ES2218901T3 - Lingotera para la colada continua de barras metalicas esencialmente poligonales. - Google Patents
Lingotera para la colada continua de barras metalicas esencialmente poligonales.Info
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Abstract
LA COQUILLA PARA COLADA EN CUERDA DE RAMALES ESENCIALMENTE POLIGONALES ABARCA UN ESPACIO HUECO DE MOLDEO (10) CON UNA ABERTURA DE ENTRADA (11), UNA ABERTURA DE SALIDA (12), UN CONO DE FUNDICION (10'') Y AL MENOS TRES ZONAS DE ESQUINA (13) DISPUESTAS A LO LARGO DE SU PERIMETRO, ASI COMO TRES ZONAS INTERMEDIAS (14'',14'''',14'''''',14'''''''') CON CONICIDAD DIFERENTE. LA CONICIDAD VARIA AL MENOS EN UNA LONGITUD PARCIAL (15) DEL CONO DE FUNDICION (10'') A LO LARGO DE SU LINEA PERIMETRICA (26) DE TAL MODO, QUE CADA TRAMO (26'', 26'''', 26'''''',26'''''''') DE LA LINEA PERIMETRICA (26) ENTRE LAS ZONAS DE ESQUINA (23) FORMA UNA CURVA LISA Y LA CONICIDAD (K) DECRECE EN UNA O MULTIPLES ZONAS INTERMEDIAS (14'',14'''',14'''''', 14'''''''') EN LA SUPERFICIE DE CORTE TRANSVERSAL (25) DESDE LAS ZONAS DE ESQUINA (13) QUE LIMITAN RESPECTIVAMENTE LAS ZONAS INTERMEDIAS (14'',14'''',14'''''',14'''''''') HACIA LA MITAD (32) DE LA ZONA INTERMEDIA (14'',14'''',14'''''',14'''''''').
Description
Lingotera para la colada continua de barras
metálicas esencialmente poligonales.
La presente invención se refiere a una lingotera
para la colada continua de barras esencialmente poligonales, de
acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
En la colada continua, particularmente en la
colada continua de acero, es vertido en continuo metal fundido a
través de una abertura de alimentación en una cavidad de
conformación de una lingotera, es constituida, mediante enfriamiento
del fundido en las paredes de la cavidad de conformación, una
costra de la barra de espesor progresivamente creciente, y es
extraída en continuo, a través de una abertura de salida de la
cavidad de conformación, una barra que, por regla general, presenta
un núcleo todavía líquido y debe ser sometida, hasta la plena
solidificación, a un enfriamiento posterior. De particular
relevancia para la calidad de las barras obtenidas y para la
productividad de la instalación de colada continua es la
configuración de las paredes de la cavidad de conformación. La
interacción entre la costra de la barra en formación y las paredes
de la cavidad de conformación determina, por una parte, la
transmisión térmica entre costra de la barra y las paredes de la
cavidad de conformación y consecuentemente también el crecimiento
de la costra de la barra. La interacción entre la costra de la
barra y las paredes de la cavidad de conformación tiene también
influencia sobre la magnitud de las fuerzas de rozamiento que deben
superarse durante la extracción de una barra de la cavidad de
conformación y que, a causa de la limitada estabilidad mecánica de
la costra de la barra, en función de la composición química del
fundido, no deben sobrepasar un determinado valor crítico, si se
pretenden evitar indeseadas roturas de barra o perforaciones de
barra, que reduzcan la productividad de la instalación de colada
continua.
A fin de conseguir, durante la colada continua,
una velocidad de colada lo más elevada posible y, simultáneamente,
evitar roturas de barra o perforaciones de barra, las paredes de la
cavidad de conformación deberían estar configuradas de tal manera
que se obtenga un crecimiento de la costra de la barra lo más
uniforme posible. Se conocen ya diversas medidas constructivas para
optimizar el crecimiento de la costra de la barra. Con el fin de
evitar la formación de rendijas entre las paredes de la cavidad de
conformación y la costra de la barra a causa de la creciente
contracción térmica en dirección hacia la abertura de salida, la
cavidad de conformación se configura a modo de cono de colada, el
cual tenga en consideración la contracción térmica de la barra.
La configuración óptima del cono de colada
constituye un problema generalizado, debido a la pluralidad de
parámetros que, como es sabido, ejercen una influencia sobre el
crecimiento de la costra de la barra. Así por ejemplo, tienen
importancia la composición química del metal fundido, la forma y
la magnitud de la sección transversal de la cavidad de conformación
y la velocidad de colada.
En caso de cavidades de conformación angulares
merecen una particular atención los mecanismos que determinan el
crecimiento de la costra de la barra en las zonas angulares de la
barra. Según la configuración del cono de colada existe el riesgo de
que la costra de la barra resulte presionada, en las esquinas de la
cavidad de conformación, con una fuerza de compresión
excesivamente elevada contra las paredes de la cavidad de
conformación y se origine así un atascamiento de la barra en la
cavidad de conformación o bien, en otro caso extremo, que debido a
la contracción térmica de la costra de la barra se favorezca en al
menos una de las esquinas de la cavidad de conformación la creación
de una rendija entre la costra de la barra y las paredes de la
cavidad de conformación y, debido a esta creación de una rendija,
resulte localmente disminuida la evacuación de calor. La reducción
de la evacuación de calor en una esquina puede a su vez tener como
consecuencia que la costra de la barra en la esquina crezca de
forma claramente más lenta que en las superficies laterales de la
cavidad de conformación o - en el caso extremo - vuelva incluso a
fundirse y sufra una perforación. La creación de rendijas entre la
costra de la barra y las paredes de la cavidad de conformación
dificulta, además, la obtención de barras con una geometría
exactamente controlada y da lugar a indeseados e incontrolables
estirajes de la barra y a barras con defectos superficiales.
Adicionalmente, gradientes de temperatura pueden
fomentar, en combinación con la contracción térmica de la costra de
la barra, una variación de la forma de un área de sección
transversal de una porción de barra en la cavidad de conformación en
el camino de la porción de barra hacia la abertura de salida. Por
consiguiente, para la optimización de un cono de colada es
razonable emplear dos grados de libertad, descritos
cuantitativamente por la dependencia espacial de la conicidad K,
que describan la variación de la magnitud y de la forma de un área
de sección transversal de la cavidad de conformación en el sentido
de avance de la barra en función de la posición del área de sección
transversal.
En la Patente US 4 207 941 se describe una
lingotera que está prevista para la colada continua de barras
esencialmente cuadradas. La cavidad de conformación de esta
lingotera está constituida por un tubo cónico a lo largo de toda su
extensión longitudinal, el cual comprende tres tramos
longitudinales yuxtapuestos, diferenciables en cuanto a la magnitud
y a la dependencia local de la conicidad: un tramo de entrada, que
en el proceso de colada se halla por encima del nivel del acero
líquido; un tramo central, en cuyo extremo superior se sitúa,
durante el proceso de colada, el nivel del acero líquido y en el
cual tiene lugar la solidificación inicial de la barra; y un tramo
final, que apoya la costra de la barra en la abertura de
salida.
El tramo de entrada comprende cuatro zonas
angulares curvadas, respectivamente unidas entre sí mediante zonas
intermedias planas, lindando cada dos zonas intermedias en una de
las zonas angulares en un ángulo recto entre sí. La conicidad es
constante en la zona del tramo de entrada, es decir la amplitud de
la cavidad de conformación disminuye linealmente a medida que
aumenta la distancia desde la abertura de alimentación. En el tramo
central la conicidad de la cavidad de conformación depende tanto de
la distancia desde la abertura de alimentación como también de la
posición en un plano transversal al sentido de avance de la barra.
El tramo central se compone de zonas angulares curvadas,
respectivamente unidas entre sí por una zona intermedia constituida
a su vez por tres facetas planas, yuxtapuestas en un ángulo romo.
La conicidad es máxima en las zonas angulares del tramo central, y
aquí independientemente de la posición en el sentido de avance de
la barra. Dos de las tres facetas que constituyen cada vez una de
las zonas intermedias lindan con una respectiva zona angular y
poseen la forma de triángulos que van ensanchándose linealmente en
el sentido de avance de la barra en función de la distancia desde
la abertura de alimentación. En cada una de las zonas angulares
lindan respectivas dos de las facetas triangulares de zonas
intermedias adyacentes en un ángulo de aprox. 92 grados entre sí.
Con esta construcción de las zonas intermedias del tramo central
la conicidad en cada una de las facetas es constante, siendo la
conicidad en las facetas triangulares limítrofes a una de las
prácticamente rectangulares zonas angulares la mayor. En los
límites entre las facetas se producen saltos de conicidad.
En la zona del tramo final la cavidad de
conformación posee la misma forma dodecagonal que en el límite
entre el tramo final y el tramo central. Concretamente, la
conicidad es en todo el tramo final constante y menor que la
conicidad en la zona de las diversas facetas que constituyen el
tramo central del tubo de lingotera. Por consiguiente, en la
lingotera descrita en la US 4 207 941 la mayor parte del
estrechamiento de la cavidad de conformación está concentrada en
el tramo central y, en la zona del tramo central, en zonas planas,
próximas a las esquinas, que van ensanchándose en el sentido de
avance de la barra. Un inconveniente de esta lingotera consiste en
que en las zonas dodecagonales de la cavidad de conformación no
puede evitarse que la costra de la barra se desprenda localmente
de las paredes de la cavidad de conformación y adopte una forma
que, durante la extracción de la barra, no siga perfectamente a la
forma de las paredes de la cavidad de conformación y cuya geometría
sea solamente controlable de forma inexacta. La consecuencia de
ello es, por una parte, una creación de rendijas entre la costra de
la barra y las paredes de la cavidad de conformación, vinculada con
una reducción local de la evacuación de calor. Por otra parte,
pueden producirse incrementos locales de las fuerzas de compresión
entre la costra de la barra y las paredes de la cavidad de
conformación, de manera que las fuerzas de rozamiento no queden
reducidas a un mínimo. Estos efectos limitan la velocidad de colada
máxima, obtenible de forma rutinaria en el proceso de colada.
Por la EP-B-0 498
296, que constituye el preámbulo de la reivindicación 1, se conoce
una lingotera para la colada continua de barras esencialmente
poligonales. La lingotera comprende una cavidad de conformación con
una abertura de alimentación y una abertura de salida de la barra.
La cavidad de conformación está dotada, al menos en la zona de una
longitud parcial de la lingotera, de conicidades de colada que son
distintas a lo largo del perímetro de la cavidad de conformación en
las zonas angulares y en las zonas intermedias entre las zonas
angulares. En las zonas angulares se propone realizar la conicidad
de forma reducida, igual a cero o incluso negativa. Hacia la mitad
de la zona intermedia la conicidad debe aumentar a lo largo de una
curva arqueada, a fin de evitar en las zonas intermedias rendijas
de contracción entre la superficie de la barra y la pared de la
lingotera.
Partiendo de los citados inconvenientes del
estado de la técnica, la finalidad de la presente invención
consiste en crear, para la colada continua de barras esencialmente
poligonales, una lingotera con una cavidad de conformación que
permita una velocidad de colada más elevada.
Esta finalidad se consigue mediante una lingotera
con la totalidad de las características de la reivindicación 1.
La lingotera según la invención comprende una
cavidad de conformación con al menos tres zonas angulares y tres
zonas intermedias entre las zonas angulares y con un cono de
colada. La conicidad varía al menos en la zona de una longitud
parcial del cono de colada a lo largo de una línea periférica en un
área de sección transversal en una o varias de las zonas
intermedias de tal modo que la conicidad disminuya hacia el medio
de la respectiva zona intermedia. Esta configuración del cono de
colada tiene en consideración la tendencia de una costra de la
barra, en formación en la cavidad de conformación, a contraerse,
debido a su estabilidad mecánica y bajo la influencia del perfil de
temperaturas inducido en la costra de la barra y de la presión
ferrostática durante el enfriamiento durante la extracción de la
barra, más fuertemente en las zonas angulares que en el medio de
las zonas intermedias. Además, en la lingotera según la invención
está previsto que en la zona de la citada longitud parcial la línea
periférica entre las zonas angulares constituya una curva lisa, es
decir una curva cuya tangente a lo largo del recorrido de la curva
no varíe repentinamente su dirección. De esta manera se evita que
en la superficie de la costra de la barra, entre las zonas
angulares de la cavidad de conformación, se formen cantos que - en
función de la forma del cono de colada - puedan dar lugar a
indeseadas creaciones de rendijas o a fuerzas de compresión
localmente incrementadas entre la costra de la barra y las paredes
de la cavidad de conformación. Merced a estas medidas se evita la
creación de rendijas en todo el perímetro de la cavidad de
conformación, se consigue un crecimiento de la costra de la barra
uniforme por todo el perímetro de la cavidad de conformación y se
reducen las fuerzas de rozamiento entre la costra de la barra y las
paredes de la cavidad de conformación. De esta manera resulta
posible la colada con una velocidad de colada más elevada.
Adicionalmente, merced al menor rozamiento, puede aumentarse la
distancia entre el nivel del acero líquido y la abertura de salida
de la cavidad de conformación, con la consecuencia de que la costra
de la barra es más gruesa en la abertura de salida y presenta una
mejorada estabilidad mecánica.
De acuerdo con una forma de realización de la
lingotera según la invención, el cono de colada está configurado en
un tramo parcial de la cavidad de conformación.
Para crear las condiciones para un crecimiento
uniforme de la costra de la barra está previsto que la conicidad
varíe en función de la distancia respecto al extremo del lado de
alimentación del cono de colada. De acuerdo con una forma de
realización preferente de la lingotera según la presente invención,
la conicidad en el medio de las zonas intermedias en la zona de la
longitud parcial es independiente de la distancia respecto al
extremo del lado de alimentación del cono de colada, es decir la
amplitud de la cavidad de conformación varía, con respecto al medio
de las zonas intermedias, linealmente en función de la distancia
respecto al extremo del lado de alimentación del cono de colada. En
el extremo del lado de alimentación del cono de colada la conicidad
en y/o junto a las zonas angulares es primero esencialmente mayor
que en el medio de las zonas intermedias, pero disminuye al menos
parcialmente de forma no lineal y/o lineal y/o parabólicamente en
función de la distancia respecto al extremo del lado de
alimentación del cono de colada. En el extremo del lado de salida
del cono de colada la conicidad en y/o junto a las zonas angulares
puede ser igual o incluso menor que la conicidad en el medio de las
zonas intermedias.
Un crecimiento uniforme de la costra de la barra
puede por ejemplo conseguirse, mediante la lingotera según la
invención, con una conicidad que en el medio de las zonas
intermedias, y como promedio sobre toda la longitud del cono de
colada, sea de 0 - 0,7%/m, preferentemente de 0,2 - 0,6%/m, y adopte
en y/o junto a las zonas angulares, como promedio sobre toda la
longitud del cono de colada, un valor del orden de 0,7 - 1,5%/m,
preferentemente de 0,8 - 1,3%/m.
Para minimizar las fuerzas de compresión que
actúan entre la costra de la barra y las paredes de la cavidad de
conformación, que por regla general son máximas en las zonas
angulares, pueden aplicarse diversas medidas - solas o combinadas
entre sí. De acuerdo con una forma de realización de la lingotera
según la invención, la línea periférica en un plano de sección
transversal de la cavidad de conformación en la zona de la longitud
parcial es al menos parcialmente curvada y/o rectilínea. En cada
una de las zonas intermedias tiene lugar, entre una de las zonas
angulares adyacentes y el medio de la zona intermedia, una
inversión de la curvatura. Por consiguiente, una línea periférica
con una trayectoria continua de la curvatura presenta, entre el
medio de la zona intermedia y las zonas angulares adyacentes, un
punto de inversión.
Una ulterior forma de realización de la lingotera
según la invención se caracteriza porque en la zona de la longitud
parcial cada tramo de la línea periférica en un área de sección
transversal de la cavidad de conformación entre las zonas angulares
es representable por una curva universal que - normalizada respecto
a sus valores extremos - es independiente de la distancia respecto
al extremo del lado de alimentación del cono de colada. Esta
predeterminación de una curva universal posee diversas ventajas.
Desde el punto de vista de la técnica de fabricación resulta la
ventaja de que de este modo el cono de colada es caracterizable
mediante solamente pocos parámetros. Es por ejemplo suficiente la
indicación de la función universal, que presenta una coordenada
local como variable, y de la trayectoria de la conicidad en las
zonas angulares y en el medio de la zona intermedia como función de
la distancia respecto al extremo del lado de alimentación del cono
de colada. Una parametrización particularmente sencilla de la línea
periférica resulta en caso de una ilustración como parábola de
cuarto orden. Además, un análisis de las fuerzas de compresión
entre la costra de la barra y las paredes de la cavidad de
conformación muestra que con esta forma de la línea periférica
resultan fuerzas de compresión particularmente reducidas. Una
condición previa para fuerzas de compresión lo más reducidas
posible es una reducida curvatura de la línea periférica. Esta
condición se realiza, por ejemplo, mediante una línea periférica
con un punto de inversión entre el medio de una de las zonas
intermedias y una de las zonas angulares adyacentes.
Un crecimiento de la costra de la barra
particularmente uniforme puede conseguirse si dos de los tramos de
la línea periférica adyacentes a una de las zonas angulares
determinan un ángulo que en la zona de la longitud parcial sea
independiente de la distancia respecto al extremo del lado de
alimentación del cono de colada. De acuerdo con una forma de
realización de la lingotera según la invención, la misma presenta
una cavidad de conformación cuya área de sección transversal en el
extremo del lado de alimentación del cono de colada comprende zonas
angulares con un ángulo de esquina de 90° y cuyas zonas intermedias
lindan entre sí, en toda la longitud del cono de colada, en un
ángulo recto. Este concepto de diseño se basa en que una barra que
en la zona de la solidificación inicial presente un área de sección
transversal rectangular tiene la tendencia, durante el enfriamiento
en la lingotera durante la extracción de la barra, a contraerse de
tal modo que en la proximidad inmediata de las esquinas las
superficies laterales de la barra incidan entre sí en un ángulo
recto. Este mantenimiento del ángulo en el curso del proceso de
contracción es un resultado de la interacción de las propiedades
mecánicas de la costra de la barra con el perfil de temperaturas
resultante en la costra de la barra y la presión ferrostática que
actúa sobre la costra de la barra.
La cavidad de conformación de la lingotera según
la invención puede presentar, en las zonas angulares, gargantas
huecas con un radio de 2 - 8% de la amplitud de la abertura de
salida.
A continuación se describirá un ejemplo de
realización preferente de la invención, con relación a los dibujos
adjuntos, en los cuales:
La Fig. 1 es una vista en sección longitudinal de
una lingotera según la invención, con un tubo de lingotera
constitutivo de una cavidad de conformación;
la Fig. 2 es una vista en sección transversal de
una porción longitudinal de la lingotera según la invención, según
el plano II - II en la Fig. 1;
la Fig. 3 es una ilustración funcional
esquemática de un tramo de una línea periférica de una sección
transversal de la cavidad de conformación de la lingotera de la
Fig. 1 a lo largo del plano 25;
la Fig. 4 muestra la dependencia local de la
conicidad de la lingotera según la Fig. 1 en el sentido
longitudinal de la lingotera a lo largo de distintos caminos;
la Fig. 5 es una ilustración normalizada de un
tramo de las líneas periféricas de diversas secciones transversales
de la cavidad de conformación de la lingotera según la Fig. 1;
y
la Fig. 6 muestra una comparación entre una línea
periférica según la Fig. 5 y una correspondiente línea periférica
de una barra cuadrada después de una predeterminada contracción
térmica.
Las Figs. 1 y 2 muestran sendas vistas en sección
longitudinal y en sección transversal, respectivamente, del mismo
ejemplo de realización de una lingotera según la presente invención.
La lingotera comprende un tubo de lingotera 5, el cual constituye
una cavidad de conformación 10 con un cono de colada 10', una
abertura de alimentación 11 y una abertura de salida 12. Por
razones de simplificación, las ilustraciones según las Figs. 1 y 2
se concentran - en correspondencia con la presente problemática -
en el tubo de lingotera 5, particularmente en la geometría del cono
de colada 10'. Componentes adicionales, que configuren una
lingotera utilizable en el proceso de colada, han sido omitidos en
dichas Figs. 1 y 2.
El cono de colada 10' está configurado en una
porción longitudinal 15' de la cavidad de conformación 10, entre un
área de sección transversal 24 en la proximidad de la abertura de
alimentación 11 y la abertura de salida 12. Para la mejor
apreciación de la geometría del cono de colada 10', en las Figs. 1
y 2 se ha dibujado el estrechamiento de la cavidad de conformación
10, creciente en dirección hacia la abertura de salida 12, de forma
exageradamente grande. Concretamente, la Fig. 2 muestra una vista
de planta de una porción longitudinal del tubo de lingotera 5,
delimitada, por una parte, por el área de sección transversal 24 y,
por otra parte, por un área de sección transversal 25 entre el
área de sección transversal 24 y la abertura de salida 12. La Fig.
1, a su vez, ilustra una sección longitudinal según la línea
I-I en la Fig. 2.
La cavidad de conformación 10 comprende cuatro
zonas angulares 13 en forma de gargantas huecas. Las zonas
angulares 13 están unidas entre sí por medio de zonas intermedias
14', 14'', 14''', 14'''' en forma de superficies curvas. En la Fig.
1 se indica la trayectoria de las zonas angulares 13 por medio de
respectivas líneas 13, resultantes como línea de intersección entre
la superficie delimitadora de la cavidad de conformación y las
superficies diagonales de la cavidad de conformación 10.
Según se desprende de la Fig. 2, los tramos de la
línea periférica de la cavidad de conformación 10, que en el área
de sección transversal 24 unen entre sí cada dos zonas angulares 13,
son líneas rectas. Los correspondientes tramos 26', 26'', 26''',
26'''' de la línea periférica 26 de la cavidad de conformación 10
en el área de sección transversal 25 son parcialmente líneas
curvas. Cada dos de los tramos 26', 26'', 26''', 26'''' inciden
entre sí, en una de las zonas angulares 13, en un ángulo recto,
determinado como ángulo de intersección de las tangentes de los
respectivos tramos en la correspondiente zona angular 13.
Tal como se indica en las Figs. 1 y 2, la
amplitud de la cavidad de conformación 10 disminuye en el medio 32,
en dirección hacia la abertura de salida 12, linealmente en
función de la distancia Z respecto al extremo del lado de
alimentación del cono de colada 10'. En y/o junto a las zonas
angulares 13 la amplitud de la cavidad de conformación 10 en el
extremo del lado de alimentación 24 del cono de colada 10' disminuye
primero de modo considerablemente mayor en función de la distancia
respecto al extremo del lado de alimentación 24 del cono de colada
10' que en el medio 32 de las zonas intermedias 14', 14'', 14''',
14''''. Sin embargo, al aproximarse a la abertura de salida, la
variación relativa de la amplitud de la cavidad de conformación 10,
determinada en y/o junto a una de las zonas angulares 13, disminuye
en función de la distancia Z y alcanza valores del mismo orden de
magnitud que la variación relativa de la amplitud, determinada en
el medio 32 de las zonas intermedias 14', 14'', 14''', 14''''.
El cono de colada 10' puede caracterizarse
cuantitativamente mediante indicación de la conicidad K, que a este
respecto está definida como cociente de la magnitud del gradiente
de la amplitud de la cavidad de conformación 10 y de la amplitud,
determinada cada vez para un lugar definido, en las zonas angulares
13 y en las zonas intermedias 14', 14'', 14''', 14'''' en unidades
de %/m. De acuerdo con esta definición, la conicidad K en uno de
los tramos 26', 26'', 26''' y 26'''' para el medio 32 de las zonas
intermedias 14', 14'', 14''', 14'''' y las zonas angulares 13,
respectivamente, es caracterizable por las siguientes fórmulas:
K_{M}(Z) = \frac{100}{W_{M}}
\frac{d}{dZ} W_{M}(Z) [%/m]
\hskip4cmpara Z = Z_{2}
Y
K_{E}(Z) = \frac{100}{W_{E}}
\frac{d}{dZ} W_{E}(Z) [%/m]
\hskip4cmpara Z = Z_{2}
refiriéndose los índices "M" y "E" al
medio 32 y a las zonas angulares 13, respectivamente, indicando las
magnitudes W_{M} y W_{E}, según la Fig. 2, la media amplitud de
la cavidad de conformación 10 en el medio 32 de las zonas
intermedias 14', 14'', 14''' y 14'''' y en y/o junto a una de las
zonas angulares 13, respectivamente, y designando Z_{2} la
distancia del área de sección transversal 25 respecto al extremo
del lado de alimentación 24 del cono de colada
10'.
La Fig. 3 sirve para la introducción de
coordenadas X e Y para la representación de un tramo 26' de la
línea periférica 26 en el plano 25 en forma de una función Y =
Y(X, Z = Z_{2}), con la distancia Z_{2} del área de
sección transversal 25 respecto al extremo del lado de
alimentación 24 del cono de colada 10' como parámetro. Los demás
tramos 26'', 26''' y 26'''' pueden ser tratados de manera análoga.
En la Fig. 3 se han dibujado ángulos rectos 13' que marcan,
respectivamente, el ángulo que determina el tramo 26' con uno de
los tramos adyacentes 26'' y 26''' en las zonas angulares 13,
respectivamente definidos por las tangentes ilustradas como líneas
de trazos, horizontales o verticales, respectivamente. El origen del
sistema de coordenadas está situado de tal modo que el tramo 26'
quede limitado al intervalo [-\DeltaY_{máx}- 0] en el eje de
las Y y al intervalo [-L/2, L/2] en el eje de las X, siendo L = 2
W_{E}(Z_{2}). Mediante flechas P_{W} se indican en la
Fig. 3 puntos de inversión en el tramo 26' de la línea periférica
26, los cuales marcan una inversión del signo de la curvatura a lo
largo de la línea periférica 26.
Mediante simulaciones por ordenador se optimizó
la geometría de la lingotera según la presente invención de la
siguiente manera. Las simulaciones se basaban en un modelo que
describe el crecimiento de una costra de la barra en una masa de
acero fundido teniendo en consideración el flujo térmico a través
de la costra de la barra, las propiedades mecánicas de la costra de
la barra y la presión ferrostática. Se analizaron diversas formas Y
= Y (X, Z = Z_{2}) de las zonas intermedias 14', 14'', 14''' y
14''''. Para la optimización se tuvieron en cuenta diversos
criterios:
- a)
- Debería evitarse la creación de rendijas entre la costra de la barra y las paredes de la cavidad de conformación.
- b)
- El crecimiento de la costra de la barra debería producirse lo más uniformemente posible por toda la periferia de un área de sección transversal.
- c)
- Para velocidades de extracción de la barra prefijadas la costra de la barra debería ser lo más gruesa posible en la abertura de salida.
- d)
- Las fuerzas de compresión entre la costra de la barra y las paredes de la cavidad de conformación deberían ser lo más reducidas posible.
Las simulaciones se realizaron en el ejemplo de
un tubo de lingotera 5 de cobre, partiéndose del supuesto de que el
nivel del acero líquido se halla en el extremo superior 24 del
cono de colada 10' y la longitud del tramo parcial 15', que
constituye el cono de colada 10', está comprendida entre
600-1000 mm.
Resultados cuantitativos de las simulaciones se
ilustran en las Figs. 4-6 para un tubo de lingotera
5 optimizado según los arriba citados criterios. La línea continua
(a) describe la conicidad K = K_{E}(Z) en y/o junto a las
zonas angulares 13, y la línea de trazos (b) la conicidad K =
K_{M}(Z) en el medio 32 de las zonas intermedias 14',
14'', 14''' y 14'''' en función de la distancia Z respecto al
extremo del lado de alimentación 24 del cono de colada 10'. Las dos
curvas están respectivamente normalizadas respecto a
K_{M}(Z). Z se indica en unidades de la longitud L_{K}
del tramo parcial 15', es decir de la extensión longitudinal del
cono de colada 10' en la dirección de colada. Tal como se desprende
de la Fig. 4, la conicidad K_{M}(Z) es constante. La
conicidad K_{E}(Z) es, en el extremo del lado de
alimentación 24 del cono de colada 10', aproximadamente en un
factor 8 mayor que K_{M}(Z) y disminuye, a medida que
aumenta la distancia Z, al menos parcialmente de forma no lineal
y/o parabólica y/o lineal. La trayectoria de K_{M}(Z) es
relacionable con K_{E}(Z) < K_{M}(Z) para Z
> 0,6 L_{K}. Por consiguiente, la simulación da a entender
que la conicidad K varía de tal modo, al menos en la zona de un
tramo parcial 15 del cono de colada 10' (véase la Fig. 1) a lo
largo de una línea periférica de un área de sección transversal
cualquiera, por ejemplo del área de sección transversal 25, que la
conicidad K disminuya hacia el medio de las zonas intermedias 14',
14'', 14 ''' y 14''''.
La Fig. 5 muestra la forma Y = Y (X, Z =
Z_{2}), adaptada a los parámetros de la Fig. 4, de la línea
periférica 26 del área de sección transversal 25, con la distancia
Z_{2} del área de sección transversal 25 respecto al extremo del
lado de alimentación del cono de colada 10' como parámetro. En la
Fig. 5 se ilustran las curvas Y = Y(X, Z = Z_{2})
normalizadas para diversos Z_{2} con respecto a las magnitudes,
introducidas en la Fig. 3, \DeltaY_{máx} y L = 2 W_{E}
(Z_{2}), variando \DeltaY_{máx} para los parámetros de la
Fig. 4 evidentemente con Z_{2}. En esta forma normalizada
resulta, tal como se ilustra en la Fig. 5, para la línea periférica
de un área de sección transversal cualquiera de la cavidad de
conformación 10, una forma ilustrable mediante una única función
universal con una variable X/L y que cumple los arriba citados
criterios de optimización. La curva de la Fig. 5 puede aproximarse
mediante una parábola de cuarto orden. La misma es una función lisa
de X, es decir no presenta variaciones bruscas de inclinación en
función de X y posee puntos de inversión P_{w} aproximadamente en
la mitad entre el medio 32 de las zonas intermedias 14', 14'',
14''', 14'''' (X = 0) y las zonas angulares 13 (X = \pm L/2).
La línea de trazo continuo en la Fig. 6
representa la curva de la Fig. 5 para el caso en que Z_{2} = 300
mm y el área de sección transversal 24 en el extremo del lado de
alimentación del cono de colada 10' sea un cuadrado con una
amplitud L = 108 mm. Concretamente, \DeltaY_{máx} se halla en
el intervalo \DeltaY_{máx} < 1 mm.
Dentro del marco de los citados criterios de
optimización, los parámetros expuestos en las Figs. 4 - 6 pueden
modificarse dentro de ciertos límites sin influenciar excesivamente
las propiedades de la lingotera según la presente invención. Así
por ejemplo, podría renunciarse a la exigencia evidenciada por la
Fig. 5 de que la forma de las zonas intermedias 14', 14'', 14''' y
14'''' esté representada por una única, adecuadamente normalizada
función de una variable y la indicación de las conicidades
K_{E}(Z) y K_{M}(Z). Una renuncia a esta
exigencia se traduce, dentro de ciertos límites, en variaciones
tolerables, que pueden compensarse mediante una correspondiente
variación de las trayectorias de K_{E}(Z) y
K_{M}(Z). Sin embargo, una ventaja de la solución ilustrada
en la Fig. 5 consiste en que la forma propuesta de las zonas
intermedias 14', 14'', 14''', 14'''' puede caracterizarse con
particularmente pocos parámetros y la fabricación de
correspondientes paredes de la cavidad de conformación, por
ejemplo con ayuda de máquinas-herramienta con
gobierno numérico, resulta simplificada.
Comparaciones entre diversas geometrías del cono
de colada 10' muestran que la lingotera según la presente invención
permite esperar un uniforme crecimiento de la costra de la barra
si la conicidad K_{M} en el medio de las zonas intermedias 14',
14'', 14''' y 14'''', como promedio por toda la longitud del cono
de colada 10', es de 0 - 0,7%/m, preferentemente de 0,2 - 0,6%/m, y
la conicidad K_{E} en y/o junto a las zonas angulares 13, como
promedio por toda la longitud del cono de colada 10', adopta un
valor del orden de 0,7 - 1,5%/m, preferentemente de 0,8 -
1,3%/m.
Esencial es la exigencia de que la línea
periférica de un área de sección transversal de la cavidad de
conformación 10 en la zona del cono de colada 10' debe ser, entre
las zonas angulares 13, una curva lisa. Investigaciones han
demostrado que variaciones abruptas puntuales de la dirección de
la tangente, al seguir un punto entre las zonas angulares 13,
favorecen la creación de rendijas entre la pared de la cavidad de
conformación y la costra de la barra en las inmediaciones de dicho
punto y perturban localmente el crecimiento de la costra de la
barra, incluso aunque la dirección de la tangente al pasar por
dicho punto varíe abruptamente en sólo 2°.
La línea de trazos en la Fig. 6 describe un tramo
de una línea periférica de la cavidad de conformación de una
lingotera cuyo cono de colada se amolda a la "contracción
natural" de la costra de la barra. Esta línea de trazos es en
principio comparable con la curva de trazo continuo en la Fig. 6
por cuanto ambas curvas se refieren tanto a lingoteras cuyas
cavidades de conformación presentan junto al nivel del acero
líquido la misma área de sección transversal cuadrada con la
amplitud L = 108 mm, como también a la misma distancia Z = Z_{2}
respecto al extremo superior del respectivo cono de colada. En el
caso de la lingotera representativa de la contracción natural de la
costra de la barra se determinó en qué medida una costra de la
barra que se forma junto al nivel del acero líquido con contorno
cuadrado varía su forma durante la extracción de la barra, a raíz
de los gradientes de temperatura, de las propiedades mecánicas de
la costra de la barra y de la presión ferrostática, y se adaptó
iterativamente la forma del cono de colada de tal modo que no se
produjera creación de rendija alguna y en todos los lugares de la
costra de la barra el flujo térmico fuera igual. Tal como muestra
la línea de trazos en la Fig. 6, la contracción natural requiere
también una mayor conicidad en las zonas angulares 13 en
comparación con la conicidad en el medio 32 de las zonas
intermedias 14', 14'', 14''', 14''''. Sin embargo, la comparación
con la línea de trazo continuo en la Fig. 6 indica una serie de
particularidades. El concepto de la "contracción natural" da
lugar a zonas intermedias 14', 14'', 14''', 14'''' que en el medio
32 son, en una amplia zona, esencialmente planas (en la Fig. 6 para
-0,3 < X/L < 0,3). En la proximidad de las zonas angulares 13
(en la Fig. 6 para X/L > 0,3) las zonas intermedias están
curvadas en forma de S, presentando una línea periférica en un área
de sección transversal de la cavidad de conformación 10, en la
zona de los tramos curvados en forma de S de las zonas intermedias
14', 14'', 14''', 14'''', respectivos puntos de inversión. La
posición de los puntos de inversión y el ancho de los tramos
curvados en forma de S de las zonas intermedias 14', 14'', 14''',
14'''' depende fuertemente de la distancia Z_{2} respecto al
extremo del lado de alimentación 24 del cono de colada 10',
particularmente para pequeños Z_{2}. En comparación con la
lingotera optimizada, representada en la Fig. 6 por los parámetros
de las Figs. 4 y 5 y por la línea de trazo continuo, el concepto de
la contracción natural da lugar a formas de las zonas intermedias
que en un área de sección transversal de la cavidad de conformación
10 junto a las zonas angulares 13 y en una zona que va
ensanchándose a medida que aumenta la distancia Z_{2} están
considerablemente más curvadas y, por consiguiente, presentan
también una mayor variación relativa de la conicidad K a lo largo
de la línea periférica de un área de sección transversal, con
respecto al ancho de los tramos curvados en forma de S.
Investigaciones indican que en una lingotera que se amolde a la
contracción natural el crecimiento de la costra de la barra
reacciona de forma sensible a pequeñas variaciones de la forma de
las zonas intermedias. Consecuencia de ello es una mayor tendencia
a la creación de rendijas en las zonas angulares 13 y, como
promedio por toda la longitud del cono de colada 10', a mayores
fuerzas de compresión en comparación con la lingotera representada
por los parámetros de las Figs. 4 y 5. Por consiguiente, una
lingotera representada por los parámetros de las Figs. 4 y 5
resulta apropiada para mayores velocidades de extracción.
Mediante la lingotera según la presente invención
es por ejemplo posible producir barras de acero con una sección
transversal cuadrada con una longitud de lado de 108 mm a una
velocidad de extracción superior a 6 m/min.
Los resultados arriba discutidos son aplicables a
cavidades de conformación rectilíneas y curvadas. Los citados
resultados no son únicamente aplicables a lingoteras para la colada
continua de barras esencialmente cuadradas. Los mismos son
transferibles a lingoteras para la colada de barras esencialmente
poligonales con al menos tres zonas angulares y tres zonas
intermedias. En tales lingoteras resulta ventajoso que dos de las
zonas intermedias lindantes con una de las zonas angulares
constituyan un ángulo de esquina que sea independiente de la
distancia respecto al extremo del lado de alimentación del cono de
colada. En cuanto a la forma de las zonas intermedias, es aplicable
todo lo expuesto en relación con las Figs. 4, 5 y 6.
La anteriormente citada forma de realización de
la lingotera según la presente invención se refiere a un cono de
colada cuyas líneas periféricas entre las zonas angulares en el
extremo del lado de alimentación del cono de colada 10' consistan
de líneas rectas y que, a medida que aumente la distancia respecto
al extremo del lado de alimentación 24 del cono de colada 10',
presenten una creciente curvatura convexa. Dentro del marco del
concepto en el que se basa la invención es también concebible que
las líneas periféricas de la cavidad de conformación sean
rectilíneas en la abertura de salida 12, entre las zonas angulares
13, y estén curvadas de forma cóncava en el extremo del lado de
alimentación 24 del cono de colada. Dentro del ámbito del concepto
según la invención no es obligatorio - a diferencia del diseño de la
forma de realización ilustrada en las Figs. 1 y 2 - que todas las
zonas intermedias de una cavidad de conformación con un área de
sección transversal esencialmente poligonal presenten una curvatura
convexa creciente a medida que aumente la distancia respecto al
extremo del lado de alimentación del cono de colada. En una cavidad
de conformación con área de sección transversal esencialmente
rectangular pueden ya conseguirse mejoras en el sentido de los
objetivos en que se basa la presente invención si al menos una zona
intermedia o por ejemplo dos zonas intermedias opuestas presentan
una curvatura convexa creciente, según el modelo de las Figs. 4 y
5, en el sentido de avance de la barra.
Claims (14)
1. Lingotera para la colada continua de barras
metálicas esencialmente poligonales, comprendiendo una cavidad de
conformación (10), estando integrada dicha cavidad de conformación
(10) por una abertura de alimentación (11), una abertura de salida
(12), un cono de colada (10') y, a lo largo de su perímetro, al
menos tres zonas angulares (13) y tres zonas intermedias (14',
14'', 14''', 14'''') con distinta conicidad (K), y variando dicha
conicidad (K) al menos en la zona de una longitud parcial (15) de
la cavidad de conformación (10) a lo largo de una línea periférica
(26) en un área de sección transversal (25) de tal modo que cada
tramo (26', 26'', 26''', 26'''') de la línea periférica (26) entre
las zonas angulares (13) determine una curva lisa,
caracterizada porque la conicidad (K) en una o varias de las
zonas intermedias ( 14', 14'', 14''', 14'''') de la línea periférica
(26) disminuye desde las zonas angulares (13) lindantes con la
respectiva zona intermedia (14', 14'', 14''', 14'''') hacia el
medio (32) de la zona intermedia (14', 14'', 14''', 14'''').
2. Lingotera según la reivindicación 1,
caracterizada porque el cono de colada (10') está
configurado en un tramo parcial (15') de la cavidad de conformación
(10).
3. Lingotera según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizada porque la conicidad (K) varía en función de la
distancia (Z_{2}-Z_{1}) del área de sección
transversal (25) respecto al extremo del lado de alimentación (24)
del cono de colada (10').
4. Lingotera según una de las reivindicaciones 1
- 3, caracterizada porque la conicidad (K) en el medio (32)
de las zonas intermedias (14', 14'', 14''', 14'''') es, en la zona
de la longitud parcial (15), independiente de la distancia
(Z_{2}-Z_{1}) del área de sección transversal
(25) respecto al extremo del lado de alimentación (24) del cono de
colada (10').
5. Lingotera según una de las reivindicaciones 3
ó 4, caracterizada porque la conicidad (K) en y/o junto a
las zonas angulares (13) disminuye, al menos parcialmente de forma
no lineal y/o lineal y/o parabólica, en función de la distancia
(Z_{2}-Z_{1}) del área de sección transversal
(25) respecto al extremo del lado de alimentación (24) del cono de
colada (10').
6. Lingotera según una de las reivindicaciones 1
- 5, caracterizada porque la conicidad (K) en el medio (32)
de las zonas intermedias (14', 14'', 14''', 14''''), como promedio
por toda la longitud (15') del cono de colada (10'), es de 0 -
0,7%/m, preferentemente de 0,2 - 0,6%/m.
7. Lingotera según una de las reivindicaciones 1
- 6, caracterizada porque la conicidad (K) en y/o junto a
las zonas angulares (13), como promedio por toda la longitud (15')
del cono de colada (10'), es de 0,7 - 1,5%/m, preferentemente de 0,8
- 1,3%/m.
8. Lingotera según una de las reivindicaciones 1
- 7, caracterizada porque el tramo (26', 26'', 26''',
26'''') de la línea periférica (26) es al menos parcialmente
curvado y/o rectilíneo curvado.
9. Lingotera según una de las reivindicaciones 1
- 8, caracterizado porque el tramo (26', 26'', 26''',
26'''') de la línea periférica (26) entre una de las zonas
angulares (13) y el medio (32) presenta un punto de inversión
(P_{W}).
10. Lingotera según una de las reivindicaciones 1
- 9, caracterizada porque cada tramo (26', 26'', 26''',
26'''') de la línea periférica (26) en el área de sección
transversal (25) entre las zonas angulares (13) está representado
por una curva (Y(X)) que - normalizada con respecto a sus
valores extremos (\pm L/2, \DeltaY_{máx}) - es independiente
de la distancia (Z_{2}-Z_{1}) del área de
sección transversal (25) respecto al extremo del lado de
alimentación (24) del cono de colada (10').
11. Lingotera según la reivindicación 10,
caracterizada porque la curva consiste de una parábola de
cuarto orden.
12. Lingotera según una de las reivindicaciones 1
- 11, caracterizada porque dos de los tramos (26', 26'',
26''', 26'''') lindantes con una de las zonas angulares (13), de la
línea periférica (26) determinan un ángulo (13') que en la zona de
la longitud parcial (15) es independiente de la distancia
(Z_{2}-Z_{1}) del área de sección transversal
(25) respecto al extremo del lado de alimentación (24) del cono de
colada (10').
13. Lingotera según la reivindicación 12,
caracterizada porque el número de zonas angulares (13) es de
cuatro, y el ángulo (13') es un ángulo recto.
14. Lingotera según una de las reivindicaciones 1
- 13, caracterizada porque la cavidad de conformación (10)
comprende en las zonas angulares (13) gargantas huecas con un
radio de 2 - 8% de la amplitud (L) de la abertura de salida
(12).
Applications Claiming Priority (2)
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| CH01094/98A CH693130A5 (de) | 1998-05-18 | 1998-05-18 | Kokille zum Stranggiessen von im wesentlichen polygonalen Strängen. |
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1999
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- 1999-05-05 DE DE59908842T patent/DE59908842D1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9393614B2 (en) | 2012-04-19 | 2016-07-19 | Kme Germany Gmbh & Co. Kg | Mould for the continuous casting of metals |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE59908842D1 (de) | 2004-04-22 |
| EP0958871A1 (de) | 1999-11-24 |
| ATE261787T1 (de) | 2004-04-15 |
| CH693130A5 (de) | 2003-03-14 |
| EP0958871B1 (de) | 2004-03-17 |
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