DE19916190C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Stranggießen von Brammen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stranggießen von Brammen, insbesondere aus Stahl, wobei schmelzflüssiges Material über ein Gießrohr in eine Kokille als Primärkühlzone gegossen wird und anschließend ein Strang aus der Kokille abgezogen und über einen Rollenstrang als Sekundärkühl­ zone geführt wird, der Mittel zum Aufbringen eines Kühlmittels auf die Strangober­ fläche aufweist.

Grundsätzlich wird beim Gießen von Brammen zwischen Standardbrammen und Dünnbrammen unterschieden. Die Brammenformate betragen für Standardbram­ men ca. 3.500-600 × 150-400 mm und und für Dünnbrammen ca. 3.500-600 × 30-150 mm. Die Gießgeschwindigkeiten bewegen sich bei Standardbrammen zwischen 0,3-2,5 m/min und für Dünnbrammen bis max. 10 m/min. Bedeutend für ein oberflächenfehlerfreies Gießen ist eine gleichmäßige Wärmeabfuhr, insbeson­ dere in der Kokille. Folge einer ungleichmäßigen Wärmeabfuhr sind beispielswei­ se Längsrisse auf den beiden Breitseiten einer Bramme in der Kokille unmittelbar unter dem Gießspiegel.

Eine herkömmliche Stranggießmaschine (Fig. 2) setzt sich im wesentlichen zu­ sammen aus der Kokille 1 mit der Kokillenlänge 4.1, die für die Primärkühlung 1.1 des Stranges erforderlich ist, und aus der Rollenstrangführung 4.2, die nach dem Stand der Technik mit einer symmetrischen Spritzkühlung 5.1 ausgestattet ist, die für die Sekundärkühlung des Stranges notwendig ist. Symmetrische Spritzkühlung bedeutet, daß die Spritzdüsen zum Aufbringen des Kühlwassers symmetrisch zur Mittenachse über die Strangbreite mit gleichem Druck und gleicher Kühlwasser­ menge arbeiten. Es ist festzuhalten, daß in der Kokille ca. 20-30% der Energie frei wird, die bis zur Durcherstarrung der Bramme am Maschinenende abgeführt werden muß. Diese 20-30% der Energie werden über die Kupferplatten an das Kokillenkühlwasser abgegeben. Die restliche Energie wird frei im Sekundärkühlbe­ reich, der aus einem Rollenkäfig, der Rollenstrangführung auf der Los- und Fest­ seite und der Spritzkühlung besteht, die die Strangoberfläche und die Strang­ schale mit Spritzwasser symmetrisch zur Mittenachse über die Breite in der Regel bis zum Maschinenende kühlt.

Die Erstarrungszeit einer Standardbramme mit einer Dicke von beispielsweise 200 mm beträgt ca. 16 min, eine Dünnbramme mit einer Erstarrungsdicke von bei­ spielsweise 50 mm benötigt ca. 1 min für ihre Erstarrung. Somit sind die Anlagen­ längen zum Gießen der Standardbramme im Vergleich zu denen der Dünnbram­ me bei gleicher Gießleistung und einer Gießgeschwindigkeit von 1 m/min im Falle der 200 mm dicken Standardbramme 16 m bzw. im Falle der 50 mm dicken Dünn­ bramme 4 m. Dieses Beispiel zeigt, daß die spezifische Energiedichte im Falle der Dünnbramme pro m² Strangführung in erster Näherung 4 mal größer ist als bei der Standardbramme. Diese Beispiele machen deutlich, daß die Energiedichten und die Gleichmäßigkeit der Energieverteilung eine bedeutende Rolle für die Stran­ goberflächenqualität, Stranginnenqualität, koaxiale Führung des Stranges in der Rollenstrangführung, Stranggeometrie und Gießsicherheit spielen.

Zudem ist bekannt, daß die Wärmeströme in der Kokille mit steigender Gießge­ schwindigkeit und sinkender Strangdicke ansteigen und auch die Kokillenplatten auf der Heißseite belasten.

Beim Gießen von Brammen sowohl im Falle der Standardbramme als auch im Falle der Dünnbramme sind Fehler wie Längsrisse oder Schräglauf der Bramme innerhalb der Strangführung möglich. Ein Schräglauf führt zu Störungen in der Brammengeometrie - ausgedrückt als Abweichung von einer mittensymmetrischen (Keiligkeit) und konvexen (max. 2% seiner Banddicke 40 mm neben der Schmal­ seite) Brammenform, die die Ursache für die Minderung sowohl der Gießsicherheit als auch der Walzsicherheit und Warmbandqualität darstellen.

Weiterhin ist am Innenleben einer Bramme mit Hilfe von Untersuchungen im Be­ reich der Enderstarrungsstruktur anhand von Kernlockerungen bzw. der Seigerun­ gen häufig festzustellen, daß die Bramme nicht gleichförmig über die Brammen­ breite zur Enderstarrung kommt. Begleitet wird diese zur Mittenachse in Gießrich­ tung (Z) (vgl. Fig. 2) unsymmetrische Sumpfspitzenlage 6.1 von einer Auslen­ kung 7 des Brammenverlaufs aus der Maschinenmittenachse in Breitenrichtung (X) am Ende der Strangführung.

Es ist bekannt, die Wärmestromverteilung in der Kokille zu messen. Eine dieser Methoden der Wärmestrommessung ist die integrale Messung jeder einzelnen Kokillenplatte (DE 41 17 073 A1). Allerdings geben diese Messungen keine über die Breite einer Breitseitenplatte 1.2 differenzierte und über die Kokillenlänge 4.1 inte­ gralen Meßwerte wieder.

Es ist auch bekannt, mit Hilfe von Thermoelementen, die in die Kokillenplatte gleichförmig verteilt eingelassen sind, diskrete Temperaturen und Wärmeströme zu messen. Allerdings handelt es sich um diskrete Messungen, die nur mit hohem Aufwand integrale und über die Kokillenbreite differenzierte Meßwerte zulassen.

Ein anderes, relativ einfaches Meßsystem stellt die Messung der Wärmeströme bzw. der Temperaturanstiege an den Auslauföffnungen zwischen der Kokillen­ platte und dem Wasserkasten (DE 197 22 877 A1) dar, in Fig. 2 schematisch darge­ stellt. Hier werden mit Wassertemperatur-Meßfühlern 9.1 die Temperaturanstiege über die Breitseiten 1.2 der Kokille 1 einzeln gemessen und mit Hilfe der jeweili­ gen partiellen Wassermenge 10.1 die partiellen Wärmeströme 11.1 ermittelt. Die Summe dieser Meßwerte 10.1 und 11.1 ist gleich den Gesamtwerten, die am Ko­ killeneingang und -ausgang gemessen werden.

Aus der DE 196 12 420 A1 ist ein Verfahren und eine Steuerung der Kühlung eines Stranges einer Stranggießanlage bekannt, bei der die Kühlung bzw. das Erstarrungsverhalten des Stranges durch die zur Kühlung des Stranges verwendete Kühlmittelmenge sowie durch die Art der Kühlmittelaufbringung beeinflußt werden kann, wobei die notwendige Kühlmittelmenge bzw. -aufbringungsart in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Solltemperaturverteilung im Strang ermittelt wird.

Ausgehend von einem derartigen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufga­ be zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stranggießen von Brammen vorzuschlagen, mit denen es möglich wird, eine symmetrische Enderstarrung bzw. symmetrische Brammengeometrie und eine über die Breite mittensymmetrische Energie- und Temperaturverteilung sicherzustellen.

Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen der Anspruchs 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen offenbart.

Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß die Ursachen der Fehler, wie der un­ symmetrische Enderstarrungsverlauf, d. h. eine unsymmetrische Sumpfspitzenla­ ge, und die Auslenkung der Bramme aus der Mittenachse (Z), die auch eine un­ symmetrische Geometrie der Bramme in Form einer Keilbildung nach sich zieht, bereits in einer unsymmetrischen Wärmeabfuhr über die Breite der Kokille zu su­ chen sind. Diese Störungen beim Gießen von Brammen sind auf die ungleichför­ mige Wärmeabfuhr über die Kokillenbreite, ausgedrückt als 'hot spots' oder 'cold spots' zurückzuführen, die beispielsweise durch ungleichförmige Schlackenbildung und/oder Schmelzeturbulenzen in der Kokille und im Gießspiegel speziell im Be­ reich des Tauchausgusses verursacht werden.

Es ist nun die unerwartete erfinderische Lösung der oben gestellten Aufgabe, Ab­ weichungen dieser ungleichmäßigen Energieverteilungen, insbesondere Wär­ mestromverteilungen, von einer symmetrischen Wärmestromverteilung vorzugs­ weise am Kokillenaustritt zur Regelung eines dynamischen Spritzsystems, das über die Strangbreite der Rollenstrangführung frei wählbare Wasserverteilungen realisieren kann, zu nutzen.

Durch Regelung der Kühleinrichtung der Sekundärkühlzone in Abhängigkeit der Wärmestromverteilung in der Primärkühlzone ist eine symmetrische Energie- und Temperaturverteilung über die Brammenbreite einstellbar. Hieraus ergibt sich eine symmetrische Brammenform. Die unerwünschte Keiligkeit der Bramme wird un­ terdrückt, ebenso wie der Schräglauf (Säbeligkeit). Es ist ein koaxialer Lauf der Bramme mit der Strangführung in Z-Richtung erreichbar. Zudem ist eine hohe Gießsicherheit und eine verbesserte Strangoberflächen- und Stranginnenqualität möglich.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung: Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Stranggießvorrichtung beste­ hend aus Kokille und Rollenstrangführung mit der erfindungsgemäß geregelten Kühlung der Sekundärkühlzone;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer Stranggießvorrichtung nach dem Stand der Technik;

Fig. 3a, b Darstellungen von Wärmestromverteilungen über die Kokillenbreite über die Zeit der Fest- und Losseite der Kokille.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Stranggießkokille 1 mit der Kokillenlänge 4.1, die der Primärkühlzone 4.1 entspricht, sowie eine Rollenstrangführung 4.2 als Sekun­ därkühlzone.

Die Stranggießkokille 1 besteht aus zwei Breitseiten 1.2 und zwei Schmalseiten 1.3, in die flüssiger Stahl mit Hilfe eines Tauchausgusses 2 unter Einsatz von Gießpulver 3 eingeleitet wird. Mit 1.1. sind eine Wasserzu- und ableitung für die Primärkühlung bezeichnet, mit 1.4 der Gießspiegel. Der Kokillenaustritt ist mit 1.5 gekennzeichnet.

Beim Gießprozeß und den Erstarrungsvorgängen in der Strangkokille kommt es zu einer ungleichmäßigen Wärmestromverteilung. Wärmestromspitzen in der Ko­ killenplatte oder 'hot spots' 12, (hier beispielhaft gezeigt) bzw. Wärmestromsenken ('cold spots'), führen zu einer Unterkühlung bzw. zu einer Überhitzung sowohl in der Strangschale als auch im Stranginneren, das aus flüssigem Stahl besteht. Diese lokalen Temperaturunterschiede werden mittels Wassertemperatur- Meßfühlern 9.1 gemessen und mit Hilfe der jeweiligen partiellen Wassermenge 10.1 die partiellen Wärmeströme 11.1 ermittelt. Es wird die Abweichung der er­ mittelten Temperatur- bzw. Wärmestromverteilung von einer zur Strangmittenach­ se symmetrischen Temperatur- bzw. Wärmestromverteilung am Kokillenaustritt 1.5 ermittelt. In Abhängigkeit von diesem Wert kommt es zu einer Regelung der Se­ kundärkühlung über die Breite und Länge der Rollenstrangführung durch individu­ elle Ansteuerung der Spritzdüsen hinsichtlich Menge und Verteilung. Somit kann die ungleichmäßige Wärmestromverteilung durch eine dynamische Spritzkühlung 5.2, die über die Breite variabel arbeiten kann, im Bereich der Rollenstrangführung 4.2 wieder abgebaut werden. Hierdurch wird sowohl die Brammenenergie als auch die Brammenoberflächentemperatur über die Brammenbreite symmetrisch zur Brammenmittenachse (Z), womit eine Auslenkung der Bramme 7.1 geringer bzw. unterdrückt wird und der Strang koaxial zur Mittenachse der Strangführung ver­ läuft. Gleichzeitig weist die Bramme eine symmetrische Geometrie 8.1 ohne eine störende Keiligkeit bei symmetrischer Strangführung auf.

Die Sekundärkühlzone der Rollenstrangführung 4.2 ist in unabhängig arbeitende Spritzzonen 5.2.1 eingeteilt, die sich entlang der Längsachse der Rollenstrangfüh­ rung erstrecken. In Bereichen von hot spots in der Kokillenplatte der Primärkühl­ zone kommt es zu Unterkühlungen im Strang, diese Bereiche werden in der Se­ kundärkühlzone weniger gekühlt. Aufgrund der geregelten Kühlung in der Sekun­ därkühlzone ergibt sich eine Bramme mit einem symmetrischen Erstarrungsverlauf 6.2.

Folgende Einrichtungen sind zur Durchführung des Verfahrens notwendig: Wär­ mestrommessung oder Temperaturmessung über die Kokillenbreite über die Zeit am Kokillenausgang, unabhängige Spritzzonen über die Kokillenbreite 5.2.1 in der Rollenstrangführung 4.2 bzw. Sekundärkühlzone, eine Meßeinrichtung 14, vor­ zugsweise am Ende der Sekundärkühlzone, zur Bestimmung der Strangauslen­ kung 7.1 von der Strangführungsmittenachse in X-Richtung und/oder zur Bestim­ mung der Stranggeometrie 8.1 (Keiligkeit/Balligkeit) und/oder eine Meßeinrichtung 14 zur Bestimmung der Brammentemperatur 14.1 über die Brammenbreite. Eine Auslenkung des Brammenverlaufs (7.1) wird vorzugsweise mittels eines optischen Systems oder mittels einer Zeilenkamera ermittelt. Die Brammengeometrie 8.1, wie Keiligkeit und Balligkeit, wird vorzugsweise mittels eines Systems bestimmt, das auf dem Prinzip elektromagnetischer Wellen arbeitet. Zur Aufnahme der Brammengeometrie sind auch mechanische Systeme denkbar. Die Temperatur­ verteilung 14.1 wird ebenfalls mittels optischer Systeme bzw. einer Zeilenkamera ermittelt.

Die Energie- bzw. Temperaturverteilung in Breitenrichtung (X) am Kokillenaus­ gang 1.5 über die Zeit wird vorzugsweise mittels Thermoelementen, die gleichför­ mig verteilt in den Kupferplatten der Schmal- und Breitseiten 1.2 und 1.3 der Ko­ kille 1 eingebracht sind, diskret gemessen und über eine "online"- Datenverarbeitung bestimmt.

Des weiteren sind zwischen den Strangführungsrollen 4.3 der Rollenführung 4.2 Meßeinrichtungen zur Bestimmung der Strangoberflächentemperatur über der Strangbreite angeordnet.

Fig. 2 zeigt im Vergleich hierzu eine Kokille 1 mit einer Rollenstrangführung 4.2 und einer symmetrisch über die Brammenbreite (X) spritzenden Spritzkühlung 5.1 nach dem Stand der Technik. Entsprechende Bauteile der Fig. 2 sind mit den gleichen Bezugszeichen der Fig. 1 bezeichnet. Aufgrund der symmetrischen Spritzkühlung kommt es zu einem unsymmetrischen Enderstarrungsverlauf 6.1. Die Brammengeometrie ist unsymmetrisch.

Fig. 3 stellt die im Produktionsbetrieb gemessene, über die Kokillenlänge 4.1 in­ tegrale und über die Kokillenbreite (Y) partielle Wärmestromverteilung in Abhän­ gigkeit von der Gießzeit sowohl für die Festseite (Fig. 3a) als auch für die Losseite (Fig. 3b) dar. Diese dreidimensionalen Wärmestrombilder der Los- und Festseite, die die partiellen Wärmeströme 11.1 als 'online'-Bilder über die Gießzeit (t) darstellen, lassen erkennen, daß die Wärmestromdichte einer Kokillenplatte nicht gleichförmig über die Kokillenbreite (Y) und gleichzeitig sich nicht stetig über die Gießzeit (t) verhält, sondern ständig über Ort und Zeit wechselt. So entstehen sowohl über die Breite (Y) als auch über die Zeit (t) 'hot spots' oder Wärmestrom­ spitzen 12 in der Kokillenplatte bzw. 'cold spots' oder Wärmestromsenken 13, die beim Stand der Technik durch die symmetrische Spritzkühlung 5.1 in der Rol­ lenstrangführung 4.2 eingefroren werden und in der Konsequenz zu einer unsym­ metrischen Enderstarrung 6.1 und einer unsymmetrischen Sumpfspitze und Tem­ peraturverteilung, in Breitenrichtung (X) gesehen, führen.

Bezugszeichenliste

(

1

) Kokille
(

1.1

) Primärkühlung
(

1.2

) Breitseiten
(

1.3

) Schmalseiten
(

1.4

) Gießspiegel
(

1.5

) Kokillenaustritt
(

2

) Tauchausguß
(

3

) Gießpulver
(

4.1

) Kokillenlänge
(

4.2

) Rollenstrangführung
(

4.3

) Strangführungsrollen
(

5.1

) symmetrische Spritzkühlung über die Brammenbreite
(

5.2

) dynamische Spritzkühlung über die Brammenbreite
(

5.2.1

) unabhängig arbeitende Spritzzonen über die Brammenbreite
(X) Breitenrichtung
(Z) Gießrichtung, Mittenachse der Strangführung
(

6.1

) unsymmetrischer Enderstarrungsverlauf
(

6.2

) symmetrischer Enderstarrungsverlauf
(

7

) Auslenkung des Brammenverlaufs in Breitenrichtung (X)
(

7.1

) minimierte Auslenkung des Brammenverlaufs in Breitenrichtung (X)
(

8

) unsymmetrische Brammengeometrie aufgrund von Keilbildung der Bram­ menquerschnittsform
(

8.1

) symmetrische Brammengeometrie aufgrund minimierter Keilbildung der Brammenquerschnittsform
(

9.1

) Wassertemperatur-Meßfühler an den Übergängen Kokillenplat­ te/Wasserkasten
(

10.1

) partielle Wassermenge pro Übergang Kokillenplatte/Wasserkasten
(

11.1

) partielle Wärmeströme an den Übergängen Kokillenplatte/Wasserkasten
(t) Gießzeit
(

12

,

13

) "hot spots" oder Wärmestromspitzen in der Kokillenplatte bzw. "cold spots"
(

14

) Meßeinrichtung
(

14.1

) Brammentemperatur

Claims (6)

1. Verfahren zum Stranggießen von Brammen, insbesondere aus Stahl, wobei schmelzflüssiges Material über ein Gießrohr in eine Kokille als Primärkühl­ zone gegossen wird und anschließend ein Strang aus der Kokille abgezo­ gen und über einen Rollenstrang als Sekundärkühlzone geführt wird, der Mittel zum Aufbringen eines Kühlmittels auf die Strangoberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Schritte ablaufen:
Ermittlung einer über die Kokillenbreite differenzierten Energie- bzw. Tempe­ raturverteilung der Primärkühlungszone an einer definierten Stelle der Ko­ kille als ein erster Istwert eines Regelkreises,
Bestimmung der Abweichung des Istwertes von einer zur Strangmittenach­ se symmetrischen Energie- bzw. Temperaturverteilung als Sollwert,
Regelung der Sekundärkühlung über die Breite und Länge der Rol­ lenstrangführung (4.2) in Abhängigkeit der Abweichung von Ist- zu Sollwert durch individuelle Ansteuerung der Mittel zum Aufbringen des Kühlmittels hinsichtlich der Menge des Kühlmittels
sowie Ermittlung von physikalischen Eigenschaften der Bramme (14.1) und/oder der Auslenkung des Brammenverlaufs (7.1) und/oder der Bram­ mengeometrie (8.1) in der Sekundärkühlzone als ein zweiter Istwert, der in den Regelkreis eingeht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie- bzw. Temperaturverteilung der Primärkühlungszone am Kokillenaustritt (1.5) ermittelt wird.

3. Vorrichtung zum Stranggießen von Brammen, insbesondere aus Stahl, umfassend eine Stranggießkokille als Primärkühlzone, in die schmelzflüssi­ ges Material mittels eines Gießrohrs gießbar ist, sowie einen Strangab­ zugrollenstrang als Sekundärkühlzone mit Mittel zum Aufbringen eines Kühlmittels auf die Strangoberfläche, wobei die Kokille Mittel aufweist zur Ermittlung der Energie- bzw. Temperaturverteilung über die Kokillenbreite über die Zeit, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zum Aufbringen des Kühlmittels in der Sekundärkühlzone in­ dividuell in Abhängigkeit der Abweichung der Energie- bzw. Temperatur­ verteilung über die Kokillenbreite über die Zeit als Istwert von einer zur Strangmittenachse symmetrischen Energie- bzw. Temperaturverteilung als Sollwert regelbar sind
und daß zur Ermittlung der physikalischen Eigenschaften der Bramme (14.1) und/oder der Auslenkung des Brammenverlaufs (7.1) und/oder der Brammengeometrie (8.1) in der Sekundärkühlzone Meßsysteme (14) vor­ gesehen sind, deren Meßwerte ebenfalls in den Regelkreis eingehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Meßsystemen (14) um optische oder elektromagneti­ sche Systeme handelt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Aufbringen eines Kühlmittels in der Sekundärkühlzone zu sich längs der Kokillenachse erstreckenden Kühlmittelzonen (5.2.1) zu­ sammengefaßt sind, wobei jede Zone individuell regelbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ermittlung der Temperatur- bzw. Energieverteilung Ther­ moelemente sind, die gleichförmig verteilt in den Kupferplatten der Schmal- und Breitseiten (1.2, 1.3) der Kokille eingebracht sind.