.

Die mit den Formeln (1) und (2) dargestellten Zusammenhänge weisen darauf hin, daß bei sinusförmiger Schwingung der Kokille keine beliebige Kombination der Oszillationsparameter möglich ist. Die Idee einer nichtsinusförmigen Kokillenbewegung ist auf die Bestre­ bung zurückzuführen, die Oszillationsparameter zu entkoppeln, um die Vorgänge in der Stranggießkokille gezielter zu beeinflussen.

Die DE 37 04 793 C2 beschreibt eine Hubvorrichtung mit zwei an einem Hubtisch für die Stranggießkokille oder direkt an dieser angelenk­ ten, drehbar angetriebenen Exzenterwellen. In die Verbindung zwi­ schen dem Drehantrieb und den Exzenterwellen ist mindestens eine Gelenkwelle eingesetzt, die mindestens eine der beiden folgenden Bedingungen erfüllt:

• a) der von der Exzenterwelle abgewandte Gelenkkopf ist lagerver­ änderbar angeordnet,
• b) die Gelenkköpfe sind gegeneinander verdrehbar angeordnet.

Ein nichtsinusförmiger Bewegungsablauf der Kokille entsteht durch den bewußten Gebrauch des Kardanfehlers, der auftritt, wenn eine Gelenkwelle nicht fluchtend zwischen den Wellen eingesetzt wird. Durch Veränderung von Höhe und seitlicher Verschiebung des Dreh­ antriebes sind unterschiedliche nichtsinusförmige Bewegungsabläufe der Kokille realisierbar.

Aus der Beschreibung der DE 37 04 793 C2 geht weiterhin hervor, daß es einerseits erforderlich ist, den Negativen Strip so klein wie möglich zu halten, um eine von Rattermarken freie Strangoberfläche zu erhalten. Andererseits sei es günstig, wenn die Strangabzugskurve die Geschwindigkeitskurve der Kokille im Bereich von deren Steil­ abfall schneidet. Das bedeutet, daß die Zeit, während der die Bewegung der Stranggießkokille und des Stranges gleichgerichtet sind, kurz ist. Hierdurch entsteht jedoch ein langer Negativer Strip, der wiederum wegen der Bildung von Rattermarken ungünstig ist.

Die EP 0 121 622 B1 beschreibt ein Verfahren für das Stranggießen unter Verwendung einer in einem Rahmen gelagerten Kokille, welcher durch eine elektrohydraulische Servoeinrichtung in Schwingungen versetzt wird. Die Schwingungserzeugungsvorrichtung wird gemäß einem von einem Funktionsgenerator erzeugten vorgewählten Schwingungs­ amplitudensignal bei einer Frequenz betrieben, welche höher als die Eigenfrequenz der Schwingungsvorrichtung ist.

Die EP 0 618 023 A1 offenbart ein Verfahren für das Stranggießen, bei dem eine Kokille mit einer vergleichsweise langen Seitenwand und einer vergleichsweise schmalen Querwand verwendet wird. Zugleich mit der Oszillation der Kokille werden bei jeder Schwingung in einer Zeitphase, bei der die Differenz der Kokillengeschwindigkeit und der Strangabzugsgeschwindigkeit einen vorgegebenen Wert überschrei­ tet, die Seitenwände der Kokille um einen geringen Querbetrag vom Gußstrang wegbewegt, während in der verbleibenden Zeit mit annähernd gleicher Geschwindigkeit von Strang und Kokille die Seitenwände wieder näher an den Gußstrang angelegt werden. Durch dieses ab­ wechselnde Erweitern und Verschmälern der Kokille sollen die auf die Strangschale einwirkenden Zug- und Stauchkräfte reduziert werden, so daß die Tiefe der Oszillationsmarken verringert wird und deren Kehle eine geringere Steigerung aufweist.

Mit der EP 0 618 023 A1 wird auch eine Kokillenschwingung ohne Überholvorgang vorgeschlagen. In diesem Fall wird das Eindringen der Schlacke in den Spalt zwischen Strang und Kokillenwand durch das abwechselnde Erweitern und Verschmälern der Kokille ermöglicht.

Ein wesentliches Merkmal der bekannten sinusförmigen und nicht­ sinusförmigen Geschwindigkeitsverläufe besteht darin, daß die Kokille bei vorgegebener Schwingungsfrequenz und Amplitude in jeder Periode, die der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Überholvor­ gängen des Stranges durch die Kokille bei deren Abwärtsbewegung entspricht, einen identischen Geschwindigkeits- und Wegverlauf aufweist.

Für das Dünnbrammenverfahren mit Brammendicken von weniger als 100 mm sind Gießgeschwindigkeiten von mehr als 4 m/min üblich. Ent­ sprechend hoch sind nach Formel (1) die Hubfrequenzen der Kokille, mit denen die üblichen Werte des Negativ-Strips erreicht werden: 400-450 Hübe/min. Bei diesen hohen Frequenzen haben Abweichungen der Schwingungskurve von der Sinusform aufgrund der geringen Zeit­ abschnitte von 0,13-0,15 sec pro Schwingung kaum noch Einfluß auf das Schmierverhalten und die Schalenbildung in der Kokille. Eine Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit des Gußproduktes ist somit nicht möglich. Testgüsse haben dies bestätigt.

Der Nachteil der bekannten nichtsinusförmigen Kurven ist deshalb darin zu sehen, daß es mit ihnen nur im Bereich niedriger Gießge­ schwindigkeiten und Schwingungsfrequenzen der Kokille möglich ist, auf das Verhalten des Schmiermittels und die Schalenausbildung einzuwirken, um eine Verbesserung der Qualität des Gußproduktes herbeizuführen. Bei Stranggießverfahren mit hohen Strangabzugs­ geschwindigkeiten und Schwingungsfrequenzen der Kokille, wie z. B. beim Dünnbrammenverfahren muß deshalb ein neuer Weg eingeschlagen werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schwingungsbewegung der Stranggießkokille, die sich von allen bisher angewandten unterscheidet, herbeizuführen, mit der es möglich ist, im Vergleich zu einer einfachen sinusförmi­ gen oder nicht-sinusförmigen Schwingung mit vergleichbarer Frequenz und Amplitude den Wärmeübergang in der Kokille und die Schalenbil­ dung zu steuern und damit die Qualität des Gußproduktes gezielt zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art mit der Erfindung dadurch gelöst, daß bei beliebig vorgegebener Strangabzugsgeschwindigkeit die Null-Linie der Kokillenschwingungen relativ zur Lage des Badspiegels während des Gießvorganges nach oben und/oder nach unten bewegt wird.

Mit der Erfindung wird in vorteilhafter Weise eine Möglichkeit erschlossen, den Schwingungsverlauf einer Stranggießkokille in weiten Grenzen hinsichtlich Schwingungsform, Frequenz und Amplitude zu variieren und bspw. das Verhältnis zwischen Negativem Strip, Heilzeit und Frequenz optimal einzustellen.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß bei einer Reihe von aufeinanderfolgenden Kokillen-Schwingungen diese ihre Null-Linie relativ zu der Lage des Badspiegels in der Kokille periodisch nach oben und nach unten verlagern. Auf diese Weise ist es einerseits möglich, durch eine ausreichend hohe Überholfrequenz eine sichere Schmierung zu gewährleisten, andererseits kann in das System "Kokil­ le-Strang" eine Schwingungskomponente mit wesentlich niedrigerer Frequenz eingeführt werden. Mit der Frequenz, Amplitude und Form dieser Schwingungskomponente ist es aufgrund der ausreichenden Zeit möglich, das Aufschmelzverhalten des Gießpulvers, den Wärmeübergang im Bereich des Badspiegels und die Ausbildung der Strangschale weitgehend zu beeinflussen und zu steuern und somit die Qualität des Gußproduktes signifikant zu verbessern und die Betriebssicher­ heit zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, bei vorgegebener Strangabzugs­ geschwindigkeit die Verlagerung der Nullinie der Kokillenschwingun­ gen durch sukzessive Veränderung des Geschwindigkeitsverlaufes der Kokille in mehreren aufeinanderfolgenden Einzelschwingungen, von denen jede der Bewegung der Kokille von einem Totpunkt zum anderen und zurück entspricht, herbeizuführen.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Kokillenoszillation durch Überlagerung mindestens zweier vonein­ ander unabhängiger Schwingungen bewirkt wird, die sich durch Ge­ schwindigkeitsverlauf oder Frequenz allein oder in Kombination oder zusätzlich in Kombination mit der Amplitude unterscheiden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Frequenz von wenigstens zwei aufeinaiiderfolgenden identischen Kokillenschwingungen geringer ist als die Frequenz, mit der die Kokille bei ihrer Abwärtsbewegung den Strang überholt.

Die Ausführung des Verfahrens wird dadurch vorteilhaft erleichtert, daß zur Erzeugung überlagerbarer Schwingungen mit jeweils unter­ schiedlichen Geschwindigkeitsverläufen und/oder Frequenzen und/oder Amplituden die Kokille in einem Rahmen gelagert und dieser auf dem Hubtisch angeordnet wird, und daß sowohl der Rahmen als auch der Hubtisch in voneinander unabhängige Schwingungen erregbar sind.

Das Verfahren kann zumindest während eines und/mehrerer Gießab­ schnitte des Gießvorganges angewandt werden, wodurch der Wärmeüber­ gang in der Kokille und die Strangbildung äußerst variabel gesteuert werden kann und damit die Qualität des Gußproduktes gezielt verbes­ sert wird.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung und insbesondere Schwingungskurven dargestellt.

Fig. 1 zeigt für eine Kokillenschwingung, welche aus der Abfolge von acht aufeinanderfolgenden unterschiedlichen Schwingungen be­ steht, den Verlauf der Geschwindigkeit und des Weges der Kokille, sowie die konstante Strangabzugsgeschwindigkeit. Bei einer Schwin­ gungsfrequenz von 360 Hüben/min und einer Amplitude von + 3,2 mm wird eine zusätzliche periodische Verlagerung der Nullinie der Kokillenschwingungen von + 0,8 mm dadurch erreicht, daß der Zeit­ punkt der maximalen Geschwindigkeit der Kokille bei deren Herabbewe­ gung periodisch in zwei aufeinanderfolgenden Schwingungen jeweils um zehn 10 Grad verringert und in den beiden darauffolgenden Schwin­ gungen jeweils um 10 Grad vergrößert wird.

Das aufgeführte Beispiel zeigt, daß eine sehr geringe und in ihren Auswirkungen auf den Negativen Strip unerhebliche periodische sukzessive Veränderung des Verlaufs der Kokillengeschwindigkeit ausreichend ist, um eine hinsichtlich ihrer Amplitude und ihrer Auswirkung auf den Gießprozeß spürbare Verlagerung der Nullinie der Kokillenschwingungen herbeizuführen.

Die Fig. 2 bis 6 zeigen Beispiele für die nahezu unbegrenzten Variationsmöglichkeiten resultierender Kokillenschwingungen, die durch Überlagerung von mindestens zwei voneinander unabhängigen Schwingungen mit unterschiedlichen Schwingungsparametern erreichbar sind.

In den zwei oberen Feldern sind jeweils zwei voneinander unabhängige Schwingungsparametern dargestellt, wobei die Verläufe im rechten Feld eine dreifache Frequenz im Vergleich zu den Verläufen im linken Feld aufweisen.

Eine Überlagerung der beiden unabhängigen Kurven ergibt die Resul­ tierenden mit den Weg- und Geschwindigkeitskurven des unteren Feldes.

Fig. 5 zeigt die Schwingungskurve einer Stranggießkokille gemäß der Erfindung. Sie wurde beim Vergießen eines nichtrostenden austeniti­ schen Stahles auf einer Dünnbrammengießanlage angewendet. Diese Schwingungskurve ist das Ergebnis der Überlagerung zweier Sinuskur­ ven mit Amplituden A₁ und A₂ und entsprechend Frequenzen f₁ und f₂ = f₁/6, wobei die Nullinie der 6 aufeinanderfolgenden nichtidenti­ schen Schwingungen dieser Schwingungskurve sich einmal nach unten und einmal nach oben verlagert.

Mit einer solchen Kurve wird ein gleichmäßigeres Aufschmelzen des Gießpulvers und Eindringen in den Gießspalt erreicht.

Darüber hinaus wird durch die überlagerte Schwingung eine größere Abkühlung der Schlacke verwirklicht, wodurch der Wärmeübergang zur Kokillenwand reduziert wird. Durch die beiden vorteilhaften Effekte wird die Entstehung von Einschnürungen (Depressionen) auf der Strangoberfläche beim Vergießen von nichtrostendem austenitischen Stahl vermieden. Bei Testgüssen mit Gießgeschwindigkeiten zwischen 3,8 und 4,2 m/min und Frequenzen von f₁ zwischen 240 und 270 Hüben/min sowie f₂ = f₁/6 = 42 bis 45 Hüben/min wird die Entstehung von Längsdepressionen auf dem Strang vollständig vermieden. Eine Aus­ wertung der Signale von Thermoelementen in den Kokillenplatten hat dabei bestätigt, daß der Wärmeaustausch bei Anwendung der erfin­ dungsgemäßen Schwingungskurve im Bereich des Badspiegels bei niedri­ gerem Niveau deutlich stabiler ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel erfindungsgemäßer Schwingungskurven zeigt Fig. 6. Diese Schwingungskurve ist das Ergebnis der Über­ lagerung zweier parabelförmiger Bewegungsverläufe mit der entspre­ chenden Amplitude A₁ und A₂ und der Frequenz f₁ und f₂ = f₁/8. In diesem Fall besteht der Geschwindigkeitsverlauf aus geradlinigen Abschnitten. Der Vorteil dieser Kurve beruht darauf, daß sie neben den bereits erwähnten positiven Auswirkungen auf die Qualität des Gußproduktes durch eine wesentlich geringere Anzahl von Bestimmungs­ punkten determiniert ist und der Programmieraufwand für die Steue­ rungsalgorithmen dementsprechend geringer ist.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erzeugung der Oszillation einer Stranggießkokil­ le, insbesondere unter Verwendung einer hydraulisch angetriebe­ nen Hubvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß bei beliebig vorgegebener Strangabzugsgeschwindigkeit die Null-Linie der Kokillenschwingungen relativ zur Lage des Bad­ spiegels während des Gießvorganges nach oben und/oder nach unten bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Reihe von aufeinanderfolgenden Kokillen-Schwin­ gungen diese ihre Null-Linie relativ zur Lage des Badspiegels der Kokille periodisch nach oben und nach unten verlagern.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlagerung der Nullinie der Kokillenschwingungen durch sukzessive Veränderung des Geschwindigkeitsverlaufes der Kokille in mehreren aufeinanderfolgenden Einzelschwingungen, von denen jede der Bewegung der Kokille von einem Totpunkt zum anderen und zurück entspricht, herbeigeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß die Kokillenoszillation durch Überlagerung mindestens zweier voneinander unabhängiger Schwingungen bewirkt wird, die sich durch Geschwindigkeitsverlauf oder Frequenz allein oder in Kombination oder zusätzlich in Kombination mit der Amplitude unterscheiden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz von wenigstens zwei aufeinanderfolgenden identischen Kokillenschwingungen geringer ist als die Frequenz, mit der die Kokille bei ihrer Abwärtsbewegung den Strang überholt.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung überlagerbarer Schwingungen mit jeweils unterschiedlichen Geschwindigkeitsverläufen und/oder Frequenzen und/oder Amplituden die Kokille in einem Rahmen gelagert und dieser auf dem Hubtisch angeordnet wird und daß sowohl der Rahmen als auch der Hubtisch in voneinander unabhängigen Schwingungen erregbar sind.

7. Anwendung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, zumindest während eines und oder mehrerer Gießab­ schnitte des Gießvorgangs.