DE102008004911A1

DE102008004911A1 - Verfahren zur Regelung der Sekundärkühlung von Stranggießanlagen

Info

Publication number: DE102008004911A1
Application number: DE200810004911
Authority: DE
Inventors: Horst Gärtner; Jürgen Friedrich; Axel Weyer
Original assignee: SMS Demag AG
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2009-07-23
Also published as: WO2009090000A1; TW200940207A

Abstract

Bekannte Sekundärkühlungen von Gießsträngen mit einer Wasser-Luft-Mischung werden entweder einzeln oder in Gruppen in Abhängigkeit von Prozessparametern, wie beispielsweise Gießgeschwindigkeit, Stahlqualität, Formatbreite, mit dem erforderlichen Wasserdruck und/oder Wasservolumen angesteuert. Der zugehörige Luftanteil wird hierbei als fester Einstellwert (Luftdruck oder Volumenstrom) verwendet. Um eine neuartige Regelung für eine Kühlung mit derartigen Zwei-Stoff-Düsen darzustellen, die eine variable Regelung des Luftanteils (Druck oder Volumen) als wesentliche weitere Komponente aufweist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass als Regelgröße die Wassermenge (13) und die Luftmenge, letztere bei gegebener Düsenkennlinie als Luftdruck (12), unter Verwendung des aus Prozess-, Material- und Anlagendaten (18, 19) ermittelten Wärmeübergangskoeffizienten (alpha) verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Sekundärkühlung eines die Kokille mit einer tragfähigen Schale verlassenden Gießstrangs einer Brammen-, Dünnbrammen-, Block-, Knüppel-, oder Vorprofilstranggießanlage, wobei zwischen den Führungsrollen der Strangführung eine Wasser-Luft-Mischung als Spritzwasser mittels Spritzwasserdüsen unter Druck auf die Strangoberfläche aufgebracht wird.
Nachdem der Gießstrang die Kokille verlässt, erfolgt die nachfolgende Abkühlung und Erstarrung in der so genannten Sekundärkühlzone, die sich in der Regel zwischen der Rollenführung oder Strangführung befindet. Bekannt sind Sekundärkühlungen als reine Wasserkühlung (1-Stoff-Kühlung) und mit einer Wasser-Luft-Mischung (2-Stoff-Kühlung). Die für die Wasser-Luft-Kühlung erforderlichen Spritzwasserdüsen werden entweder einzeln oder in Gruppen in Abhängigkeit von Prozessparametern, wie beispielsweise Gießgeschwindigkeit, Stahlqualität, Formatbreite, mit dem erforderlichen Wasserdruck und/oder Wasservolumen angesteuert. Der zugehörige Luftanteil wird hierbei als fester Einstellwert (Luftdruck oder Volumenstrom) verwendet.
In der DE 31 27 348 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer stranggegossenen Bramme beschrieben, wobei die Kühlung indirekt durch Kühlen mehrerer Führungsrollen mit einem Luft-Flüssigkeit-Sprühstrahl erfolgt. Um die für die Kühlwirkung maßgebende Teilchengröße des aus der Luft/Wasser-Düse austretenden Kühlwassers zu untersuchen, wurden in einer Versuchsreihe der Wasserdruck, das Wasservolumen sowie der Luftdruck unabhängig voneinander variiert, wobei Teilchengrößen kleiner 60 μm erreicht wurden. Bei beschränkter Anlagenlänge kann die Bramme alternativ zunächst einer direkten Kühlung durch einen Luft-Flüssigkeit-Sprühstrahl und danach einer indirekten Kühlung im nachfolgenden Verfahrensschritt unterzogen werden.
Aus der DT 25 00 079 ist eine Vorrichtung zum Kühlen von Stranggießprodukten bekannt mit wenigstens einer zwischen den Führungsrollen angeordneten rinnenförmigen Zerstäubungsbühne, in der aus Öffnungen austretende und sich kreuzende und durchdringende Wasser- und Luftstrahlen Wasser zerstäubt und dieses auf die zu kühlende Oberfläche gesprüht wird. Hierbei variieren:

– Durchmesser der Öffnungen zwischen 0,5 bis 5 mm,
– Verhältnis Wasser- zur Luftmenge zwischen 1 bis 30,
– Luftgeschwindigkeit zwischen 75 m/sec bis Schallgeschwindigkeit,
– Abstand zur Kühlfläche zwischen 5 mm bis 3 m.

Ausgehend vom geschilderten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine neuartige Regelung für eine Kühlung mit 2-Stoff-Düsen darzustellen, die eine variable Regelung des Luftanteils (Druck oder Volumen) als wesentliche weitere Komponente aufweist.
Die gestellte Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass das als Regelgröße die Wassermenge und die Luftmenge, letztere bei gegebener Düsenkennlinie als Luftdruck, unter Verwendung des aus Prozess-, Material- und Anlagendaten ermittelten Wärmeübergangskoeffizienten α verwendet werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Wirkung der Wasserbeaufschlagung bei der Sekundärkühlung kann über den Wärmeübergangskoeffizienten α in W/(m²K) definiert werden. Der Wärmeübergangskoeffizient α ist ein Proportionalitätsfaktor, der die Intensität des Wärmeübergangs an einer Grenzfläche bestimmt. Er stellt eine spezifische Kennzahl einer Konfiguration von Materialien zu einer Umgebung in Form eines Fluids dar. Der Wärmeübergangskoeffizient α hängt u. a. von dem eingestellten Luftdruck an der Düse ab, da mit Zunahme des Pressluftdrucks der Gesamtimpuls des Kühlmediums erhöht und dadurch die isolierende Dampfschicht reduziert wird, die sich beim Abkühlvorgang auf der Strangoberfläche bildet. Hierdurch wird der Wärmeübergangskoeffizient α bzw. die entzogene Wärmemenge oder die erzielte Wirkung der Kühlung gesteigert.
Zur erfindungsgemäßen Verwendung des Wärmeübergangskoeffizienten α als Regelkenngröße wird die Regelung der Wassermenge und des Luftdrucks so durchgeführt, dass ein vorab ermittelter Wärmeübergangskoeffizient α als konstanter Wert beibehalten wird und eine Änderung der Regeleinstellung zur beispielsweisen Kostenoptimierung bei möglichst gleichem Wärmeübergangskoeffizienten α durchgeführt wird.
Zur Erhöhung der Wirksamkeit oder bei einer schnellen prozessbedingten Änderung der Kühlung wird die Regelung der Wassermenge und des Luftdrucks dann so durchgeführt, dass schnellstmöglich ein vom ursprünglich eingestellten Wärmeübergangskoeffizienten α abweichend höherer oder niedrigerer Wärmeübergangskoeffizient α erreicht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird zur Einstellung bzw. Regelung einzelner Spritzwasserdüsen oder von in Gruppen einzelner Bereiche und/oder Teilbereiche einer gemeinsamen Strangführung zusammengefassten Spritzwasserdüsen durchgeführt, wobei mit Vorteil zur Regelung bei gegebener Wassermenge die Luftmenge bzw. der Luftdruck verändert wird. Der die Wassermenge bestimmende Wasserregelwert und der den Luftdruck bestimmende Luftregelwert wird in einem Prozessrechner aus den Prozessparametern und Anlagenparametern berechnet, wobei neben dem Wärmeübergangskoeffizient α zur Berechnung der Regelwerte beispielsweise folgende Kriterien berücksichtigt werden:

– Gießgeschwindigkeit
– Stahlqualitäten
– Formatabmessungen
– Durchflusswerte
– Düsenkennlinie
– Ventilkennlinien
– Druckwerte
– Temperaturen
– Oberflächenzieltemperaturen
– Erstarrungszielwerte
– Minimaler Energieaufwand
– Ausnutzung des max. Regelbereiches
– eine bestimmte oder max. Kühlleistung

Durch das Verfahren der Erfindung wird eine erweiterte Regelbarkeit des Wärmeübergangskoeffizienten bei gegebenen festen weiteren Prozessparametern erzielt mit einer Minimierung/Optimierung der Wasser- und/oder Luftverbrauchswerte und einer erweiterten Einstellbarkeit der gewünschten Strangoberflächentemperatur in Form einer gezielten Abkühlung des Gießstrangs. Zusammenfassend sind mit dem Verfahren der Erfindung folgende Vorteile erreichbar:

– Verbesserung der erzeugten Oberflächenqualität der Bramme durch eine gezielte bzw. genauere Steuerung der Strangerstarrung in der Strangführung,
– gezielte Einstellung der Strangoberflächentemperatur (Temperaturprofil) in Gießrichtung,
– gezielte Einstellung der Strangoberflächentemperatur (Temperaturprofil) quer zur Gießrichtung (bzw. über die Gießproduktbreite),
– gezielte Regelung der Strangerstarrung (Wärmeabfuhr über die Sekundärkühlung) zur Verbesserung der Oberflächen und Innenqualität des Gießproduktes,
– Regelung/Einstellung eines bestimmten prozessabhängigen Wasser-/Luftverhältnisses (Druck oder Volumen/Menge),
– Einstellung einer Kühlleistung über Kennlinien für Wasserdruck/-menge und Luftdruck/-menge,
– Einstellung einer Kühlleistung durch geeignetes Verhältnis zwischen Wasserdruck/-menge und Luftdruck/-menge, so dass das Spritzbild optimal ist,
– Einstellung einer Kühlleistung durch geeignetes Verhältnis zwischen Wasserdruck/-menge und Luftdruck/-menge, so dass der Impuls optimal ist,
– Regelung einer Kühlleistung durch geeignetes Verhältnis zwischen Wasserdruck/-menge und Luftdruck/-menge in Richtung größter Wirksamkeit,
– Einstellung einer maximalen Kühlleistung unter Berücksichtigung der gegebenen bereitgestellten Energie durch vorliegende Wasserdrücke/Wasservolumen und/oder vorliegende Luftdrücke/Luftvolumen zur Maximierung der Produktion,
– Einstellung einer optimalen Kühlleistung unter Berücksichtigung der gegebenen bereitgestellten Medien (vorliegende Wasserdrücke/Wasservolumen und/oder vorliegende Luftdrücke/Luftvolumen) zur Minimierung des Medienverbrauches bei der Erzeugung von Luft- und Wasserdrücken bzw. deren Volumen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an in schematischen Zeichnungsfiguren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Regelkonzepts,
2 ein Regelschema mit einbezogenem Wärmeübergangskoeffizienten α.
In der 1 ist als Prinzipskizze das Regelkonzept der Erfindung dargestellt. In der Figur links wird ein Teil eines senkrecht angeordneten Gießstrangs 3 durch seitlich mit Abstand voneinander angeordnete Führungsrollen 5 abgestützt. Zwischen den Führungsrollen 5 befindet sich jeweils eine Spritzwasserdüse 1, die zur Kühlung auf die Gießstrangoberfläche kegelförmig Spritzwasser 2 aufdüst. Im rechten Teil der 1 ist das Regelkonzept für eine beispielhafte Spritzwasserdüse 1' eingezeichnet. Ermittelte oder feststehende Prozessparameter 18 und Anlagenparameter 19, beispielsweise die Oberflächentemperatur, die Produktqualität und das Wasser-/Luftverhältnis, werden in einen Prozessrechner 4 eingespeist und von diesem unter Berücksichtigung von zu erreichenden Zielen, beispielsweise einer maximalen Kühlwirkung bei minimalem Energieaufwand, und nach Be rechnung des erforderlichen Wärmeübergangskoeffizienten α zu dem benötigten Wasserregelwert 16 bzw. Luftregelwert 17 umgerechnet. Mit diesen Werten wird dann aus der vorhandenen Wasserzuführung 6 bzw. Luftzuführung 7 die der Spritzwasserdüse 1' jeweils zugeführte Wassermenge bzw. Luftmenge angesteuert, geregelt durch das Wasserregelventil 10 und das Luftregelventil 11.
Kontrolliert wird diese Regelung durch jeweils einen vor dem Wasserregelventil 10 bzw. Luftregelventil 11 angeordneten Wasservolumenstrom-Mengenmesser 14 bzw. Luftvolumenstrom-Mengenmesser 15, sowie durch jeweils einen nach dem Wasserregelventil 10 bzw. Luftregelventil 11 angeordneten Wasserdruckmesser 8 bzw. Luftdruckmesser 9.
In der 2 ist das auf den Wärmeübergangskoeffizienten α beruhende erfindungsgemäße Regelschema als Diagramm dargestellt. Im Diagramm sind der Luftdruck 12 in bar über die Wassermenge 13 in l/min aufgetragen und die auf einer definierten Düsenkennlinie beruhende und die für drei unterschiedliche Betriebszustände geltenden Wärmeübergangskoeffizienten-Kurven α1, α2 und α3 eingezeichnet. Jeder mögliche als Regel-Arbeitspunkt 20 bezeichnete Punkt auf einer der Wärmeübergangskoeffizienten-Kurven entspricht dabei einem ganz bestimmten Regelverhältnis von Wassermenge 13 und Luftdruck 12. Die sich aus dieser Darstellung ergebenden Regelmöglichkeiten sind wie folgt, wobei gilt α1 < α2 < α3:
Der Regel-Arbeitspunkt 20 wird entsprechend der Verschieberichtung 21 entlang der Wärmeübergangskoeffizienten-Kurve α1 verschoben. Dies entspricht einer Regelung mit konstantem Wärmeübergangskoeffizienten α, wie sie beispielsweise zur Kostenoptimierung durchgeführt wird. Bei einem erforderlichen schnellen Wechsel der Kühleinstellung wird der Regel-Arbeitspunkt 20 in Verschieberichtung 22 bis zu einer anderen Wärmeübergangskoeffizienten-Kurve verschoben, auf der dann weiter in Verschieberichtung 21, mit nun geänderten, aber konstant bleibenden Wärmeübergangskoeffizient α, die Wassermenge 13 und der Luftdruck 12 geregelt werden.
Die Lösung der gestellten Aufgabe, eine variable Regelung anzugeben, die als wesentliche weitere Komponente den der Spritzwasserdüse zugeführten Luftanteil aufweist, wird durch die Darstellung der 2 somit deutlich herausgestellt.
Nachfolgend ist ein Zahlenbeispiel einer Grundeinstellung von Spritzwasserdüsen für eine Zweistoffkühlung (Wasser/Luft) für Stranggießanlagen angegeben: Allgemeine Grenz-/Eckwerte für eine 2-Stoff-Düse

Wasserdruckstellbereich: 0,5...12 bar

Luftmenge an der Düse: 1...20 Nm³/h

Wassermenge: 0,05...40 l/min

Luftdruck: 0,5...6 bar

Wärmeübergangskoeffizient (HTC): 0,5...1000 W/(m²K)

Einspeisesystem mit ausreichend vorhandenem Volumen bzw. Menge

typische Netzwerte Wasserdruck: 14 bar

Luftdruck: 4 bar

Grundeinstellung (auf eine spezifische Düse bezogen)

Sollwerte Wassermenge: 8 l/min

Luftdruck: 2 bar (an der Düse)

Ergebnis (Istwert) Wasserdruck: 3,5 bar

Luftmenge: 6 Nm³/h

Wärmeübergangskoeffizient: 150 W/(m²K) (ermittelt)
Variante Einstellung (auf eine spezifische Düse bezogen), Wassermenge ist gegenüber der Grundeinstellung reduziert (Energieoptimierung durch weniger Wassereinsatz). Regelungsansatz (der Wärmeübergangskoeffizient mit 150 W/(m²K) soll erhalten bleiben:

Sollwerte Wassermenge: 6 l/min

Luftdruck: 3 bar (an der Düse)

Ergebnis (Istwert) Wasserdruck: 3 bar

Luftmenge: 10 Nm³/h

1: Spritzwasserdüse
2: Spritzwasser
3: Gießstrang
4: Prozessrechner
5: Führungsrolle
6: Wasserzuführung
7: Luftzuführung
8: Wasserdruckmesser
9: Luftdruckmesser
10: Wasserregelventil
11: Luftregelventil
12: Luftdruck
13: Wassermenge
14: Wasservolumenstrom-Mengenmesser
15: Luftvolumenstrom-Mengenmesser
16: Wasserregelwert
17: Luftregelwert
18: Prozessparameter
19: Anlagenparameter
20: Regel-Arbeitspunkt
21: Verschieberichtung des Arbeitspunktes bei gleich bleibendem α
22: Verschieberichtung des Arbeitspunktes bei unterschiedlichem α Wärmeübergangskoeffizient

– Düsenkennlinie
– Ventilkennlinien
– Druckwerte
– Temperaturen
– Oberflächenzieltemperaturen
– Erstarrungszielwerte
– Minimaler Energieaufwand
– Ausnutzung des max. Regelbereiches
– eine bestimmte oder max. Kühlleistung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3127348 A1 [0003]
- DT 2500079 [0004]

Claims

Verfahren zur Regelung der Sekundärkühlung eines die Kokille mit einer tragfähigen Schale verlassenden Gießstrangs (3) einer Brammen-, Dünnbrammen-, Block-, Knüppel-, oder Vorprofilstranggießanlage, wobei zwischen den Führungsrollen (5) der Strangführung eine Wasser-Luft-Mischung als Spritzwasser (2) mittels Spritzwasserdüsen (1) unter Druck auf die Strangoberfläche aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgröße die Wassermenge (13) und die Luftmenge, letztere bei gegebener Düsenkennlinie als Luftdruck (12), unter Verwendung des aus Prozess-, Material- und Anlagendaten (18, 19) ermittelten Wärmeübergangskoeffizienten (α) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Wassermenge (13) und des Luftdrucks (12) unter Beibehaltung eines Wärmeübergangskoeffizienten (α) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Wassermenge (13) und des Luftdrucks (12) so durchgeführt wird, dass schnellstmöglich ein abweichend höherer oder niedrigerer Wärmeübergangskoeffizient (α) erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzwasserdüsen (1) einzeln und/oder in Gruppen einzelner Bereiche und/oder Teilbereiche einer gemeinsamen Strangführung getrennt geregelt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung bei gegebener Wassermenge (13) die Luftmenge bzw. der Luftdruck (12) verändert wird.
Verfahren nach einem oder mehrere der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der die Wassermenge (13) bestimmende Wasserregelwert (16) und der den Luftdruck (12) bestimmende Luftregelwert (17) in einem Prozessrechner (4) aus den Prozessparametern (18) und Anlagenparametern (19) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Wärmeübergangskoeffizienten (α) zur Berechnung der Regelwerte (16, 17) beispielsweise folgende Kriterien berücksichtigt werden: – Gießgeschwindigkeit – Stahlqualitäten – Formatabmessungen – Durchflusswerte