AT515566A1 - Verfahren zur Kühlung von flüssigkeitsgekühlten Kokillen für metallurgische Prozesse - Google Patents

Abstract

Um beim Stranggießen oder Umschmelzen von Stählen und Legierungen eine über den Meniskus des Metallspiegels fortschreitende Erstarrung zu vermeiden, werden die Kühlbedingungen so eingestellt, dass bei Eintrittstemperaturen des Kühlmittels bei Raumtemperatur oder auch erheblich darüber Austrittstemperaturen des Kühlmittels von mindestens 80 °C erreicht werden. Als Kühlmittel kommen unter Druck stehendes Wasser, unter 100 °C flüssige Metalle sowie über Raumtemperatur und bis mindestens 200 °C flüssige ionische Flüssigkeiten (Salzschmelzen) in Betracht, wobei die Temperaturdifferenzen zwischen Kühlmitteleintritt und - austritt in der Kokille zwischen 5 °C und 150 °C betragen können.

Description

Verfahren zur Kühlung von flüssigkeitsgekühlten Kokillenfür metallurgische Prozesse

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Kühlungflüssigkeitsgekühlter Kokillen, welche in Anlagen zum Stranggießen undUmschmelzen Anwendung finden und zur Herstellung von Strängen oder Blöckenaus Stählen und Metallen wie z.B. Aluminium, Kupfer, Nickel und Kobalt und derenLegierungen verwendet werden.

Die dafür verwendeten Kokillen bestehen üblicherweise aus einem legierten oderunlegierten Kupfereinsatz, der in einen sogenannten, meist aus einer Stahl-Schweißkonstruktion bestehenden „Wassermantel“ eingebaut ist, wobei dieWärmeabfuhr durch das durch den Spalt zwischen Kokilleneinsatz undWassermantel durchlaufende Kühlwasser bewirkt wird. DieStrömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers muss dabei so groß sein, dass eineDampfblasenbildung auf der Wasserseite des Kokilleneinsatzes vermieden wird.

Außer den oben beschriebenen, aus Kokilleneinsatz und Kühlmantel bestehendenKokillen, werden auch sogenannte Plattenkokillen aus Kupfer eingesetzt, welcheentweder über Bohrungen verfügen, durch welche die Kühlflüssigkeit geleitet wirdoder aber an der Kühlwasserseite über ausgefräste Nuten verfügen, die alsKühlkanäle dienen und die durch eine aufgeschraubte Stahlplatte abgedichtetwerden.

Bei allen diesen dem Stand der Technik entsprechenden Kokillenarten erfolgt dieErstarrung des flüssigen Metalls im Kontakt mit der Innenwand und die Abfuhr derWärme von der mit dem Kühlmittel in Kontakt stehenden Außenwand desKokilleneinsatzes.

Derartige Kokillen sind in Verwendung in Stranggießanlagen, wie auch in Anlagenzum Umschmelzen selbstverzehrender Elektroden entweder in einem heißenSchlackenbad - dem Elektroschlacke-Umschmelzverfahren - oder durch einenLichtbogen unter Vakuum - dem Vakuum-Lichtbogen Umschmelzverfahren.

Beim Stranggießen wird das zu vergießende flüssige Metall von einemVerteilergefäß (Tundish) in eine oder mehrere wassergekühlte oszillierendeKupferkokillen vergossen. Die verwendeten Kokillen sind nach unten offen undkönnen auch eine gewisse Konizität haben. In der Kokille entsteht eine erstetragfähige Strangschale welche kontinuierlich aus der Kokille abgezogen wird. Umdie Reibung zwischen Strang und Kokilleninnenwand gering zu halten und denflüssigen Stahl gegen den Atmosphäreneinfluss zu schützen, werdenGießpulverschlacken verwendet.

Bei den Umschmelzverfahren wird ein bereits erstarrter Metallblock(selbstverzehrende Elektrode) in einer elektrisch leitenden Schlacke oder unterVakuum durch einen Lichtbogen abgeschmolzen. Der flüssige Stahl sammelt sich ineinem flüssigen Metallsumpf der sich in einer wassergekühlten Kokille befindet understarrt in dieser zu einem Umschmelzblock. Beim Umschmelzen können einerseitsnach unten offene Kokillen (Gleitkokillen) und andererseits nach unten geschlosseneKokillen (Standkokillen) verwendet werden. Je nach Ausführungsart können dieKokillen eine gewisse Konizität aufweisen. Bei Verwendung einer Gleitkokille wirdder Umschmelzblock nach unten aus der Kokille mit Hilfe einer verfahrbarenBodenplatte abgezogen. Es sind auch Anlagen in Betrieb welche mit einer nach obenverfahrbaren Kokille und einer fixen Bodenplatte ausgerüstet sind.

Bei den oben genannten Verfahren erfolgt die Ersterstarrung des flüssigen Metalls indirektem Kontakt mit der Kupferkokille oder in Kontakt mit einer erstarrtenSchlackenschicht, welche sich zwischen Strang- bzw. Umschmelzblock und Kokillebilden kann. Die Ausbildung einer festen Schlackenschicht ist hauptsächlich von denGieß- bzw. Umschmelzparametem sowie vom Schrumpfverhalten der Stahlqualitätabhängig. Dem Stand der Technik entsprechend werden die Kokillen für dasStranggießen und das Umschmelzen durch umlaufendes Wasser eineskonventionellen Wasserkreislaufs gekühlt, der meist aus einemKühlwasservorratstank, einem Pumpensatz sowie einem Wärmetauscher bestehtund Schieber, Ventile, Mess- und Regelgeräte zum Zweck der Kontrolle undSteuerung des Wasserdurchlaufs aufweist.

Wasser hat üblicherweise eine vergleichsweise geringe Betriebstemperatur.Beispielhaft kann hier eine maximale Vorlauftemperatur von 50 - 60 °C bei einerTemperaturdifferenz zwischen der Kühlwasservorlauf- und -Rücklauftemperatur (ΔΤ)von etwa 10 °C genannt werden. Diese geringe Temperatur des Wassers führt zueinem starken Kühleffekt aufgrund des sich einstellenden hohenTemperaturgradienten zwischen Stahl und Kokilleninnenwand. Diese starkeKühlwirkung kann zu einer Erstarrung des Meniskus des flüssigen Stahls an derGrenzlinie flüssiges Metall und Atmosphäre oder Schlacke führen. Wird der bereitserstarrte Meniskus durch lokale Strömungsturbulenzen im flüssigen Stahl oder durcheinen Anstieg des flüssigen Metallspiegels in der Kokille von flüssigem MetallÜberflossen, kommt es zu Oberflächenfehlern, welche in der Strangguss-Literatur alssogenannte „Haken“ bezeichnet werden. Beim Umschmelzen in Gleitkokillen kann eszudem beim Blockabzug zu einem Aufreißen der festen Schlackenschicht kommen.Dies ermöglicht dem flüssigen Metall ebenfalls den bereits erstarrten Meniskus zuüberfließen und es kommt zu sogenannten „Tränen“ oder „Metallfinnen“. Dieses„Überfließen“ kann auch durch eine über den Meniskus vorauseilendeErstarrungsfront auftreten, welche sich aus der starken Kühlwirkung des Wassersergibt. Diese Oberflächenfehler am fertigen Strang bzw. Umschmelzblockerschweren eine nachfolgende Weiterverarbeitung der Gussprodukte.

Aus den oben erwähnten Gründen ist es daher wünschenswert, dass dieErsterstarrung des flüssigen Metalls erst unterhalb des Meniskus einsetzt und dasssich flüssiges Metall vor der Erstarrungszone befindet. In diesem Fall kann eineglatte Oberflächenbildung erzielt werden.

Um das zu erreichen ist es erforderlich, den Temperaturgradienten imMeniskusbereich zu verringern was durch eine verringerte Wärmeabfuhr bewirktwerden kann und so eine Erstarrung des Metalls im Bereich des Meniskusverhindert.

In der Vergangenheit sind einige Versuche gemacht worden die Wärmeabfuhr zusenken. Es ist bekannt, dass eine definierte Rauigkeit auf der Oberfläche der Kokilleaufgebracht werden kann. Die in den Rillen eingeschlossene Luft wirkt isolierend aufdie Wärmeabfuhr und verringert diese dadurch. In der Literatur wird auch eine Möglichkeit beschrieben den oberen Teil der Kokille im Bereich der GrenzschichtSchlacke - Stahl durch einen Feuerfesteinsatz oder Keramikeinsatz zu isolieren. Esgibt auch den Vorschlag, die Kokille auf der Innenwand mit einem anderen Materialals Kupfer zu beschichten.

Alle diese Verfahren waren aber nur bedingt erfolgreich bzw. haben keinereproduzierbaren Ergebnisse erbracht.

In keiner der dem heutigen Stand der Technik entsprechenden Maßnahmen wurdeversucht über eine Erhöhung der Kühlmitteltemperatur die Wärmeabfuhr zubeeinflussen, da dies bei Verwendung von Wasser als Kühlflüssigkeit nur bedingtmöglich ist.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen bei dem dieKokilleninnenwandtemperatur erhöht und dadurch die Wärmeabfuhr gesenkt wirdunter Verwendung von Flüssigkeiten, welche mit höheren Betriebstemperaturen alsWasser bei Atmosphärendruck zum Einsatz kommen.

Eine Möglichkeit auf die das erfindungsgemäße Verfahren abzielt ist esbeispielsweise den Kühlwasserkreislauf der Kokille als Druckkreislauf auszuführen.Dadurch kann die Wassertemperatur auf bis zu 180°C gesteigert werden, waseinem Wasserdruck von ca. 11 - 14 bar entspricht. Dieser Lösungsansatz erforderteine anlagentechnische Beherrschung des Druckkreislaufes, wobei auchsicherheitstechnische Aspekte mitberücksichtigt werden müssen.

Eine andere, im Vergleich zu einem Druckwasserkreislauf einfachere Lösung ist es,die Kokille mit Flüssigmetall oder Salzschmelzen zu kühlen, welche in einem demüblichen Wasserkreislauf vergleichbaren Druckbereich betrieben werden können. Dieeinzige Modifikation betrifft hier die Dichtringe der bestehenden Kokillen, welche füreine Verwendung bei höheren Temperaturen geeignet sein müssen.

Für diesen Zweck geeigneten Salzschmelzen werden in der Literatur auch alsionische Flüssigkeiten bezeichnet. Ionische Flüssigkeiten zeichnen sich dadurch aus,dass sie in einem Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 600 °C vorzugsweise zwischen Raumtemperatur und 300 °C flüssig sind, ohne dass dafüreine Druckerhöhung notwendig ist. Im Prinzip können alle an sich bekanntenionischen Flüssigkeiten verwendet werden. Arten und Herstellungsverfahren vonionischen Flüssigkeiten sind WO 2005/021484, WO 2008/052860, WO 2008/052863und WO 2013/113461 zu entnehmen. An dieser Stelle wird angemerkt, dass dieKühlung der Kokille wie bei der, dem Stand der Technik entsprechendenWasserkühlung indirekt ausgeführt ist, das heißt, das Kühlmedium kommt nicht indirekten Kontakt mit dem flüssigen zu vergießenden Metall.

Eine Anwendung von Flüssigmetallen und Salzschmelzen für die direkte Kühlungunterhalb der Kokille eines Strangs als Alternative zu einer Sekundärkühlung mitSprühwasser beim Stranggießen wird in der WO 2004/076096 beschrieben.

Um die Bedingungen für die Primärerstarrung während des Prozesses konstant zuhalten, ist es erforderlich eine kontrollierte und definierte Wärmeabfuhr aus derKokille zu gewährleisten. Zu diesem Zweck wird gleich wie bei der Verwendung vonWasser als Kühlmittel entweder der Durchfluss des verwendeten Kühlmediumsgeregelt (durchflussgeregelt) oder andererseits eine bestimmte Temperaturdifferenzzwischen Kokillenvorlauf und -rücklauf eingestellt (ΔΤ-geregelt), wobei hier höhereTemperaturdifferenzen als bei konventioneller Wasserkühlung möglich sind.

Die abgeführte Wärme wird über einen Wärmetauscher abgeführt bzw.rückgewonnen, so dass eine konstante Einlauftemperatur des Kühlmittelssichergestellt werden kann.

Durch die sehr hohe Differenz zwischen Eintritts- und Austrittstemperatur desKühlmediums wird eine sehr große Menge an Abwärme frei, welche ganz oderteilweise in die Atmosphäre entweichen würde. Durch die Verwendung einesWärmetauschers kann diese rückgewonnene Wärme in einen Heizkreislaufeingespeist werden. Desweiteren kann durch ein dem Wärmetauschernachfolgendes geeignetes Aggregat ebenfalls diese Abwärme zur Dampf- und inweiterer Folge zur Stromerzeugung genutzt werden.

Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von Flüssigmetall oder Salzschmelzen ist,dass bei Schäden an der Kokille keine Reaktion des Kühlmittels mit dem zuvergießenden oder umgeschmolzenen flüssigen Metall auftritt.

Der wesentliche Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass durch dieVerwendung von unter erhöhtem Druck stehendem Wasser bzw. von flüssigenMetallschmelzen oder ionischen Flüssigkeiten ein positiver Effekt auf die Qualität desStranges bzw. Umschmelzblockes erreicht wird. Durch die höhere Temperatur dieserKühlmedien wird die Ersterstarrung des Metalls so verzögert, dass diese erstunterhalb des Meniskusbereiches einsetzt.

Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur Kühlungflüssigkeitsgekühlter, meist aus Kupfer bestehender Kokillen, zum Stranggießen oderUmschmelzen selbstverzehrender Elektroden aus Stählen bzw. Metallen, beiwelchem die Kühlwirkung des verwendeten Kühlmittels im Vergleich zu Wasserdadurch stark reduziert wird, sodass die primäre Erstarrung des flüssigen Metallsverzögert wird und erst unterhalb des Meniskus im Kontakt mit der Kokillenwanderfolgt. Um diesen Zweck zu erreichen, wird die Durchflussmenge des Kühlmittelsbei Eintrittstemperaturen von Raumtemperatur, aber auch erheblich darüber soeingestellt, dass eine Austrittstemperatur des Kühlmittels von über 80 °C erreichtwird.

Die Temperaturdifferenz zwischen Kühlmitteleintritt und -austritt kann zur Erzielungdes erfindungsgemäßen Zwecks dabei zwischen 5 °C und maximal 150 °C betragen. Für die Erzielung guter Bedingungen wird vorzugsweise eine Eintrittstemperatur desKühlmittels zwischen 60 °C und 100 °C gewählt und die Austrittstemperatur beiTemperaturdifferenzen zwischen 40 °C und 100 °C auf 100 °C bis 200 °C eingestellt.Um die erfindungsgemäß geforderten Temperaturen des Kühlmittels zu erreichen,kann grundsätzlich unter Druck stehendes Wasser verwendet werden. Dabei ist eserforderlich, den Druck im Kreislauf so einzustellen, dass eine Bildung vonDampfblasen im Kontakt mit der Kokillenwand verhindert wird.

Vorteilhaft ist auch die Verwendung von Metallschmelzen, die unter 100 °C flüssigsind.

Eine besonders günstige Lösung stellt die Verwendung ionischer Flüssigkeiten mitund ohne Wasseranteil dar, die über Raumtemperatur und bis mindestens 200 °Cflüssig sind. Für eine effektive Steuerung und Kontrolle der Erstarrungsvorgänge des flüssigenMetalls in der Kokille ist eine definierte Steuerung der Temperaturdifferenz zwischenEintritt und Austritt des Kühlmittels im Bereich von mindestens 5 °C und maximal150°C erforderlich. Wesentlich ist dabei einerseits die Einhaltung der jeweilsgewählten bzw. gewünschten Temperaturdifferenz bei einer definiertenKühlmitteleintrittstemperatur, die durch Rückkühlung des Kühlmittels in einemWärmetauscher eingehalten werden kann.

Ein für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneterKühlkreislauf verfügt über einen Vorratstank als Ausgleichsbehälter für dasKühlmittel, und eine Umwälzpumpe, mittels welcher das Kühlmittel durch dieStranggieß- bzw. Umschmelzkokille und einen Wärmetauscher gefördert wird, sowieentsprechende Ventile und Messgeräte zur Überwachung und Steuerung.

Der Kühlkreislauf kann sowohl offen ausgeführt sein, sodass der Vorratstank aufAtmosphärendruck liegt oder auch geschlossen mit einem unter Druck stehendenVorratstank.

Claims (10)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Kühlung flüssigkeitsgekühlter, meist aus unlegiertem oderlegiertem Kupfer bestehender Kokillen zur Herstellung von Blöcken oderSträngen aus Metallen, vorzugsweise aus unlegierten oder legierten Stählenund Nickelbasislegierungen, in Anlagen zum Stranggießen oder zumUmschmelzen selbstverzehrender Elektroden unter Schlacke oder durchLichtbogen unter Vakuum, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwirkungder Kokille im Vergleich zu einer üblichen Kühlung mit Wasser so reduziertwird, dass die Erstarrung des Metalls im Kontakt mit der durch das Kühlmittelgekühlten Kokillenwand so verzögert wird, dass die Erstarrung erst unterhalbdes Meniskus einsetzt, wobei die Eintrittstemperatur des Kühlmittels in dieKokille bei Raumtemperatur aber auch erheblich darüber liegen kann und dieDurchflussmenge des Kühlmittels so eingestellt wird, dass eineAustrittstemperatur des Kühlmittels von über 80 °C erreicht wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieTemperaturdifferenz zwischen Ein- und Austrittstemperatur des Kühlmittels indie bzw. aus der Kokille mindestens 5 °C und maximal 150 °C beträgt.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass alsKühlmittel unter erhöhtem Druck stehendes Wasser verwendet wird.
4. 4. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass alsKühlmittel eine unter 100 °C flüssige Metallschmelze verwendet wird.
5. 5. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass alsKühlmittel eine ionische Flüssigkeit, die auch über einen Wasseranteil verfügenkann und über Raumtemperatur und mindestens bis 200 °C flüssig ist,verwendet wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel in einem Wärmetauscher auf die gewünschte Kühlmitteleintrittstemperatur rückgekühlt wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,dass die rückgewonnene Wärme thermisch genützt wird.
8. 8. Anlage zur Durchführung eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Kühlmittel enthaltender Kühlkreislaufgeschlossen ausgeführt ist und über eine Umwälzpumpe verfügt mittelswelcher das Kühlmittel durch eine Stranggieß- oder Umschmelzkokillegefördert wird und dass der Kühlkreislauf weiters mit einem Kühlmittelvorratstank oder Ausgleichsbehälter sowie einem Wärmetauscherzur Rückkühlung der Temperatur des Kühlmittel ausgestattet ist sowie dieerforderlichen Ventile und Messgeräte zur Überwachung und Steuerung desKühlkreislaufs enthält.
9. 9. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Kühlmittelkreislauf alsDruckkreislauf ausgeführt ist.
10. 10. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 8 und 9,dadurch gekennzeichnet, dass die im Wärmetauscher rückgewonneneWärme in einen Heizkreislauf eingespeist wird bzw. zur Dampf- und in weitererFolge zur Stromerzeugung genutzt wird.