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EP0449771B1 - Programmgesteuertes Einspeisen von schmelzflüssigem Metall in die Kokillen einer automatischen Stranggiessanlage - Google Patents

Programmgesteuertes Einspeisen von schmelzflüssigem Metall in die Kokillen einer automatischen Stranggiessanlage Download PDF

Info

Publication number
EP0449771B1
EP0449771B1 EP91810170A EP91810170A EP0449771B1 EP 0449771 B1 EP0449771 B1 EP 0449771B1 EP 91810170 A EP91810170 A EP 91810170A EP 91810170 A EP91810170 A EP 91810170A EP 0449771 B1 EP0449771 B1 EP 0449771B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
moulds
metal
value
casting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP91810170A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0449771A1 (de
EP0449771B2 (de
Inventor
Jean-Jaques Thèler
Edmond Rey
Jean-François Jordan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
3A Composites International AG
Original Assignee
Alusuisse Lonza Services Ltd
Alusuisse Technology and Management Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=4199879&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP0449771(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Alusuisse Lonza Services Ltd, Alusuisse Technology and Management Ltd filed Critical Alusuisse Lonza Services Ltd
Publication of EP0449771A1 publication Critical patent/EP0449771A1/de
Publication of EP0449771B1 publication Critical patent/EP0449771B1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0449771B2 publication Critical patent/EP0449771B2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/0401—Moulds provided with a feed head
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/07—Lubricating the moulds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/16—Controlling or regulating processes or operations
    • B22D11/18—Controlling or regulating processes or operations for pouring
    • B22D11/181—Controlling or regulating processes or operations for pouring responsive to molten metal level or slag level

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for feeding molten metal into the molds which are internally insulated in the upper region of an automatic continuous casting installation with an upstream casting furnace and a pouring channel system which comprises a distribution trough which feeds all molds at the same level with metal, the lower one in the In the inner ring area, a gas cushion preventing direct contact of the mold with the metal is maintained and oil is injected into its area.
  • the invention further relates to an application of the method.
  • metals are cast in the form of bars or bolts several meters long, which are used as primary material for various subsequent processing steps, such as for pressing, rolling or forging.
  • the most important element of a continuous casting machine are the molds, which determine the cross section of the cast strand in conventional processes. Depending on the number of cast strands, a casting machine is equipped with a corresponding number of lowerable approach floors, which are firmly connected to a casting table.
  • the molten metal flows, possibly with at least one filter switched on, through a channel system from the casting furnace into the casting machine, where it is distributed into the individual molds.
  • the metal begins to solidify on the dried start-up floors.
  • the approach floors are then cooled and lowered at such a speed that the solidus line of the solidified metal always remains within the mold frame.
  • the casting process is uninterrupted within the specified length of a strand.
  • hot top process was developed a long time ago, in which the metal flows into a distribution trough (hot top) that feeds all molds.
  • the level control devices of all individual molds can be omitted and replaced by a central control element, which allows a quieter metal surface and a simplified casting process.
  • the usual hot top casting process has been further developed by the formation of a gas cushion with automatic lubrication to a semi-continuous casting process, in which a direct contact between the liquid metal and the mold is prevented thanks to the air cushion and an oil film in the top area.
  • US Pat. No. 4,157,728 describes a hot top continuous casting method of the type mentioned above, an annular air cushion being formed underneath the hot top. A slight overpressure is necessary for this. The overpressure is set manually using a screw.
  • Air and oil are supplied in the same area, but separately.
  • the present invention has for its object to provide a method and a device of the type mentioned, which allow further automation of the hot top casting process.
  • the object is achieved according to the invention in that a common main line with distribution lines leads air or an inert gas with the same, low overpressure into all molds, and the relative pressure between a setpoint value, which is calculated as a function of the metal height measured via a level probe and an actual value measured in the main line with a transmitter is used for program-controlled control and monitoring, in that the control function is fulfilled by means of a processor by emitting a signal for the actuator of a common pressure control valve.
  • air is generally used for reasons of cost, which is why the term air also includes inert gases in the following for the sake of simplicity.
  • the height of the metal surface can be measured with a level probe known per se, but also with a laser sensor.
  • the actual pressure measured in the main line shows no fluctuations due to the large diameter with small pressure losses.
  • the external pressure which changes considerably depending on the weather, should not influence the casting process. According to a preferred embodiment of the invention, the influence of the variable external pressure is therefore automatically compensated for by known means by using a commercially available differential pressure meter.
  • the oil required for lubrication is preferably injected in pulses into the area of the gas cushion. This means that the oil can be injected at a higher pressure without the overall consumption becoming too high.
  • the outlet channels for the gas and the oil can be separate or combined into one channel.
  • the pressure in the gas cushion must not exceed a certain maximum value, otherwise gas bubbles will form in the metallic melt. However, the pressure of the gas cushion must also not fall below a certain minimum value, otherwise the molten metal can penetrate into the gas supply channels.
  • the minimum and maximum values for the pressure in the gas cushion are linear to the respective metallostatic pressure in the mold.
  • the minimum pressure, which must not be fallen below, corresponds to a function of the density p, the acceleration due to gravity g, the metal level above the gas outlet openings, the interfacial tension of the melt in the insulation / mold area and the surface tension of the melt in the gas cushion area.
  • the maximum pressure in the gas cushion which must not be exceeded, is a function of the density of the melt p, the acceleration due to gravity g and the depth of the undercut of the insulation.
  • the object is achieved according to the invention in that it has a main line for the gas supply with a servo pressure valve and a transmitter on the system side and a computer comparing the actual pressure control variables of the transmitter and the control variable of the setpoint value, a manipulated variable for the actuator of the Pressure control valve triggering processor includes.
  • the setpoint is determined arithmetically on the basis of the metal level measured, for example, with a laser sensor.
  • the distribution lines branching off from the main line to the molds consist, for example, of rubber or a plastic with an external, reinforcing and protective metal fabric.
  • the main line for the gas supply expediently has an inside diameter of 5-10 cm.
  • the branching distribution lines preferably lead directly to the molds without secondary lines.
  • the main line is preferably oversized, i.e. the sum of the cross section of all distribution lines is substantially below the cross section of the main line, preferably at least 20%. It has already been mentioned that the distribution lines do not have to be the same length.
  • the cross-section here and the rest always means the inner cross-section.
  • the lower edge of the insulation layer projecting above the mold is preferably undercut.
  • the optimal value for this undercut has been found to be about 10 mm, which makes it easier to form a stable gas cushion.
  • the undercut can take on any geometrical shape, it preferably runs as a cone-shaped bevel.
  • An optionally removable laser sensor is expediently used as the level measuring device for determining the same metal level everywhere in the trough system and in the molds.
  • the application of the method according to the invention lies primarily in the automation of the start-up and casting end as well as the quality control during the stationary phase of the continuous casting.
  • the basic sketch shown in FIG. 1 of the hot top continuous casting known per se essentially comprises a pouring channel system 10, hot tops 12 made of refractory material, also called hot heads, molds 14, cast strands 16 and a casting table 18.
  • the trough system 10 in which the metal flows at the same level in all channels in the direction of the arrow 20, comprises a distribution trough 22. This serves as a reservoir for liquid metal.
  • the individual gutters merge into grooves 24 of the hot top 12.
  • the grooves 24 also run in the transverse direction and merge into bores through the hot top 12 above the molds 14. This ensures that the metal level only has to be measured at one point. This level is the same in the entire casting machine within the measurement tolerances.
  • a number of approach floors 28 corresponding to the number of molds 14 are arranged on the casting table 18, which is lowered in the direction of the arrow 26.
  • FIG. 2 shows a hot top 12, a mold 14 and a cast metal strand 16 in detail.
  • the hot top 12 conducts the molten metal 30 into the molds 14 via grooves 24.
  • the hot top 12 is made of fire-resistant insulating material.
  • the mold 14 consisting of three rings has an annular inner insulation 32 in the upper inner region, which prevents the contact of the molten metal 30 with the upper region of the mold 14.
  • the insulation 32 has an undercut bevel 34 in the lower region.
  • the insulation ring 32 which is made of a refractory material, is pressed onto the mold 14 by means of a pressure plate 36.
  • An O-ring not shown, ensures the tightness between the mold 14 and the insulation ring 32.
  • the inner surface of a lower mold ring 38 determines the diameter of the strand 16. Water 44 is sprayed onto the strand 16 via channels 42 from the ring-shaped water reservoir 40.
  • a middle mold ring 46 contains an annular oil chamber delimited by the lower mold ring 38 with outlet channels 50, which open out directly below the inclined surface 34 of the insulation ring 32.
  • the oil chamber 48 is fed via radial channels, not shown, which are recessed from the lower ring 38 or from the middle ring 46 and are delimited by the respective other ring.
  • An upper mold ring 52 contains an annular air chamber 53 with radial puncture channels (not shown) between the middle and the upper mold ring.
  • the air is conducted into the mold interior with a slight excess pressure, in the range of approximately 45 mbar, immediately below the bevel 34 of the insulation 32. This creates an annular air cushion 54. This alleviates the cold shock of the molten metal 30 striking the mold 14.
  • the vertical distance between the common level 60 of the molten metal 30 in the channel system 10, the grooves 24 and the mold 14 and the transition from the bevel 34 of the insulation ring 32 to the mold 14, in the region of the air outlet channels, is referred to as the metal level H 1 .
  • the metal level H 1 is in the range of 200 mm.
  • the insulation 32 has a chamfer depth H 2 of approximately 10 mm.
  • the sum of H 1 + H 2 is denoted by H.
  • the pressure in the air cushion 54 must not fall below the metallostatic pressure in the depth H1, increased by the interface and surface tension, and must not exceed the depth H for the reasons mentioned above.
  • curve B shows the values for the onset of blistering.
  • Fig. 3 can be used in practice to read the optimum pressure to be used for a given metal level. As already mentioned, this is at or just below 50 mbar.
  • Fig. 4 shows a main line 62 of the compressed air supply, which is passed through a pressure control valve 64. After branching off to a transmitter 66 for the actual pressure, distribution lines 68 leading from the main line 62 to the molds branch off.
  • the number of distribution lines 68 corresponds to the number of molds in the casting machine, for example up to 36.
  • a control variable is passed from the transmitter 66 to a processor 70. There, the control variable corresponding to the actual pressure is compared with a control variable calculated by a computer 72 for the target pressure dependent on the metal level. If there is a relative pressure, i.e. a pressure difference between the setpoint and actual pressure, the processor triggers a signal called the manipulated variable, which acts on the actuator 74 of the pressure control valve 64 and changes it depending on the sign and absolute value of the detected Ap.
  • the actuator 74 can be a stepper motor or a DC motor, for example.
  • a target value dependent on the metal level H 1 (FIG. 2) is continuously calculated, which is compared with the actual value of the air supply.
  • the pressure in the air cushion is automatically adapted to a changed metal level by changing the pressure in the main line 62.
  • the air flow V shown in FIG. 5 per unit of time and mold is plotted as a function of the casting time t.
  • the air flow rate V A is relatively high. With the onset of the supply of liquid metal and increasing metal level, the air flow drops relatively steeply.
  • a signal for lowering the casting table is triggered with a delay of about 5 seconds.
  • a cold run K occurs shortly after the minimum target value V s of about 2 to 3 mbar has been reached. Due to poor strand quality, air can escape between the mold and your strand. After a short time, the quality is normal, the air flow drops again to the minimum setpoint V s .
  • the metal level in the mold drops, and the air flow V rises correspondingly steeply.
  • V 2 a signal for the end of casting is triggered.
  • the regulator pressure in the present case in stationary normal operation 45 mbar, is indicated by a dashed line 76.
  • the dotted line 78 shows the pressure curve after a length of 3 m in a main line with an inner diameter of 6 mm.
  • Fig. 6 shows that the air flow Q corresponds to the sum of all air losses.
  • the air flow is determined by a flow meter 80.
  • the losses Q 1 to Q 4 are due to the condition of the system; they must be negligibly small in the case of functional systems.
  • the air losses Q 5 and in particular Q 7 allow conclusions to be drawn about the quality of the cast strand.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)
  • Casting Support Devices, Ladles, And Melt Control Thereby (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Control By Computers (AREA)
  • Vertical, Hearth, Or Arc Furnaces (AREA)
  • Control Of Non-Electrical Variables (AREA)
  • Injection Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einspeisen von schmelzflüssigem Metall in die im oberen Bereich innenisolierten Kokillen einer automatischen Stranggiessanlage mit einem vorgeschalteten Giessofen und einem Giessrinnensystem, welches einen alle Kokillen auf gleichem Niveau mit Metall speisenden Verteilungstrog umfasst, wobei im unterhalb eines Innenrings liegenden Bereich ein den direkten Kontakt der Kokille mit dem Metall verhinderndes Gaskissen aufrechterhalten und in dessen Bereich Oel eingespritzt wird. Weiter betrifft die Erfindung eine Anwendung des Verfahrens.
  • Beim Stranggiessverfahren werden Metalle in Form von mehrere Meter langen Barren oder Bolzen gegossen, welche als Vormaterial für verschiedene nachfolgende Verarbeitungsschritte eingesetzt werden, wie z.B. zum Pressen, Walzen oder Schmieden.
  • Das wichtigste Element einer Stranggiessmaschine sind die Kokillen, welche in konventionellen Verfahren den Querschnitt des gegossenen Strangs bestimmen. Eine Giessmaschine ist, je nach der Anzahl von gegossenen Strängen, mit entsprechend vielen, absenkbaren Anfahrböden ausgerüstet, welche fest mit einem Giesstisch verbunden sind.
  • Während des Stranggiessens fliesst das schmelzflüssige Metall, ggf. unter Einschaltung wenigstens eines Filters, durch ein Rinnensystem vom Giessofen in die Giessmaschine, wo es in die einzelnen Kokillen verteilt wird.
  • Während sich die Kokillen langsam mit der Schmelze füllen, beginnt das Metall an den getrockneten Anfahrböden zu erstarren. Die Anfahrböden werden anschliessend gekühlt und mit einer derartigen Geschwindigkeit abgesenkt, dass die Soliduslinie des erstarrten Metalls stets innerhalb des Kokillenrahmens bleibt. Die Stränge, deren Erstarrung durch Wasserkühlung beschleunigt wird, wachsen nach unten, in gleichem Masse, wie die Anfahrböden abgesenkt werden. Innerhalb der vorgegebenen Länge eines Strangs ist der Giessvorgang unterbrechungsfrei.
  • Einer der wesentlichen Nachteile von üblichen Stranggiessverfahren besteht darin, dass das Niveau in jeder einzelnen Kokille separat kontrolliert werden muss und dass lange Kokillen erforderlich sind. Die daraus resultierenden sekundären Effekte führen zu einer geringeren Oberflächenqualität.
  • Deshalb ist schon vor längerer Zeit das sogenannte Hot Top-Verfahren entwickelt worden, bei welchem das Metall in einen alle Kokillen auf gleichem Niveau speisenden Verteilungstrog (Hot Top) fliesst. Die Niveaukontrollgeräte aller einzelnen Kokillen können weggelassen und durch ein zentrales Kontrollorgan ersetzt werden, welches eine ruhigere Metalloberfläche und einen vereinfachten Giessprozess erlaubt.
  • Das übliche Hot Top-Giessverfahren ist durch die Ausbildung eines Gaskissens mit automatischer Schmierung zu einem halbkontinuierlichen Giessverfahren weiterentwickelt worden, bei welchem ein direkter Kontakt zwischen dem flüssigen Metall und der Kokille dank des Luftkissens und eines Oelfilms im obersten Bereich verhindert ist.
  • Die Druckluft zur Bildung des Gaskissens wird im oberen Teil der Kokille, unterhalb einer Innenisolation, eingeführt. Mit einem Gaskissen können, verglichen mit dem üblichen Hot Top-Giessverfahren, insbesondere im Zusammenwirken mit einem Oelfilm, folgende zusätzliche Vorteile erzielt werden:
    • - Oberflächensegregationen und versteckte Kaltschweissstellen werden durch die milderen Kühlungsbedingungen weitgehend verhindert.
    • - Segregation und Ausfliessen von Schmelze durch kleine Oeffnungen des bereits erstarrten Metallmantels werden durch die niedriger ausgebildete Kokille verhindert.
    • - Reibung und Ausbrüche werden verhindert, weil die Kontaktoberfläche zwischen dem Metall und der Kokille wegen des Gaskissens kürzer und das Schmiermittel besser verteilt ist.
  • Die US-PS 4 157 728 beschreibt ein Hot Top-Stranggiessverfahren der oben erwähnten Art, wobei ein ringförmig umlaufendes Luftkissen unterhalb des Hot Tops gebildet wird. Dazu ist ein leichter Ueberdruck notwendig. Die Einstellung des Ueberdrucks erfolgt manuell, mittels einer Schraube.
  • Die Zufuhr von Luft und Oel erfolgt im selben Bereich, aber getrennt.
  • Weitere Verbesserungen des Verfahrens sind in letzter Zeit insbesondere in Richtung des sogenannten Air Slip-Verfahrens, wie in der US-PS 4 598 763 beschrieben, gesucht worden. Der obere Innenbereich einer Kokille wird mit einem offenporigen Grafitring ausgelegt. Luft und Oel können gemischt oder getrennt über die Poren des Grafitrings in den Kokilleninnenraum geführt werden. Grafit ist selbstschmierend, das Oel wird nicht in erster Linie als Schmiermittel, sondern als Porenfüller zugegeben. Wasser wird erst unterhalb des Grafitrings aufgespritzt.
  • Mit einem Grafitring, durchströmt von Luft und Oel, kann eine sehr milde, also vorteilhafte Kühlung erzielt werden. Die Verwendung eines Grafitrings hat jedoch den Nachteil, für eine Automatisierung des entsprechenden Giessverfahrens aufwendig und kompliziert zu sein.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine weitergehende Automatisierung des Hot Top-Giessverfahrens erlauben.
  • In bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine gemeinsame Hauptleitung mit Verteilungsleitungen Luft oder ein Inertgas mit dem gleichen, geringen Ueberdruck in alle Kokillen führt, und der Relativdruck zwischen einem in Funktion der über eine Niveausonde gemessenen Metallhöhe programmberechneten Soll-Wert und einem in der Hauptleitung mit einem Messumformer gemessenen Ist-Wert der programmgesteuerten Regelung und Ueberwachung dient, indem die Regelfunktion mittels eines Prozessors durch Abgabe eines Signals für den Aktuator eines gemeinsamen Druckregelventils erfüllt wird.
  • Als Inertgase werden beispielsweise Stickstoff und/oder Argon eingesetzt. Aus Kostengründen wird jedoch in der Regel Luft eingesetzt, weshalb im Folgenden einfachheitshalber die Bezeichnung Luft auch inerte Gase einschliesst.
  • Die Höhe der Metalloberfläche kann mit einer Niveausonde an sich bekannter Bauart gemessen werden, aber auch mit einem Lasersensor. Der in der Hauptleitung gemessene Ist-Druck zeigt wegen des grossen Durchmessers bei kleinen Druckverlusten keine Schwankungen.
  • Der je nach Wetterlage beträchtlich ändernde Aussendruck sollte den Giessvorgang nicht beeinflussen. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird deshalb der Einfluss des variablen Aussendrucks mit bekannten Mitteln selbsttätig ausgeglichen, indem ein handelsüblicher Differentialdruckmesser verwendet wird.
  • Beim Giessbeginn ist kein flüssiges Metall in der Kokille, das dem Gasdurchfluss Widerstand entgegen setzt. Mit einem Durchflussmesser wird ein erster höherer Wert eingestellt. Wenn das darauf in die Kokille geleitete flüssige Metall die Gasaustrittsöffnung erreicht, sinkt die Gasdurchflussmenge wegen dem sukzessive höher werdenden metallostatischen Widerstand. Wenn der Gasdurchfluss einen zweiten, tieferen Wert unterschreitet, wird nach kurzer Zeit das Absenken des Giesstisches mit den Anfahrböden für die gegossenen Stränge ausgelöst. Ohne Metall wird ein Luftdurchfluss von 12 - 15 NI/min als ersten Wert erreicht, als zweiter Wert zur Auslösung des Absenkens über die Durchflussmengendifferenz werden etwa 8 - 10 NI/min eingestellt. Einige Sekunden, zweckmässig etwa 5 sec, nach dem Erreichen dieses zweiten Werts beginnt das Absenken des Giesstischs. Die Durchflussregelung erfolgt mit dem Relativdruck, der Differenz zwischen dem Soll- und Ist-Wert für den Druck in der Hauptleitung.
  • Wegen des geringen Gasdurchflusses durch die von der Hauptleitung abzweigenden Verteilungsleitungen spielt deren Länge keine Rolle, alle Kokillen werden unter gleichen Bedingungen versorgt.
  • Die Versorgung aller Kokillen mit der gleichen Menge Oel dagegen war früher nur gewährleistet, wenn die einzelnen, zu den Kokillen führenden Oelleitungen ab Oelhauptleitung alle gleich lang waren. Dies ist heute kein Erfordernis mehr, mit bekannten Mitteln kann allen Kokillen pro Zeiteinheit, unabhängig vom Leitungswiderstand, die gleiche Menge Oel zugeführt werden.
  • Das zur Schmierung notwendige Oel wird bevorzugt pulsweise in den Bereich des Gaskissens gespritzt. Damit kann das Oel mit höherem Druck eingespritzt werden, ohne dass der Gesamtverbrauch zu hoch wird.
  • Die Austrittskanäle für das Gas und das Oel können getrennt oder zu einem Kanal vereinigt sein.
  • Der Druck im Gaskissen darf einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten, sonst bilden sich in der metallischen Schmelze Gasblasen. Der Druck des Gaskissens darf jedoch auch einen bestimmten minimalen Wert nicht unterschreiten, sonst kann das schmelzflüssige Metall in die Gaszufuhrkanäle eindringen. Der minimale und der maximale Wert für den Druck im Gaskissen verlaufen linear zum jeweiligen metallostatischen Druck in der Kokille. Der minimale Druck, welcher nicht unterschritten werden darf, entspricht einer Funktion der Dichte p , der Erdbeschleunigung g, dem Metallstand oberhalb der Gasaustrittsöffnungen, der Grenzflächenspannung der Schmelze im Bereich Isolation/Kokille und der Oberflächenspannung der Schmelze im Bereich des Gaskissens. Der maximale Druck im Gaskissen, welcher nicht überschritten werden darf, ist eine Funktion der Dichte der Schmelze p, der Erdbeschleunigung g und der Tiefe der Hinterschneidung der Isolation.
  • In bezug auf die Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass sie eine Hauptleitung für die Gaszufuhr mit anlagenseitig einem Servodruckventil und einem Messumformer sowie rechnerseitig einen die Ist-Druckregelgrössen des Messumformers und die Regelgrösse des Soll-Werts vergleichenden, eine Stellgrösse für den Aktuator des Druckregelventils auslösenden Prozessor umfasst.
  • Der Sollwert wird rechnerisch aufgrund des beispielsweise mit einem Lasersensor gemessenen Metallstandes bestimmt.
  • Die von der Hauptleitung abzweigenden Verteilungsleitungen zu den Kokillen bestehen beispielsweise aus Kautschuk oder einem Kunststoff mit einem aussenliegenden, verstärkenden und schützenden Metallgewebe.
  • Die Hauptleitung für die Gaszufuhr hat zweckmässig einen Innendurchmesser von 5 - 10 cm. Die abzweigenden Verteilungsleitungen führen bevorzugt direkt, ohne Sekundärleitungen, zu den Kokillen. Die Hauptleitung ist vorzugsweise überdimensioniert, d.h. die Summe des Querschnitts aller Verteilungsleitungen liegt wesentlich unter dem Querschnitt der Hauptleitung, vorzugsweise wenigstens 20%. Es ist bereits erwähnt worden, dass die Verteilungsleitungen nicht gleich lang sein müssen. Mit dem Querschnitt ist hier und im übrigen stets der Innenquerschnitt gemeint.
  • Damit zwischen dem minimal und maximal zulässigen Druck im Gaskissen ein relativ grösserer Spielraum bleibt, wird der untere Rand der die Kokille überragenden Isolationsschicht vorzugsweise hinterschnitten. Als optimaler Wert für diese Hinterschneidung haben sich etwa 10 mm herausgestellt, was besser ermöglicht, ein stabiles Gaskissen zu bilden. Obwohl die Hinterschneidung jede geometrische Form annehmen kann, verläuft diese vorzugsweise als kegelmantelförmige Anschrägung.
  • Als Niveaumessgerät für die Festlegung des überall im Giessrinnensystem und in den Kokillen gleichen Metallniveaus wird zweckmässig ein ggf. demontierbarer Lasersensor verwendet.
  • Die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens liegt in erster Linie bei der Automatisierung des Anfahrens und des Giessendes sowie der Qualitätskontrolle während der stationären Phase des Stranggiessens.
  • Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele, welche auch Gegenstand von abhängigen Ansprüchen sind, näher erläutert. Es zeigen schematisch:
    • - Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht einer Hot Top-Giessmaschine,
    • - Fig. 2 einen teilweisen Vertikalschnitt durch den Kokillenbereich einer Hot Top-Giessmaschine,
    • - Fig. 3 Kurven für den metallostatischen Druck in Funktion des Metallstandes,
    • - Fig. 4 eine automatische Druckregelung,
    • - Fig. 5 den Durchfluss von Luft während des Giessens, und
    • - Fig. 6 den Durchfluss von Luft und die Luftverluste.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Prinzipskizze des an sich bekannten Hot Top-Stranggiessens umfasst im wesentlichen ein Giessrinnensystem 10, aus feuerfestem Material bestehende Hot Tops 12, auch Heissköpfe genannt, Kokillen 14, gegossene Stränge 16 und einen Giesstisch 18.
  • Das Giessrinnensystem 10, in welchem das Metall mit gleichem Niveau in allen Rinnen in Richtung des Pfeils 20 fliesst, umfasst einen Verteilungstrog 22. Dieser dient als Reservoir für flüssiges Metall. Die einzelnen Giessrinnen gehen in Nuten 24 des Hot Tops 12 über. Entsprechend den angeordneten Kokillen 14 verlaufen die Nuten 24 auch in Querrichtung und gehen oberhalb der Kokillen 14 in Bohrungen durch den Hot Top 12 über. Damit ist gewährleistet, dass das Metallniveau nur an einer Stelle gemessen werden muss. Dieses Niveau ist in der ganzen Giessmaschine innerhalb der Messtoleranzen gleich.
  • Auf dem in Richtung des Pfeils 26 abgesenkten Giesstisch 18 sind eine der Anzahl von Kokillen 14 entsprechende Anzahl von Anfahrböden 28 angeordnet.
  • Fig. 2 zeigt einen Hot Top 12, eine Kokille 14 und einen gegossenen Metallstrang 16 im Detail.
  • Der Hot Top 12 leitet, wie in Fig. 1 dargestellt, das schmelzflüssige Metall 30 über Nuten 24 in die Kokillen 14. Der Hot Top 12 besteht aus feuerfestem Isoliermaterial.
  • Die aus drei Ringen bestehende Kokille 14 hat im oberen Innenbereich eine ringförmige Innenisolation 32, welche den Kontakt des schmelzflüssigen Metalls 30 mit dem oberen Bereich der Kokille 14 verhindert.
  • Im unteren Bereich hat die Isolation 32 eine hinterschneidende Anschrägung 34. Der aus einem feuerfesten Material bestehende Isolationsring 32 wird mittels einer Druckplatte 36 auf die Kokille 14 gedrückt. Ein nicht dargestellter O-Ring gewährleistet die Dichtheit zwischen der Kokille 14 und dem Isolationsring 32.
  • Die Innenfläche eines unteren Kokillenrings 38 bestimmt den Durchmesser des Strangs 16. Vom ringförmig ausgebildeten Wasserreservoir 40 wird über Kanäle 42 Wasser 44 auf den Strang 16 gespritzt.
  • Ein mittlerer Kokillenring 46 enthält eine durch den unteren Kokillenring 38 begrenzte, ringförmige Oelkammer mit Austrittskanälen 50, welche unmittelbar unterhalb der Schrägfläche 34 des Isolationsrings 32 ausmünden. Die Oelkammer 48 wird über nicht gezeigte Radialkanäle gespeist, welche aus dem unteren Ring 38 oder aus dem mittleren Ring 46 ausgespart und durch den jeweils anderen Ring begrenzt sind.
  • Ein oberer Kokillenring 52 beinhaltet eine ringförmige Luftkammer 53 mit nicht dargestellten radialen Stichkanälen zwischen dem mittleren und dem oberen Kokillenring.
  • Die Luft wird mit einem geringen Ueberdruck, im Bereich von etwa 45 mbar, unmittelbar unterhalb der Abschrägung 34 der Isolation 32 in den Kokilleninnenraum geleitet. Dabei entsteht ein ringförmiges Luftkissen 54. Dieses mildert den Kälteschock des auf die Kokille 14 auftreffenden, schmelzflüssigen Metalls 30.
  • Luft und Oel treten im selben Bereich, im ringförmigen Luft- bzw. Gaskissen 54, aus, im vorliegenden Fall getrennt.
  • Zwischen dem schmelzflüssigen Metall 30 und dem erstarrten Teil 56 des Strangs 16 bildet sich, zwischen der Liquidusfläche L und der Solidusfläche S, ein pastöser Bereich 58 mit einem Gemisch von flüssiger und fester Phase.
  • Die vertikale Distanz zwischen dem gemeinsamen Niveau 60 des schmelzflüssigen Metalls 30 im Giessrinnensystem 10, den Nuten 24 und der Kokille 14 und dem Uebergang der Anschrägung 34 des Isolationsrings 32 auf die Kokille 14, im Bereich der Luftaustrittskanäle, wird als Metallstand H1 bezeichnet. Der Metallstand H1 liegt im Bereich von 200 mm. Die Isolation 32 hat eine Anschrägungstiefe H2 von etwa 10 mm. Die Summe von H1 + H2 wird mit H bezeichnet.
  • Der Druck im Luftkissen 54 darf den metallostatischen Druck in der Tiefe H1, vermehrt um die Grenzflächen- und Oberflächenspannung, aus den oben erwähnten Gründen nicht unterschreiten und in der Tiefe H nicht überschreiten.
  • In Fig. 3 wird der metallostatische Druck in Funktion des Metallstandes H1 aufgetragen. Der metallostatische Druck p berechnet sich wie folgt:
    • p = pgH1,
    wobei p die von der Legierung und der Temperatur abhängige Dichte des schmelzflüssigen Metalls ist und g der ortskonstanten Erdbeschleunigung entspricht. Die nach dieser Formel berechneten Werte sind in Fig. 3 auf der Kurve C eingetragen.
  • Die für optimale Giessbedingungen gemessenen Werte sind auf der Kurve A aufgetragen, welche geringfügig über der theoretischen Kurve C liegt. Der Abstand beträgt etwa 2 mbar.
  • Schliesslich sind in Kurve B noch die Werte für die beginnende Blasenbildung eingetragen worden. Theoretisch beginnt die Blasenbildung, wenn in der obenstehenden Formel, unter Hinzufügung der bereits erwähnten Grenzflächen- und Oberflächenspannung, H anstelle von H1 in die obenstehende Formel eingesetzt wird, wobei H = H1 + H2 (Fig. 2).
  • Fig. 3 kann in der Praxis verwendet werden um bei gegebenem Metallstand den anzuwendenden optimalen Druck abzulesen. Dieser liegt, wie bereits erwähnt, bei oder knapp unter 50 mbar.
  • Fig. 4 zeigt eine Hauptleitung 62 der Druckluftspeisung, welche durch ein Druckregelventil 64 geführt wird. Nach der Abzweigung zu einem Messumformer 66 für den Ist-Druck zweigen von der Hauptleitung 62 zu den Kokillen führende Verteilungsleitungen 68 ab. Die Anzahl der Verteilungsleitungen 68 entspricht der Anzahl Kokillen in der Giessmaschine, beispielsweise bis 36.
  • Vom Messumformer 66 wird eine Regelgrösse zu einem Prozessor 70 geleitet. Dort wird die dem Ist-Druck entsprechende Regelgrösse mit einer von einem Computer 72 berechneten Regelgrösse für den vom Metallstand abhängigen Soll-Druck verglichen. Besteht ein Relativdruck, also eine Druckdifferenz zwischen dem Soll- und Ist-Druck, löst der Prozessor ein als Stellgrösse bezeichnetes Signal aus, welches auf den Aktuator 74 des Druckregelventils 64 einwirkt und dieses je nach Vorzeichen und Absolutwert des festgestellten Ap verändert. Der Aktuator 74 kann beispielsweise ein Schrittmotor oder ein Gleichstrommotor sein.
  • Mit dieser automatischen Druckregelung wird laufend ein vom Metallstand H1 (Fig. 2) abhängiger Soll-Wert errechnet, der mit dem Ist-Wert der Luftspeisung verglichen wird. Der Druck im Luftkissen wird durch Aenderung des Drucks in der Hauptleitung 62 automatisch an einen veränderten Metallstand angepasst.
  • Der in Fig. 5 dargestellte Luftdurchfluss V pro Zeiteinheit und Kokille ist in Funktion der Giesszeit t aufgetragen. Am Giessanfang t1 ist der Luftdurchfluss VA verhältnismässig hoch. Mit dem Einsetzen der Zufuhr von flüssigem Metall und steigendem Metallniveau fällt der Luftdurchfluss verhältnismässig steil ab. Beim Erreichen der Luftmenge V1 wird, mit einer Verzögerung von etwa 5 sec, ein Signal für das Absenken des Giesstischs ausgelöst. Im vorliegenden Fall tritt kurz nach dem Erreichen des minimalen Soll-Wertes Vs von etwa 2 bis 3 mbar ein Kaltlauf K auf. Wegen schlechter Strangqualität kann Luft zwischen der Kokille und dein Strang entweichen. Nach kurzer Zeit ist die Qualität normal, der Luftdurchfluss sinkt wieder auf den minimalen Sollwert Vs. Am Giessende, zur Zeit t2 sinkt das Metallniveau in der Kokille, der Luftdurchfluss V steigt entsprechend steil an. Beim Erreichen von V2 wird ein Signal für das Giessende ausgelöst.
  • Mit einer gestrichelten Linie 76 ist der Reglerdruck, im vorliegenden Fall im stationären Normalbetrieb 45 mbar, angegeben. Die punktierte Linie 78 zeigt den Druckverlauf nach 3 m Länge in einer Hauptleitung mit 6 mm Innendurchmesser.
  • Aus Fig. 5 ist gut ersichtlich, dass bei geringerem Druck p in der Hauptleitung der Luftdurchfluss V grösser ist.
  • Fig. 6 zeigt, dass der Luftdurchfluss Q der Summe aller Luftverluste entspricht. Der Luftdurchfluss wird über einen Durchflussmesser 80 festgestellt.
  • Die Verluste zwischen dem Durchflussmesser und der Kokille, in Leitungen, Kupplungen, Filtern, Ventilen, Druckreglern usw., werden mit Q1 bezeichnet, die Verluste in der Kokille selbst mit Q2.
  • Im Bereich des Luftkissens 54 treten folgende Luftverluste auf:
    • - Q3: Undichtigkeiten zwischen dem Isolationsring 32 und der Kokille 14,
    • - Q4: Undichtigkeiten des Isolationsrings 32 (z.B. Risse),
    • - Qs: Blasenbildung, wenn der Druck des Luftkissens über dem maximal zulässigen Druck liegt,
    • - Q6: Reaktion der Luft mit der Schmelze und/oder dem Schmiermittel,
    • - Q7: Undichtigkeiten zwischen der Kokille und dem gegossenen Strang (Oberflächenrauhigkeit des Strangs, Zustand der Kokillenwand).
  • Die Verluste Q1 bis Q4 sind durch den Zustand der Anlage bedingt, sie müssen bei funktionsfähigen Anlagen vernachlässigbar klein sein.
  • Die Luftverluste Q5 und insbesondere Q7 lassen Rückschlüsse auf die Qualität des gegossenen Strangs zu.
  • Selbstverständlich können, wie erwähnt, anstelle der in den Beispielen aufgeführten Luft auch andere Gase, insbesondere Stickstoff oder Argon verwendet werden. Die wesentlichen Merkmale der Erfindung werden dadurch nicht beeinflusst, obwohl der Verlust Q6 verschwindet.

Claims (10)

1. Verfahren zum Einspeisen von schmelzflüssigem Metall (30) in die im oberen Bereich innenisolierten Kokillen (14) einer automatisierten Stranggiessanlage mit einem vorgeschalteten Giessofen und einem Giessrinnensystem (10), welches einen alle Kokillen (14) auf gleichem Niveau (60) mit Metall speisenden Verteilungstrog (22) umfasst, wobei im unterhalb eines Innenrings (32) liegenden Bereich ein den direkten Kontakt der Kokille (14) mit dem schmelzflüssigen Metall (30) verhinderndes Gaskissen (54) aufrecht erhalten und in dessen Bereich Oel eingespritzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine gemeinsame Hauptleitung (62) mit Verteilungsleitungen (68) Luft oder ein Inertgas mit dem gleichen, geringen Ueberdruck in alle Kokillen (14) führt, und der Relativdruck zwischen einem in Funktion der über eine Niveausonde gemessenen Metallhöhe (Hi) programmberechneten Sollwert und einem in der Hauptleitung (62) mit einem Messumformer (66) gemessenen Ist-Wert der programmgesteuerten Regelung und Ueberwachung dient, indem die Reglerfunktion mittels eines Prozessors (70) durch Abgabe eines Signals für den Aktuator (74) eines gemeinsamen Druckregelventils (64) erfüllt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der variable Aussendruck ausgeglichen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Giessbeginn, ohne flüssiges Metall (30), der Luftdurchfluss (V) pro Kokille (14) einen ersten, höheren Wert (VA) erreicht und, mit fliessendem Metall (30), kurz nach dem Unterschreiten eines zweiten, tieferen Werts (V1) für den Luftdurchfluss (V), das Absenken des Giesstisches (18) mit den Anfahrböden (28) ausgelöst wird, wobei der erste Wert (VA) bei einem eingestellten Druck von etwa 45 mbar vorzugsweise 12 - 15 NI/min, der zweite Wert (V1) etwa 8 - 10 NI/min und die Verzögerung nach dem Erreichen des zweiten Wertes etwa 5 sec beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale und der maximale Druck im Gaskissen (54) in Funktion des metallostatischen Druck eingestellt werden, wobei der minimale Druck eine Funktion der Dichte der Schmelze (p), der Erdbeschleunigung (g), des Metallstands (H1), der Grenzflächenspannung der Schmelze (30) im Bereich Isolation (32)/Kokille (14) und der Oberflächenspannung der Schmelze (30) im Bereich des Gaskissens (54), und der maximale Druck eine Funktion der Dichte der Schmelze (30), der Erdbeschleunigung (g) und der Tiefe (H2) der Abschrägung (34) des Isolationsrings (32) ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass pro Zeiteinheit unabhängig vom Leitungswiderstand allen Kokillen (14) die gleiche Menge Oel zugeführt und das Oel bevorzugt pulsweise in den Bereich des Gaskissens (54) gespritzt wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit innenisolierten Kokillen (14) einer automatisierten Stranggießanlage, einem vorgeschalteten Gießofen und einem Gießrinnensystem (10), welches einem Verteilungstrag (22) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Hauptleitung (62) für die Gaszufuhr mit anlageseitig einem Servodruckventil (64) und einem Messumformer (66) sowie rechnerseitig einen die Istdruck-Regelgrössen des Messumformers (66) und die Regelgrösse des Solldrucks vergeichenden, eine Stellgrösse für den Aktuator (74) des Druckregelventils (64) auslösenden Prozessor (70) umfasst.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass von der Hauptleitung (62) mit einem Innendurchmesser von vorzugsweise 5 - 10 cm ausschliesslich direkt zu den Kokillen (14) führende Verbindungsleitungen (68) abzweigen, wobei die Summe des Querschnitts aller Verbindungsleitungen (68) wesentlich unter dem Querschnitt der Haupleitung (62) liegt, vorzugsweise wenigstens 20%.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein obenliegender Isolationsring (32) der Kokillen (14) auf der Unterseite eine Hinterschneidung, vorzugsweise eine Anschrägung (34) mit einer Tiefe (H2) von etwa 10 mm, aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des überall gleichen Metallniveaus (60) ein auch demontierbarer Lasersensor angeordnet ist.
10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Automatisierung des Anfahrens und des Giessendes sowie zur Qualitätskontrolle während der stationären Phase des Stranggiessens.
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