Tempolimit. Das Ergebnis war die elektromagnetische Bremse mit örtlich begrenzten Magnetfeldern

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1 Tempolimit Steigerung der Produktivität von Stranggussanlagen durch direkte Regelung der Gießgeschwindigkeit Sten Kollberg, Peter M. Lofgren Der Markt zwingt Stahlhersteller dazu, ihre Produktivität immer weiter zu erhöhen und gleichzeitig die Qualität ihrer Produkte zu steigern. Dazu müssen sie ihre Stranggussanlagen mit höheren Gießgeschwindigkeiten betreiben und gleichzeitig schädliche nichtmetallische Einschlüsse wie Gas oder Schlacke reduzieren. Das Problem dabei ist, dass sich mit der Gießgeschwindigkeit auch die Gefahr solcher Einschlüsse erhöht. Zur Lösung dieses Problems wurde die elektromagnetische Bremse (EMBR) entwickelt, die nun durch ein neues Tool von ABB mit dem Namen EM Control (Electromagnetic Control) weiter verbessert wird. EM Control optimiert die Strömung in der Kokille, sodass Schwierigkeiten aufgrund veränderter Gießbedingungen vermieden werden. Wichtig für die Herstellung von hochwertigem Stahl ist neben der richtigen chemischen Zusammensetzung die Regelung der Stahlströmung in der Kokille, denn die beim Strangguss von dünnen, aber auch dickeren Brammen verwendeten Geschwindigkeiten können leicht zu Turbulenzen in der Kokille führen. Zur Lösung der damit verbundenen wohl bekannten Problematik (siehe Infobox) begannen ABB und JFE (die ehemalige Kawasaki Steel Corporation) in Japan Anfang der Achtzigerjahre mit ihrer Pionierarbeit an der elektromagnetischen Bremstechnologie. Das Ergebnis war die elektromagnetische Bremse mit örtlich begrenzten Magnetfeldern für den herkömmlichen Brammenstrangguss. Diese Technik, bei der die aus zwei Austrittsöffnungen kommende Stahlströmung durch zwei örtliche Magnetfelder gebremst wird, galt bald als großer 6

2 Geschwindigkeitskontrolle! Stranggießen ist ein komplexer Vorgang, bei dem leicht schädliche nichtmetallische Einschlüsse wie Schlacke oder Gas in die Stahlschmelze gelangen. Die Gefahr solcher Einschlüsse steigt mit der Gießgeschwindigkeit, da der tief in den Strang eindringende Stahlstrahl Gießpulver und andere Verunreinigungen mit sich zieht, die die Qualität des erhärteten Stahls erheblich beeinträchtigen. 1 EMBR vom Typ FC Mold Bei der von ABB entwickelten und patentierten elektromagnetischen Bremse (EMBR) wird die Strömung der Stahlschmelze in der Kokille mit Hilfe eines statischen Magnetfeldes geregelt. Dadurch wird eine gleichmäßige Geschwindigkeit und Temperatur über die gesamte Strangbreite gewährleistet und somit eine Steigerung der Gießgeschwindigkeit ohne Qualitätseinbußen ermöglicht. Durchbruch und mehrere große japanische Stahlfirmen rüsteten ihre Anlagen mit der EMBR-Technologie aus. Heute wird die inzwischen verbesserte Technologie hauptsächlich bei der Herstellung von dünnen Brammen eingesetzt. Anfang der Neunzigerjahre kam die EMBR Ruler-Konfiguration mit einem auf die gesamte Strangbreite wirkenden Magnetfeld auf den Markt. Hierbei fließt die gesamte Stahlströmung durch eine Zone, in der sie einer elektromagnetischen Bremskraft ausgesetzt wird. Diese Art von EMBR-System wird in erster Linie zum Gießen von dünnen Brammen verwendet. Ungefähr zur gleichen Zeit arbeiteten JFE und ABB zusammen an der Entwicklung der Flow Control Mold (FC Mold) Konfiguration 1. Diese besteht aus zwei statischen Magnetfeldern gleicher Stärke, mit denen die Strömungsgeschwindig- keit am Badspiegel und am unteren Ende der Kokille reguliert wird, um die Eindringtiefe der aus dem Gießrohr austretenden Stahlstrahlen zu reduzieren 2. Metallurgische Ergebnisse mit FC Mold Steigende Qualitätsanforderungen, verbunden mit der Notwendigkeit zur Erhöhung der Produktivität stellen die Stahlhersteller vor ein Dilemma: Einerseits lässt sich mit niedrigeren Gießgeschwindigkeiten eine höhere Produktqualität erzielen, andererseits sinkt dadurch zwangsläufig die Produktivität. Doch damit nicht genug, denn auch der Zusatz von Argongas (um ein Zusetzen der Gießrohre, das so genannte «Clogging», zu verhindern) kann zu einer Verminderung der Qualität führen. FC Mold löst diese Problematik, indem es die Turbulenzen in der Stahlschmelze reduziert und die Strömungsgeschwindigkeit am Badspiegel regelt. Ein Ergebnis dieser Technologie sind geringere Fluktuationen am Badspiegel. Und dadurch, dass weniger Turbulenzen auftreten und der heiße Stahl aus dem Tauchrohr nicht 1 2 Stahlströmung in einem kontinuierlich gegossenen Strang, links ohne und rechts mit FC Mold Einschlüsse 2 Dünne Gießpulverschicht 3 Gestörter Badspiegel 4 Turbulenzen 5 Ruhigerer, heißerer Badspiegel 6 Lage der Eisenkerne Geringere Eindringtiefe

3 so tief in den Strang eindringt, erhöht sich auch die Temperatur am Badspiegel. Die Verringerung der Eindringgeschwindigkeit unterhalb der Stahlstrahlen ermöglicht nicht nur höhere Gießgeschwindigkeiten, sondern trägt auch zur Die Verringerung der Eindringgeschwindigkeit unterhalb der Stahlstrahlen ermöglicht nicht nur höhere Gießgeschwindigkeiten, sondern trägt auch zur Reinheit des Produkts bei. Reinheit des Produkt bei, da vorhandene Einschlüsse zum Badspiegel aufsteigen. Darüber hinaus verhindert FC Mold eine fluktuierende Strömung, was ebenfalls erheblich zur einer stabileren und höheren Produktqualität beiträgt. Das durch FC Mold erzielte sehr stabile Badspiegelprofil ist eine logische Folge des statischen Magnetfeldes, das die Aufgabe hat, die hohen, zu Turbulenzen in der Stahlschmelze führenden Frequenzen zu dämpfen. Allein dank dieser Funktion ist FC Mold gegenüber jedem Rührer mit Wandermagnetfeld überlegen. FC Mold: Funktion und Ausstattung Zu den elektrischen Hauptkomponenten der neuen Version des FC Mold-Systems gehören ein Leistungstransformator, zwei Thyristor-Stromrichter zur getrennten Regelung der oberen und unteren Magnetfelder, ein Steuerschrank, die FC Mold-Spule und eine Kühlwasserstation. FC Mold arbeitet mit zwei statischen Magnetfeldern, die senkrecht zur Gießrichtung auf die Kokille wirken. Durch die Stahlströmung werden Spannungen und somit elektrische Ströme in der Schmelze induziert. Diese erzeugen in Zusammenhang mit den statischen Feldern eine Kraft, die der Stahlströmung entgegengesetzt ist. Je höher die Gießgeschwindigkeit und die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze, desto stärker ist die Bremskraft. Die FC Mold-Spule wird von den Gleichströmen der Thyristor-Stromrichter gespeist und erzeugt die statischen Magnetfelder. Sie besteht aus vier Teilspulen (zwei auf jeder Seite der Kokille) mit je einem Eisenkern. Zusammen mit den rückseitigen Jochen bilden diese einen magnetischen Kreis mit zwei 2 bis 4 mm breiten Spalten, deren Magnetfeld sich praktisch über die gesamte Strangbreite erstreckt. Die Teilspulen sind in nichtmagnetischen Edelstahlgehäusen untergebracht und werden normalerweise für jede Kokille speziell zugeschnitten. Innerhalb der Teilspulen sind die Wicklungen (Kupferhohlleiter) in Reihe geschaltet und werden durch entionisiertes Wasser in einem geschlossenem Kühlkreislauf gekühlt. Zwei verschiedene Versionen von FC Mold stehen zur Verfügung: Interne Ausführung (siehe 1 ). Bei dieser Version, die typischerweise in bestehenden Gießanlagen eingesetzt wird, sind die Teilspulen, Magnetkerne und Joche in die Kokille integriert und werden zusammen mit der Kokille in die Anlage eingesetzt bzw. aus der Anlage entnommen. Der Luftspalt ist schmal, sodass eine geringere Leistung erforderlich ist. Allerdings muss die EMBR-Spule bei jedem Wechsel der Kokille angeschlossen bzw. abgeklemmt werden. Hinzu kommt, dass der Oszillationsmechanismus das zusätzliche Gewicht von etwa 1 Tonnen tragen muss. Externe Ausführung. Diese Version kommt vorwiegend bei neuen Anlagen zum Einsatz. Damit nicht jede Kokille mit Spulen ausgerüstet werden muss, die bei jedem Wechsel neu angeschlossen werden müssen, können die Kerne und Joche dieser Spulen an Manipulatoren befestigt und zum Wechsel der Kokille zurückgefahren werden. Ist die neue Kokille eingesetzt, werden die Spulen (mit den Kernen und Jochen) nach vorn geschoben und am neuen Kühlmantel befestigt. Doch FC Mold bietet noch mehr. 3 zeigt, was passieren kann, wenn die Produktionsgeschwindigkeit eine bestimmte Grenze überschreitet. Ohne FC Mold nehmen die Fehler an der Oberfläche und im Stranginneren bei einer Gießgeschwindigkeit von etwa 2 m/min deutlich zu und beeinträchtigen die Qualität des Endprodukts. Mit FC Mold haben Produktionsleiter die Möglichkeit, die Produktion zu erhöhen, ohne Abstriche in der Qualität in Kauf nehmen zu müssen. Alternativ dazu lässt sich bei gleichbleibender Produktion eine drastische Steigerung der Produktqualität erzielen. Power transformer Thyristor converter FC Mold coil Control cubicle Monitoring unit EM Control panel Operator`s panel Cooling water equipment Metallurgische Tests, die in Japan mit Senkrecht- und Bogengießanlagen durch- 8

4 geführt wurden, haben gezeigt, dass durch FC Mold in beiden Fällen weniger Gießpulver in den Stahlstrang hinuntergezogen und der Auftrieb von nichtmetallischen Einschlüssen verstärkt wird. Eine bessere Kontrolle ist erforderlich Auch wenn sich die heutige Bremstechnik, bei der das Magnetfeld lediglich zu Beginn des Gießvorgangs und bei Änderungen der Gießparameter eingestellt wird, als äußerst nützlich erwiesen hat, erkannte man, dass eine direkte Online- Regelung noch besser wäre. Aus diesem Grund haben sich Verfahrenstechniker und Forscher von ABB zusammengeschlossen, um eine Möglichkeit zur Berechnung der Stahlqualität und Regelung der EMBR zu finden. Das Ziel war es, die Stahlströmung in der Kokille durch eine entsprechende Regelung des EMBR-Magnetfelds zu optimieren. Um diese Möglichkeit auch für niedrige Gießgeschwindigkeiten anwenden zu können, verwendete man eine neue Version der FC Mold-Konfiguration, bei der sich das obere und untere Magnetfeld unabhängig voneinander regeln lassen. Durch Regelung der Strömungsgeschwindigkeit am Badspiegel (hauptsäch- DI lich mit Hilfe des oberen Feldes) und Minimierung der Eindringtiefe (hauptsächlich mit Hilfe des unteren Feldes) lässt sich eine optimierte Strömung erzielen 4. Nichtmetallische Einschlüsse, die mit der Stahlschmelze in den Strang gelangen, steigen nach oben an den Badspiegel, wo Gießpul- verein- schlüsse durch Minimierung der Turbulenzen und Regelung der Strömungsgeschwindigkeit praktisch ausgeschlossen werden. Das Ergebnis sind deutlich reduzierte Einschlüsse im Endprodukt. Auch wenn sich die heutige Bremstechnik als äußerst nützlich erwiesen hat, erkannte man, dass eine direkte Online- Regelung noch besser wäre. a Vergleich von Oberflächenfehlern (a) und Innenfehlern (b) mit steigender Produktion (hier von warmgewalzten Coils) mit und ohne FC Mold (Quelle: JFE) DI Fehlerindex CV Gießgeschwindigkeit ULC (c < 25 ppm) ~1.3 ~1.5 ~1. ~2. Without FC CV [m/min] With FC b DI (defect size: 5~15µm) ~1.5 ~1. ~2. Without FC CV [m/min] With FC Doch zunächst galt es, einige miteinander zusammenhängende Probleme zu lösen. So muss zum Beispiel das obere Feld so geregelt werden, dass die optimale Geschwindigkeit am Badspiegel erreicht wird, während das untere Feld stark genug sein muss, um die Eindringtiefe gering zu halten. Außerdem muss die optimale Strömungsgeschwindigkeit am Badspiegel auch bei schwankender Argongaszufuhr, veränderter Gießgeschwindigkeit und Strangbreite und besonders bei asymmetrischer Strömung durch Clogging beibehalten werden. Zur Lösung dieser Probleme sowohl während des Gießvorgangs als auch bei der Inbetriebnahme von FC Mold begann ABB mit der Entwicklung eines Online-Regelsystems mit der Bezeichnung EM Control. 4 Optimale Strömungsbedingungen in einer Brammenkokille Internal defects Many AI 2 O 3 inclusion Optimum speed Powder high Internal defects Many AI 2 O 3 inclusions high Meniscus flow Penetrating flow Meniscus flow speed (m/sec) Penetrating flow speed 9

5 5 Strömungsgeschwindigkeit und Höhenunterschied am Badspiegel MLC Niveausensoren MLC Rot Blau Höhere Geschwindigkeit Niedrigere Geschwindigkeit Dreidimensionale MHD 1) -Modellierung Transiente Simulation mit vollständiger Reynold-Spannungsmodellierung (RSM) der Turbulenzen Zweiphasen-Modellierung (Stahl und Gas) Transiente Partikelverfolgung (zur Minimierung von Einschlüssen) Mold EM Control Keines der heutzutage auf dem Markt erhältlichen Messgeräte ist in der Lage, die Strömungsgeschwindigkeit am ca. 16 C heißen Badspiegel auf direktem Wege zuverlässig zu messen erst recht nicht unter dem Einfluss eines starken Magnetfeldes. Folglich muss diese Geschwindigkeit indirekt gemessen werden. Die derzeit beste Lösung scheint die Messung der Badspiegelhöhe mit Hilfe zweier elektromagnetischer Sensoren zu sein 5. Computergestützte Simulationen zeigen, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit am Badspiegel aus dem Höhenunterschied zwischen diesen beiden Sensorenwerten zuverlässig errechnen lässt. Der nächste Schritt ist schon schwieriger: Wie können die elektrischen Ströme des FC Mold-Systems mit Hilfe des Höhendifferenzsignals so geregelt werden, dass die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit erreicht wird? Hierzu ist neben einem Computerprogramm zur Berechnung der Magnetfelder auch ein Strömungssimulationsprogramm erforderlich. Das von ABB zur Simulation der Strömung entwickelte EM Tool ist das zentrale Element des Pakets. Zu seinen zahlreichen Merkmalen gehören folgende Funktionen, die eine Beschreibung der Strömungseigenschaften der Stahlschmelze sowie der Schlacken- und Einschlussbewegung in der Kokille ermöglichen: Für eine zuverlässige Messung der Strömungsgeschwindigkeit am Badspiegel ist neben einem Computerprogramm zur Berechnung der Magnetfelder auch ein Strömungssimulationsprogramm erforderlich. Um die Risiken bei der Inbetriebnahme und im Probebetrieb möglichst gering zu halten, werden die für den Regler des EM Tools berechneten Parameter nur dann in den Gießprozess implementiert, wenn die Simulationsergebnisse vielversprechend ausfallen 6. 1) Magnetohydrodynamik 6 Nach der Optimierung werden die Parametereinstellungen an den EM Control-Regler übertragen. Setpoint: meniscus velocity + Optimum parameters B-field EM Tool Computer simulations Meniscus velocity Diff. height Setpoint: meniscus velocity + Regulator B-field Casting process Meniscus velocity Diff. height 1

6 Um die Fähigkeiten des EM Tools zu demonstrieren, wurde ein Gießvorgang mit einer gebogenen Kokille und folgenden Parametereinstellungen simuliert: Strangabmessungen 23 x 13 mm; Gießgeschwindigkeit 1,5 m/min; Argongasmenge 1 l/min; Gießrohr mit 2 Austrittsöffnungen. Zu verschiedenen Zeitpunkten wurden Änderungen/Störungen initiiert, um eine Veränderung der am Badspiegel gemessenen Strömungsgeschwindigkeit (Höhenunterschied) zu erzielen. Daraufhin wurde das geregelte Magnetfeld in FC Mold verändert und die Strömungsgeschwindigkeit wieder auf den Sollwert zurückgebracht. Die vier Kurven in zeigen die Geschwindigkeit am Badspiegel mit EM Control (blaue Linie, a), den Idealfall mit konstantem FC Mold-Magnetfeld (grün, b), die Strömungsgeschwindigkeit ohne EMBR (rote Linie, c) und den Sollwert für die Geschwindigkeit (gelb, d). MV [m/s] a b c d Simulationsergebnisse für einen Gießvorgang mit gebogener Kokille zur Demonstration der Funktionalitäten des EM Tools a d Strömungsgeschwindigkeit mit aktiver EM Control Strömungsgeschwindigkeit mit optimaler fester Feldstärke (untere und obere Felder) Strömungsgeschwindigkeit ohne EMBR Sollwert für die Geschwindigkeit am Badspiegel t [s] b c 11

7 Der gleiche Gießvorgang mit denselben Veränderungen ist auch auf den Videobildern einer Computersimulation 8 zu sehen. Diese zeigen die Strömungsgeschwindigkeiten in der Strangmitte für drei Fälle: FC Mold mit fester optimaler Magnetfeldstärke, FC Mold mit EM Control, ohne FC Mold. Wie man sieht, 8 13 GQAR= 1 Strömungsgeschwindigkeit in der Strangmitte mit veränderter Magnetfeldstärke und Strömungsgeschwindigkeit am Badspiegel (Videoaufzeichnung) -.1 t = 829 [s] FC Mold FC Mold + EM Control No EMBR.5 Als Ergebnis umfangreicher Forschungsarbeit bietet EM Control eine Lösung für eine Problematik, die die Stahlindustrie seit langem beschäftigt. UCAST= REFV= Brake power (dark) and meniscus velocity (bright) Inclusion (dark) & blisters (bright) erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit am Badspiegel mit FC Mold. Ohne FC Mold liegt die Geschwindigkeit unter dem optimalen Wert, da FC Mold den Strahl vom Gießrohr zu den Schmalseiten des Strangs lenkt und nur dann stark abbremst, wenn die Strömungsgeschwindigkeit am Badspiegel den Sollwert übersteigt. FC Mold FC Mold + EM Control No EMBR Das Diagramm links unten in 8 zeigt die Magnetfeldstärke (Bremsleistung) und die Strömungsgeschwindigkeit am Badspiegel für alle drei Fälle. Mit Hilfe des EM Tools lässt sich berechnen, welche Einschlüsse aufsteigen und vom Gießpulver aufgenommen und welche in der Erstarrungsfront eingeschlossen werden und somit zu einer verminderten Qualität führen. Die berechneten Qualitätsindizes ein «silver index» (Einschlüsse) und ein «blister index» (Einschlüsse und Argongas) sind rechts unten dargestellt. Je symmetrischer die Strömung in der Kokille, desto besser ist das Ergebnis. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten übt FC Mold eine größere Bremskraft aus, wodurch die Geschwindigkeitsunterschiede am Badspiegel ausgeglichen werden. Dieser positive Effekt wird durch EM Control noch weiter verbessert. Ein führendes Nischenprodukt Als Ergebnis umfangreicher Forschungsarbeit mit Tausenden von Simulationen verschiedener Gießbedingungen bietet EM Control eine Lösung für eine Problematik, die die Stahlindustrie seit langem beschäftigt. EM Control wird von ABB als Consultingleistung angeboten und hat ein erhebliches Marktpotenzial als führendes Nischenprodukt. Die Markteinführung ist für die zweite Hälfe des Jahres 24 vorgesehen. Sten G. Kollberg ABB Automation Technologies SE-21 6 Västeras, Schweden sten.g.kollberg@se.abb.com Peter M. Lofgren ABB AB Corporate Research SE-21 8 Västeras, Schweden peter.lofgren@se.abb.com 12