ITUD20110211A1 - Cristallizzatore per colata continua - Google Patents

Description

Descrizione

"CRISTALLIZZATORE PER COLATA CONTINUA"

CAMPO DI APPLICAZIONE

Il presente trovato si riferisce ad un cristallizzatore per la colata continua di prodotti metallici lunghi, quali blumi o billette, raffreddato con camicia di raffreddamento esterna.

I blumi o billette a cui il cristallizzatore preferenzialmente si applica presentano sezione quadrata con lunghezza del lato di 120÷180 mm, oppure rettangolare di sezione equivalente.

STATO DELLA TECNICA

Nel settore della colata continua, in particolare nel caso di colata di blumi e billette, à ̈ noto che uno dei principali problemi relativi alla qualità del prodotto finito à ̈ il difetto di romboidità. Tale difetto di forma si caratterizza per il fatto che i prodotti, quali blumi o billette, specialmente per i formati piccoli colati ad alta velocità, non presentano, al termine della solidificazione a valle della macchina di colata, un profilo esattamente uguale alla sezione interna del cristallizzatore, ma vengono ad assumere una forma romboidale che può generare problemi nei successivi processi di laminazione.

Se la romboidità, misurata come differenza tra le diagonali della sezione, risulta superiore ai 6 mm, allora la frequenza degli incagli nelle prime gabbie di laminazione aumenta.

Questo difetto di forma si genera usualmente a causa della disuniformità di scambio termico nel cristallizzatore, in particolare nella zona immediatamente al di sotto del menisco, la quale comporta uno spessore di pelle disomogeneo sul perimetro, sia tra un lato e l'altro del prodotto, sia lungo lo stesso lato. Questa disomogeneità dipende da una deformazione asimmetrica del cristallizzatore, la cui ampiezza dipende dall'intensità del flusso termico. Una volta generatasi, tale deformazione si amplifica e non può essere recuperata.

Inoltre gli spigoli, a causa della elevata superficie di scambio, sono soggetti ad un significativo flusso termico, a differenza della zona a 10-30 mm dal vertice dello spigolo. Quest 'ultima zona presenta quindi uno spessore di pelle locale minore rispetto a quello del resto della billetta. Una pelle con spessore non omogeneo presenta dei punti di debolezza ove lo spessore à ̈ minore e risulta quindi frequente la formazione di cricche sottopelle che possono portare a dei breakout.

Tale problema à ̈ tanto più accentuato quando si cola a getto libero utilizzando olio come materiale di lubrificazione. Quando invece si cola con le polveri di lubrificazione, la romboidità risulta meno accentuata grazie all'effetto isolante delle polveri ed alla loro omogenea distribuzione, tuttavia l'uso di polveri risulta più costoso rispetto all'utilizzo dell'olio ed à ̈ quindi antieconomico quando si producono acciai commerciali.

Inoltre, tale problema aumenta con l'aumentare della velocità di colata, il che pone un limite alle velocità massime ottenibili e quindi alla produttività della macchina di colata.

La romboidità à ̈ quindi un difetto di forma dovuto a stati non controllati di adesione tra acciaio liquido e pareti interne del cristallizzatore per un certo tratto al di sotto del menisco, ovvero nel momento in cui c'à ̈ il maggiore scambio termico e in coincidenza con la formazione della prima pelle, in cui si verifica uno scambio termico non uniforme, e quindi una differenza di spessore della pelle che si crea lungo il perimetro della billetta in via di solidificazione.

II documento US 6,024,162 propone, per risolvere il problema della romboidità, di ricavare, sulle pareti interne del cristallizzatore, una serie regolare di concavità, aventi la funzione di rendere più uniforme lo scambio termico nella zona critica appena al di sotto del menisco.

In particolare, viene individuata una zona compresa tra 20 e 200 mm al di sotto del livello nominale del menisco nella quale vengono ricavate file regolari di concavità, nella forma di scanalature orizzontali, o piccole depressioni di forma circolare, quadrata od esagonale.

Tale soluzione, sia pur migliorativa, non à ̈ risolutiva da un lato perché la distribuzione delle concavità non à ̈ correlata all'andamento del flusso termico, dall'altro perché dette concavità, da sole, peggiorano il problema delle cricche sottopelle e dei break out nei casi più critici di colata a getto libero ad alta velocità e con uso di olio per la lubrificazione. Infatti, tali concavità riducono il flusso termico totale scambiato tra acciaio e lingottiera e quindi lo spessore medio della pelle all'uscita della lingottiera.

Per risolvere le suddette problematiche della tecnica nota e per ottenere ulteriori vantaggi nel seguito evidenziati, la proponente ha ideato, sperimentato e realizzato il presente trovato.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO

Il presente trovato à ̈ espresso e caratterizzato nella rivendicazione principale. Le rivendicazioni secondarie espongono altri aspetti caratterizzanti e varianti all'idea di soluzione principale.

Uno scopo del presente trovato à ̈ quello di realizzare un cristallizzatore per colata continua che permetta di omogeneizzare lo scambio termico, e quindi la solidificazione dell'acciaio, sull'intero perimetro del prodotto, in particolare nella zona sottostante il menisco dove si ha il picco del flusso termico tra pareti del cristallizzatore ed acciaio colato.

Un ulteriore scopo del trovato à ̈ quello di ridurre al minimo la romboidità dei prodotti colati, quali blumi o billette, senza modificare radicalmente la struttura di base dei cristallizzatori convenzionali raffreddati con acqua circolante in una camicia esterna e senza limitare la velocità di colata.

Altro scopo del trovato à ̈ quello di ridurre la formazione di cricche sotto-pelle e il conseguente presentarsi di break out all'uscita dal cristallizzatore.

Secondo il presente trovato, il cristallizzatore per colata continua presenta mezzi per uniformare lo scambio termico nella zona in cui il flusso termico tra pareti del cristallizzatore e acciaio colato presenta un picco che, come detto, Ã ̈ tipicamente quella subito sotto al menisco.

In particolare, il cristallizzatore secondo il presente trovato presenta mezzi per uniformare lo scambio termico in questa zona, cercando di ridurre tale picco per poter ridurre le differenze di spessore della prima pelle che si forma nella zona subito al di sotto del menisco.

Tali mezzi hanno la duplice funzione di creare, nella zona al di sotto del menisco, delle resistenze di contatto sulle pareti interne del cristallizzatore, affinché non tutta la superficie di contatto rame-acciaio sia superficie utile per lo scambio termico; nel contempo, però, secondo un aspetto vantaggioso del trovato, si prevede di aumentare la superficie di contatto, e quindi di scambio termico, in corrispondenza delle pareti esterne del cristallizzatore, in prossimità degli spigoli, compensando in questo modo la tendenza cha ha la pelle a staccarsi dalle pareti interne del cristallizzatore .

Secondo il presente trovato, pertanto, in un suo primo aspetto, il cristallizzatore presenta concavità o depressioni ricavate sulla parete interna del cristallizzatore, le quali hanno la funzione di frapporre dell'aria, che funge da isolante, tra l'acciaio liquido e il cristallizzatore, e quindi limitare la superficie utile di scambio termico.

Dette concavità o depressioni sono praticate a partire subito al di sotto del livello nominale del menisco e presentano una distribuzione che, in termini di area complessiva occupata da esse per unità di superficie, si riduce fino ad annullarsi ad una certa distanza da detto livello nominale.

Tale riduzione progressiva dell'area complessiva occupata da dette concavità/depressioni viene realizzata per seguire e sostanzialmente adeguarsi all'andamento dell'intensità di temperatura sulle facce interne del cristallizzatore, come spiegato in maggior dettaglio nel seguito della descrizione.

In combinazione con dette concavità/depressioni ricavate sulle pareti interne del cristallizzatore, ed al fine di consentire un corretto scambio termico anche in prossimità della zona degli spigoli, il cristallizzatore secondo il presente trovato comprende scanalature verticali ricavate sulle sue superfici esterne, nelle zone vicino agli spigoli, per una estensione verticale maggiore dell'estensione verticale delle concavità/depressioni realizzate sulle superfici interne. Tali scanalature hanno la funzione di aumentare lo scambio termico fra parete del cristallizzatore e acciaio liquido nel tratto di estremità delle pareti interessato dalla mancanza di contatto tra l'acciaio e il cristallizzatore .

La presenza delle scanalature sulla superficie esterna delle pareti del cristallizzatore permette di aumentare la superficie di scambio termico, e inoltre riduce la distanza tra il metallo liquido e il fluido di raffreddamento che scorre sulla superficie esterna del cristallizzatore. La distanza trasversale tra l'inizio della zona con concavità interne e la fine di quella con scanalature esterne à ̈ tale da evitare una brusca variazione di flusso termico e quindi un incremento di cricche sottopelle che potrebbero evolvere in break-out. Secondo una soluzione vantaggiosa del presente trovato, pertanto, il cristallizzatore presenta sia concavità/depressioni ricavate nelle pareti interne, che hanno lo scopo di diminuire il picco del flusso termico, sia scanalature ricavate alle estremità delle pareti esterne, che hanno lo scopo di aumentare il flusso termico nelle zone vicine agli spigoli. L'azione combinata di entrambi questi accorgimenti permette di "appiattire" e di uniformare il flusso termico stesso lungo le pareti nella zona al di sotto del menisco.

Il vantaggio che si ottiene à ̈ quello di migliorare la qualità finale del prodotto ottenuto in termini di forma, evitando la romboidità della sezione quadrata/rettangolare e prevenendo la formazione di cricche che potrebbero dare luogo a breakout.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Queste ed altre caratteristiche del presente trovato appariranno chiare dalla seguente descrizione di una forma esemplificativa di realizzazione, con riferimento agli annessi disegni in cui:

- la fig. 1 illustra, schematicamente, l'andamento delle isoterme nella zona subito al di sotto del menisco;

- la fig. 2 illustra, schematicamente, in sezione, l'andamento del flusso termico lungo una faccia del cristallizzatore nella zona subito inferiore al menisco; - le figg. 3a e 3b illustrano rispettivamente la sezione longitudinale e la sezione trasversale di una prima forma di realizzazione del presente trovato;

- le figg. 4a e 4b illustrano rispettivamente la sezione longitudinale e la sezione trasversale di una seconda forma di realizzazione del presente trovato.

DESCRIZIONE DI ALCUNE FORME ESEMPLIFICATIVE DI

REALIZZAZIONE

In fig. 1, un cristallizzatore 10 per colata continua di prodotti lunghi à ̈ schematicamente rappresentato, in cui il numero di riferimento 11 indica sostanzialmente la linea nominale del menisco di metallo liquido.

In un cristallizzatore 10 di questo tipo, per prodotti lunghi quali blumi o billette 12, a pareti sottili e con raffreddamento mediante camicia esterna, le linee isoterme (a ugual temperatura) sulla superficie interna del cristallizzatore 10 hanno un andamento di tipo ellittico o parabolico, come le linee 13 e 14 indicate in fig . 1.

In particolare, la regione indicata con il numero di riferimento 15 à ̈ quella che presenta le massime temperature poiché corrisponde alla regione del menisco; la regione adiacente, indicata con il riferimento 16, compresa tra le due linee isoterme 13 e 14, presenta invece temperature inferiori.

Nella figura 2 à ̈ riportato, in sezione trasversale, l'andamento del flusso termico lungo una faccia del cristallizzatore 10 poco sotto il menisco 11: la linea più grossa 17 rappresenta l'andamento (qualitativo) del flusso termico nei cristallizzatori convenzionali, in cui si ha un forte picco al centro della faccia e un netto calo proseguendo verso gli angoli, causato dal progressivo distacco della pelle dalla parete del cristallizzatore 10. In corrispondenza degli spigoli, lo scambio termico aumenta nuovamente, anche se leggermente, poiché lo spigolo à ̈ raffreddato da entrambi i lati.

La linea più sottile 18 rappresenta invece l'andamento qualitativo dello scambio termico che si vuole ottenere con il cristallizzatore 10 secondo il presente trovato.

Come si vedrà più specificatamente nel seguito, la presenza delle concavità/depressioni, indicate genericamente con 20 nelle figg. 3a, 3b, 4a e 4b, sulle pareti interne del cristallizzatore 10, permette la diminuzione del flusso termico al centro della parete, mentre la presenza delle scanalature, indicate genericamente con 30, sulle pareti esterne permette di aumentare il flusso termico nelle zone vicine agli spigoli. Ciò determina, nel suo complesso, un andamento più uniforme e conseguentemente la formazione di una pelle con uno spessore più omogeneo.

Con riferimento ora alla prima forma di realizzazione illustrata nelle figure 3a e 3b, viene rappresentato in sezione longitudinale e trasversale un cristallizzatore 10 secondo il trovato per colare billette 12, nel caso di specie di sezione quadrata.

Nel caso di specie, sulle quattro pareti interne del cristallizzatore 10 sono presenti concavità di forma circolare, o piccoli fori ciechi 120, distribuiti secondo un andamento decrescente e man mano diradato verso il basso, in termini di area complessiva occupata per unità di superficie della relativa parete, in modo da riprodurre sostanzialmente l'andamento della densità di flusso termico sulla relativa faccia del cristallizzatore In particolare, nel caso illustrato, sono presenti tre settori rispettivamente indicati con 21a, 21b e 21c, in cui il numero di fori 120 disposti su una fila orizzontale à ̈ rispettivamente inferiore, essendo i fori 120 disposti sostanzialmente in modo simmetrico rispetto alla linea longitudinale X mediana della parete del cristallizzatore 10.

In questo modo, l'area complessiva occupata dalle concavità/depressioni 20 per unità di superficie della parete, e quindi la resistenza di contatto da esse generate, si riduce progressivamente scendendo lungo il cristallizzatore 10 a partire dalla zona subito sottostante il menisco 11, seguendo e cercando sostanzialmente di adeguarsi all'andamento del flusso termico rappresentato in fig. 2.

In questo modo, si ottiene l'effetto di omogeneizzare e rendere il più possibile uniforme tale scambio termico lungo l'intero perimetro della billetta 12.

Nel caso specifico illustrato in fig. 3a, i fori 120 iniziano ad una distanza 11 compresa tra 100 e 140 min, vantaggiosamente tra 120 e 130 mm, dalla sommità del cristallizzatore 10, cioà ̈ tra circa 20 e 30 mm al di sotto del menisco 11, che generalmente si posiziona a circa 100 mm dalla sommità.

Il primo settore 2la prevede, nel caso esemplificativo illustrato, otto file ognuna costituita da otto fori circolari 120, aventi un diametro che può variare da 4 a 12 mm, una profondità che può variare da 0.2 a 0.8 min, un passo orizzontale che può variare da 6 a 15 mm e un passo verticale che può variare da 5 a 15 mm.

La superficie del foro 120 non può essere troppo estesa in quanto ne risentirebbe la qualità superficiale della billetta 12. Anche la profondità dei fori 120 deve essere ridotta, in modo che non restino le impronte di tali fori 120 sulla superficie della billetta 12 in uscita dal cristallizzatore 10.

Il secondo settore 21b à ̈ costituito, nel caso esemplificativo illustrato, da fori 120 delle stesse dimensioni e con lo stesso passo orizzontale, ma in numero e distribuzione differenti: quattro file costituite ognuna da cinque fori distanziati di un passo verticale superiore a quello del passo verticale del primo settore 2la. Infine il terzo settore 2le comprende due file ciascuna comprendente due fori 120 con un passo orizzontale superiore al passo orizzontale dei fori del primo e del secondo settore 21a e 21b.

La rappresentazione illustrata nella fig. 3a à ̈ ovviamente a puro titolo esemplificativo e per rappresentare il concetto di riduzione progressiva dell'area occupata dai fori 120, per unità di superficie, per adeguarsi all'andamento del flusso termico, lungo le pareti del cristallizzatore 10.

Le figg. 4a-4b illustrano un'altra possibile forma di realizzazione, in cui i fori circolari 120 sono sostituiti da scanalature verticali 220.

Come visto in precedenza, anche le scanalature verticali 220 presentano una distribuzione, suddivisa in questo caso in quattro settori 121a, 121b, 121c e 121d, che riproduce sostanzialmente l'andamento del flusso termico nella parte di parete corrispondente, presentando una maggiore area occupata per unità di superficie in corrispondenza del picco termico, poco al di sotto del menisco 11, che poi diminuisce spostandosi verso il basso lungo le pareti del cristallizzatore 10 fino ad annullarsi ad una certa distanza dal menisco 11 stesso. Secondo varianti di realizzazioni, anche scanalature orizzontali, fori ovali, fori di forma quadrangolare o poligonale in genere, anche non regolare, o qualsiasi altra forma idonea possono essere realizzate per ottenere le concavità/depressioni 20 secondo la distribuzione indicata .

In aggiunta ed in cooperazione con dette concavità/depressioni 20 sono inoltre presenti, sulle pareti esterne del cristallizzatore 10, delle scanalature 30 che, nel caso illustrato nelle figg. 3a e 4a, hanno un andamento sostanzialmente verticale.

Come si vede nelle suddette figure, le scanalature esterne 30 iniziano sostanzialmente alla stessa altezza dei fori 120 (o delle scanalature 220) e aumentano in numero, da tre a cinque per ogni lato della faccia, in corrispondenza del passaggio dal primo settore 2la di fori interni al secondo 21b (o dal secondo 121b di scanalature 220 al terzo 121c).

Grazie a questa configurazione, le scanalature esterne 30 permettono di aumentare lo scambio termico ai lati quando la pelle della billetta in formazione tende maggiormente a staccarsi dalla relativa parete del cristallizzatore 10.

Le scanalature 30 possono avere preferenzialmente una profondità compresa tra 1,5 e 4 mm, un passo compreso tra 4 e 10 mm e una larghezza compresa tra 1 e 4 mm.

Le scanalature 30 possono continuare lungo tutta l'altezza del cristallizzatore 10 o in alternativa si possono interrompere prima, come raffigurato in fig. 3a e 4a. Esse comunque proseguono oltre la posizione dei fori interni 20 per mantenere l'omogeneità di flusso termico e quindi di spessore di pelle all'uscita della lingottiera sulla relativa faccia del cristallizzatore 10

In generale, non essendo a diretto contatto con l'acciaio liquido colato, ed in relazione alla funzione che devono svolgere, le scanalature 30 presentano una profondità maggiore rispetto a quella dei fori interni 20.

È chiaro che al cristalizzatore per colata continua 10 fin qui descritto possono essere apportate modifiche e/o aggiunte di parti, senza per questo uscire dall'ambito del presente trovato.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Cristallizzatore per colata continua di prodotti metallici lunghi, quali blumi o billette (12), del tipo raffreddato con camicia di raffreddamento esterna, in cui, almeno nella zona di massimo picco termico, posizionata nell'intorno della zona del menisco (11) o subito al di sotto di essa, sono presenti mezzi, ricavati sulle pareti del cristallizzatore (10), per condizionare lo scambio termico tra pareti del cristallizzatore e acciaio colato, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per condizionare lo scambio termico comprendono concavità o depressioni (20) ricavate sulla parete interna del cristallizzatore (10), praticate nell'intorno di detta zona di massimo picco termico, ed aventi una distribuzione che, in termini di area complessiva occupata da esse per unità di superficie, si riduce fino ad annullarsi verso il basso ad una certa distanza da detta zona di massimo picco termico.
2. 2. Cristallizzatore come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende anche scanalature verticali (30) ricavate sulle sue superfici esterne, nelle zone vicino agli spigoli, per una estensione verticale almeno assimilabile all'estensione verticale delle concavità/depressioni.
3. 3. Dispositivo come alla rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che dette concavità o depressioni (20) sono costituite da piccoli fori ciechi (120).
4. 4. Cristallizzatore come alla rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che dette concavità o depressioni (20) sono costituite da scanalature verticali (220).
5. 5. Cristallizzatore come alla rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che dette concavità o depressioni (20) sono costituite da scanalature orizzontali, fori ovali, fori di forma quadrangolare o poligonale in genere, anche non regolare, o qualsiasi altra forma idonea.
6. 6. Cristallizzatore come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette concavità o depressioni (20) sono distribuite in almeno due settori distinti (21a, 21b, 21c; 121a, 121b, 121c e 121d), in cui il numero di concavità o depressioni (20) presenti per unità di superficie su una fila orizzontale à ̈ sostanzialmente uguale per ogni settore ma à ̈ decrescente da un settore all'altro andando verso il basso del cristallizzatore (10) a partire da detta zona di massimo picco termico.
7. 7. Cristallizzatore come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette concavità o depressioni (20) sono disposte sostanzialmente simmetricamente rispetto alla linea longitudinale (X) mediana della parete del cristallizzatore (10).
8. 8. Cristallizzatore come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette concavità o depressioni (20) presentano una profondità massima nell'intorno di 0,8 mm.
9. 9. Cristallizzatore come alle rivendicazioni 2 e 6, caratterizzato dal fatto che dette scanalature verticali (30) iniziano sostanzialmente alla stessa altezza di dette concavità o depressioni (20) e aumentano in numero in corrispondenza del passaggio da un primo ad un secondo settore di dette concavità o depressioni (20).
10. 10. Cristallizzatore come alla rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che dette scanalature (30) presentano profondità compresa tra 1,5 e 4 mm.
11. 11. Cristallizzatore come alla rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che dette scanalature (30) si prolungano almeno oltre la posizione di dette concavità o depressioni (20).
12. 12. Cristallizzatore come alla rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che dette scanalature (30) presentano un passo compreso tra 4 e 10 mm e una larghezza compresa tra 1 e 4 mm.