Verfahren zur Kühlung eines metallischen Strangs und

Schaltventil zum intermittierenden Öffnen und Schließen eines Volumenstroms eines Kühlmediums

Gebiet der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung eines metallischen Strangs, vorzugsweise eines Stahlstrangs, in einer Strangführung einer Stranggießmaschine, sowie ein

Schaltventil zum intermittierenden Öffnen und Schließen eines Volumenstroms eines Kühlmediums. Stand der Technik

Beim Stranggießen ist es notwendig, den kontinuierlich vergossenen Stahlstrang, der zumindest eine tragfähige

Strangschale aufweist, in der Strangführung der

Stranggießmaschine zu führen, stützen und durch eine

Sekundärkühlung weiter abzukühlen. Dabei ist es bekannt, entweder ein flüssiges Kühlmedium (typischerweise Wasser, sog. „water only" Kühlung) oder ein Gemisch aus einem

flüssigen Kühlmedium und einem Gas (sog. „air mist" Kühlung, wobei das Gas typischerweise Luft ist) mittels einer Kühldüse auf den Strang aufzubringen. Bei den sog. „water only" Düsen kann die Kühlintensität in Abhängigkeit des Wasserdrucks in einem kleinen Bereich verstellt werden. Nachteilig daran ist allerdings, dass sich das Spritzbild in Abhängigkeit des Wasserdrucks ebenfalls verändert, wobei durch die inhomogene Wärmeabfuhr eine gleichmäßige Oberflächentemperatur des

Strangs nicht gewährleistet ist. Ziel der sogenannten „air mist" Düsen ist es, die Spreizung zwischen der maximalen und minimalen Durchflussmenge an Kühlmittel durch die Spritzdüsen zu erhöhen; in der Praxis hat sich allerdings herausgestellt, dass eine höhere Spreizung als 10:1 für „air mist" Düsen bzw. 3:1 für „water only" Düsen schwer erreichbar ist. Dies kann für gewisse Stahlsorten jedoch zu einer Überkühlung vor allem der Strangkanten und somit zu Qualitätseinbußen führen.

Außerdem ist der Energieverbrauch für die Bereitstellung von Druckluft für die „air mist" Düsen sehr hoch, sodass sich einerseits ein erhöhter CO ₂ Ausstoß und andererseits höhere Kosten für den Betrieb der Anlage ergeben.

Aus der EP 2 010 347 Bl ist bekannt, verfahrbare Kühldüsen in der Strangführung einzusetzen. Nachteilig daran ist, dass die Auflösung der Kühlmittelverteilung über der Breitseite des Strangs unzureichend ist. Außerdem weisen verfahrbare

Kühldüsen eine aufwändige und komplexe Konstruktion auf, zumal insbesondere bewegliche Teile mit Lagern und Gelenken unter den extrem rauen Umgebungsbedingungen beim Stranggießen Probleme verursachen. Aus der DE 199 28 936 C2 ist ein Verfahren und eine

Vorrichtung zum Kühlen eines Stahlstrangs in einer

Strangführung bekannt, wobei der Strang durch

intermittierendes Spritzen einer Kühlmitteldüse abgekühlt wird. Nachteilig an diesen Kühlmitteldüsen ist, dass der Durchfluss durch die Kühlmitteldüsen nicht aktiv gestellt werden kann, sodass insbesondere große Spreizungen zwischen den maximalen und der minimalen Kühlmittelmengen, die durch die Kühlmitteldüsen auf den Strang ausgebracht werden, nicht realisiert werden können. Da die Kantenbereiche eines

Stahlstrangs zur Erzielung einer konstanten

Oberflächentemperatur wesentlich weniger stark abgekühlt werden müssen als der zentrale Bereich des Strangs, führt die Verwendung der bekannten Vorrichtung zu einer Überkühlung, d.h. zu starken Abkühlung, der Kantenbereiche, worunter die Qualität des Stahlstrangs leidet.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und ein Verfahren zur

Kühlung eines metallischen Strangs in einer Strangführung einer Stranggießmaschine, sowie ein Schaltventil zum

intermittierenden Öffnen und Schließen eines Volumenstroms eines Kühlmediums anzugeben, mit denen die Kühlintensität in einem großen Bereich auf einfache, robuste und

energieeffiziente Weise eingestellt werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, das folgende Verfahrensschritte aufweist:

- aktives Ansteuern eines schaltbaren Schaltventils durch ein binäres Steuersignal, wobei die Ansteuerung in

Abhängigkeit einer gewünschten Kühlleistung erfolgt;

- Betätigen eines Schaltelements des Schaltventils in

Abhängigkeit des Steuersignals, wobei das Schaltelement in Abhängigkeit des Steuersignals von einer geschlossenen

Stellung in eine geöffnete Stellung oder vice versa gebracht wird, und der Durchfluss eines Kühlmediums durch das

Schaltventil in einer geöffneten Stellung des Schaltelements geöffnet und in einer geschlossenen Stellung des

Schaltelements geschlossen ist; anschließend

- intermittierendes Ausbringen des Kühlmediums über eine Kühldüse auf den Strang.

Dabei wird ein aktiv schaltbares Schaltventil durch ein binäres Steuersignal (eine zeitliche Abfolge von Null- und Eins-Werten) aktiv angesteuert, wobei die Ansteuerung, konkret das Steuersignal, in Abhängigkeit der gewünschten Kühlleistung erfolgt. In Abhängigkeit des Steuersignals wird ein Schaltelement, das beispielsweise als ein Ventilschieber eines Schieberventils oder ein Steuerkolben eines Sitzventils ausgebildet sein kann, betätigt, wobei der Durchfluss des Kühlmediums durch das Schaltventil in Abhängigkeit der

Stellung des Schaltelements entweder geöffnet oder

geschlossen wird. Unter einer geöffneten Stellung des

Schaltelements versteht man jene Stellung, bei der der

Durchfluss des Kühlmediums durch das Schaltventil geöffnet ist; andererseits versteht man unter einer geschlossenen Stellung des Schaltelements jene Stellung, bei der der

Durchfluss des Kühlmediums durch das Schaltventil geschlossen ist. Anschließend wird das Kühlmedium intermittierend auf den Strang ausgebracht bzw. aufgespritzt. Durch die Betätigung wird das Schaltelement typischerweise verschoben, jedoch sind dem Fachmann auch Schaltventile bekannt, bei denen das

Schaltelement bei Betätigung verdreht wird.

Durch die aktive Betätigung des Schaltelements, das dem

Schaltventil zugeordnet ist, ist eine extrem hohe Spreizung der Kühlintensität bis zu 20:1 (verglichen mit 10:1 nach dem Stand der Technik) bereits ohne eine Druckänderung des

Kühlmediums darstellbar. Ein weiterer Vorteil dieses

Verfahrens besteht darin, dass der volle Druck des

Kühlmediums bei geöffnetem Schaltelement unmittelbar (bis auf kleine Druckabfälle im Schaltventil, die jedoch

vernachlässigt werden können) an der Kühldüse anliegt, sodass ein konstantes Spritzbild auch bei niedrigen Kühlleistungen gewährleistet ist. Weiters kann auf die Verwendung von „air mist" Düsen weitgehend verzichtet werden, sodass die

Strangkühlung energieeffizienter erfolgt. Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf „water only" Düsen beschränkt; vielmehr können natürlich auch „air mist" Düsen zum Einsatz kommen. Nach einer einfachen und zweckmäßigen Ausführungsform ist das binäre Steuersignal ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal. Dem Fachmann sind jedoch auch andere Modulationsarten

bekannt, beispielsweise die Puls Frequenz Modulation (PFM) , die potenziell für das binäre Steuersignal einsetzbar wären.

Um die Anzahl von Schaltventilen zu reduzieren, ist es möglich, dass mehrere, z.B. in Gießrichtung benachbart hintereinander angeordnete, benachbart quer zur Gießrichtung angeordnete, oder symmetrisch zur Mittelachse des Strangs angeordnete Kühldüsen durch ein Schaltventil mit Kühlmedium versorgt werden.

Zur Erzielung einer bestmöglichen Verteilung der

Kühlmittelmenge über der Strangoberfläche versorgt jeweils ein Schaltventil eine (einzige) Kühldüse mit Kühlmedium.

Vorzugsweise weisen die Kühldüsen in einem Rollenspalt einen Abstand von ca. 100 mm zueinander auf. Nach einer einfachen, kostengünstigen und kompakten

Ausführungsform wird das Schaltelement direkt, insbesondere elektromagnetisch, betätigt.

Nach einer alternativen Ausführungsform wird das

Schaltelement indirekt, insbesondere pneumatisch oder

hydraulisch vorgesteuert, betätigt. Pneumatische und

hydraulische Vorsteuerventile sind weltweit verfügbar und bei Störung schnell austauschbar. Nach einer energieeffizienten Ausführungsform weist das

Schaltventil einen pneumatischen Steueranschluss auf, der alternativ zwei unterschiedliche Druckniveaus verbindet, wobei das niedrigere Druckniveau größer als der

Umgebungsdruck ist. Demnach kann die abgeblasene Abblasluft des Vorsteuerventils zum Kompressor rückgeführt werden, wodurch Energie eingespart werden kann, oder - was

gerätetechnisch einfacher ist - von diesem niedrigerem

Druckniveau über entsprechende Drosseleinrichtungen, z.B. über ein Druckbegrenzungsventil, zur Umgebung hin abgelassen werden .

Nach einer alternativen Ausführungsform weist das

Schaltventil einen hydraulischen Steueranschluss auf, der alternativ zwei unterschiedliche Druckniveaus verbindet.

Bei einer einfachen Anordnung kommuniziert eine zentrale Steuerung der Stranggießmaschine mit mehreren dezentralen Steuereinheiten, vorzugsweise über ein Bussystem, wobei jeweils einer Steuereinheit ein oder mehrere Schaltventile zugeordnet sind.

Es hat sich als günstig erwiesen, dass die Ansteuerung zumindest eines aus der Gruppe einer Trägerfrequenz des pulsweitenmodulierten Steuersignals und eines Pulsweiten- Verhältnisses des pulsweitenmodulierten Steuersignals in Abhängigkeit von einem Strangalter oder einer Strangposition des Strangs erfolgt. Natürlich könnte die Ansteuerung auch in Abhängigkeit einer Schalenstärke und/oder eines

Temperaturprofils erfolgen.

Zur Erzielung einer noch höheren Spreizung zwischen der maximalen und minimalen Kühlintensität ist es möglich, dass der Druck des Kühlmediums in Abhängigkeit der gewünschten Kühlleistung (z.B. in einem Bereich 1:3) verändert wird.

Zur Erzielung einer gleichmäßigen Oberflächentemperatur des Strangs ist es günstig, wenn vor der Ansteuerung des aktiv schaltbaren Schaltventils durch ein binäres Steuersignal folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

- Ermitteln einer Temperatur des Strangs T, vorzugsweise einer Oberflächentemperatur des Strangs in einem

Auftreffbereich des aus der Kühldüse austretenden

Kühlmediums ;

- Bestimmen eines Regelfehlers e = T _SoU —T unter

Berücksichtigung einer Solltemperatur des Strangs T _SoU ;

- Berechnen einer Stellgröße u mittels einer

Regeleinrichtung in Abhängigkeit des Regelfehlers e , wobei die gewünschte Kühlleistung über das Steuersignal in

Abhängigkeit der Stellgröße u eingestellt wird.

Für die Zuverlässigkeit des Schaltventils und der Kühldüse ist es günstig, wenn der Raum zwischen dem Schaltventil und der Kühldüse bei der geschlossenen Stellung des

Schaltelements mit Luft ausgeblasen wird.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch ein

Schaltventil nach Anspruch 10 gelöst, aufweisend:

- ein druckdichtes Ventilgehäuse, umfassend zumindest eine Eintrittsöffnung zum Einführen eines Kühlmediums in das Ventilgehäuse und zumindest eine Austrittsöffnung zum

Ausführen eines Kühlmediums aus dem Ventilgehäuse;

- ein Schaltelement zum Öffnen und Schließen der

Austrittsöffnung, wobei das Schaltelement gegenüber dem Ventilgehäuse beweglich ausgebildet ist; und

- eine Betätigungseinrichtung zum Betätigen des

Schaltelements in Abhängigkeit des Steuersignals.

Dabei weist das Schaltventil ein druckdichtes Ventilgehäuse mit einem Schaltelement zum Öffnen und Schließen einer Austrittsöffnung auf. Das Schaltelement kann mittels einer Betätigungseinrichtung in Abhängigkeit des Steuersignals von einer geöffneten Stellung - in der die Austrittsöffnung geöffnet ist - in eine geschlossene Stellung - in der die Austrittsöffnung geschlossen ist - und vice versa bewegt werden. Mittels einer Eintrittsöffnung kann ein Kühlmedium in das Innere des Ventilgehäuse eingeführt und mittels der Austrittsöffnung kann das Kühlmedium wiederum aus dem Inneren des Ventilgehäuses ausgeführt und einer Kühldüse zugeführt werden .

Zur Erzielung eines gleichmäßigen Spritzbilds ist es

zweckmäßig, wenn die Austrittsöffnung mit einer Kühldüse zum Ausbringen des Kühlmediums auf den metallischen Strang verbunden ist. Für einen raschen Druckaufbau des Kühlmediums ist es vorteilhaft, wenn die Austrittsöffnung des

Schaltventils - in Durchflussrichtung des Kühlmediums - unmittelbar vor der Kühldüse angeordnet ist.

Es ist möglich, dass die Austrittsöffnung mit mehreren

Kühldüsen zum Ausbringen des Kühlmediums auf einen

metallischen Strang verbunden ist. Damit wird das Verhältnis der Anzahl der Schaltventile pro Kühldüse reduziert.

Um die Temperaturbelastung des Schaltventils, insbesondere der Betätigungseinrichtung (z.B. ein Elektromagnet) zu senken und gleichzeitig einen schnellen Druckaufbau des Kühlmediums zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn zwischen der

Austrittsöffnung des Ventilgehäuses und einer Kühldüse ein Rückschlagventil angeordnet ist. Dadurch verbleibt der Raum zwischen der geschlossenen Austrittsöffnung und dem

Rückschlagventil unter Druck, sodass beim Öffnen der

Austrittsöffnung der notwendige Druck zum Öffnen des

Rückschlagventils rasch aufgebaut werden kann. Außerdem ist es bei dieser Ausführungsform nicht notwendig, das Schaltventil - in Durchflussrichtung des Kühlmediums - unmittelbar vor der Kühldüse anzuordnen. Dadurch wird die Robustheit erhöht. Um den Durchfluss des Kühlmediums rasch aufzubauen und abzubauen zu können, ist es vorteilhaft, wenn das

Rückschlagventil in Durchflussrichtung unmittelbar vor der Kühldüse angeordnet ist.

Es ist grundsätzlich möglich, das Schaltelement als ein Schieberventil oder als ein Sitzventil auszuführen.

Vorteilhaft an der Ausbildung als Sitzventil ist, dass das Kühlmedium ohne weitere Ventile leckagefrei abgedichtet wird und dass eine höhere Unempfindlichkeit gegenüber

Verschmutzung gegeben ist.

Bei der Ausbildung des Schaltelements als Sitzventil ist es vorteilhaft, wenn das Schaltelement einen Steuerkolben umfasst, wobei ein Balg oder eine Membran den Steuerkolben gegenüber dem Ventilgehäuse führt und gegebenenfalls

abdichtet.

Vorzugsweise besteht die Membran oder der Balg aus rostfreiem Metall, vorzugsweise Stahl, oder aus Kunststoff, vorzugweise warmfestem Kunststoff, der bis zu Temperaturen größer 250°C nennenswerte Festigkeiten aufweist, wie z.B. Polyimid oder Polyaryletherketone (PEEK) .

Es ist grundsätzlich möglich, die Betätigungseinrichtung als eine elektrische Betätigungseinrichtung, vorzugsweise einen Elektromagnet, eine pneumatische Betätigungseinrichtung, vorzugsweise ein 3/2 Wege Pneumatikventil oder zwei 2/2 Wege Pneumatikventile, oder als eine hydraulische

Betätigungseinrichtung, vorzugsweise ein 3/2 Wege Hydraulikventil oder zwei 2/2 Wege Hydraulikventile,

auszubilden .

Zweckmäßigerweise ist ein Steueranschluss des Schaltventils bzw. des Vorsteuerventils mit einer Steuereinrichtung

signaltechnisch, vorzugsweise über eine digitale

Schnittstelle, verbunden, wobei der Steueranschluss z.B. als ein PWM Eingang ausgebildet ist. Bei einer für die Wartung günstigen Ausführungsform, sind die Steuerungsfunktionen zur Ansteuerung und gegebenenfalls die Diagnosefunktionen zur Fehlerdiagnose für zumindest ein

Schaltventil in einer dezentralen Steuereinheit

zusammengefasst , wobei die dezentrale Steuereinheit mit einer zentralen Steuerung, vorzugsweise über eine Busverbindung, verbunden ist.

Montagetechnisch ist es günstig, mehrere Schaltventile in einem Rollenspalt eines Strangführungssegments anzuordnen und zu einer baulichen Einheit zusammenzufassen. Dabei ist es vorteilhaft, zentrale Anschlüsse für die Druckluft, das Kühlmedium und gegebenenfalls die Elektrik vorzusehen.

Da die Soll-Durchflusscharakteristik der Kühldüse bekannt ist bzw. einfach bestimmt werden kann (vgl. Backe: Grundlagen der Ölhydraulik) , ist es einfach möglich, eine Funktionskontrolle für ein Schaltventil bzw. eine Kühldüse durchzuführen: Dabei wird einem oder mehreren Schaltventilen ein Durchflussmesser zur Bestimmung der Durchflussmenge durch das Schaltventil zugeordnet und die Schaltventile einzeln geöffnet; durch die geschlossenen Schaltventile strömt somit kein Volumenstrom. Falls nun eine Kühldüse bzw. ein Schaltventil defekt ist, erlaubt ein Soll-Ist-Vergleich der Durchflussmengen eine eindeutige Identifikation der betroffenen Kühldüse bzw. des Schaltventils. Es ist vorteilhaft, diese Test-Schaltsequenzen in Gießpausen periodisch durchzuführen, sodass ein Defekt bzw. eine Funktionsminderung frühzeitig erkannt wird. Es ist sogar möglich, den Betrieb der Stranggießmaschine mit einer defekten Kühldüse bzw. Schaltventil fortzuführen, in dem das

Pulsweiten-Verhältnis κ (auch bekannt unter „duty cycle") für benachbarte Kühldüsen erhöht wird. Somit kann der Austausch einer defekten Kühldüse bzw. eines Schaltventils beim

nächsten eingeplanten Anlagenstillstand erfolgen, ohne dass die Qualität des Strangs negativ beeinflusst wird. Aus der AT 505035 Bl ist die Vermessung einer Strömungskennlinie ohne Durchflussmessung bekannt; natürlich wäre auch dieses

Verfahren zur Funktionskontrolle verwendbar. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit des Schaltventils bzw. der Kühldüse ist es günstig, wenn eine Ausblasöffnung in

Durchflussrichtung des Kühlmediums vor der Kühldüse zum

Ausblasen der Kühldüse angeordnet ist. Beispielsweise kann die Robustheit bzw. der Schutz vor

Verschmutzungen dadurch erhöht werden, dass der Steuerkolben wenigstens eine Ausblasöffnung zum Ausblasen - mittels einer pneumatischen Steuerluft oder einer separaten Ausblasluft - des Raums zwischen dem Schaltventil und der Kühldüse

aufweist.

Hierbei ist es günstig, wenn der Ausblasöffnung ein

Rückschlagventil zugeordnet ist, sodass z.B. das Kühlmedium nicht in die Ausblasöffnung eindringen kann.

Alternativ oder zusätzlich zu einer Ausblasöffnung im

Steuerkolben kann der Raum zwischen der Austrittsöffnung des Ventilgehäuses und einer Kühldüse zumindest eine

Ausblasöffnung aufweisen. Das Ausblasen mit Druckluft kann entweder ständig oder periodisch erfolgen. Durch das

Ausblasen wird eine Verschmutzung der Kühldüse,

beispielsweise durch Zunder, verhindert bzw. der Schmutz unmittelbar entfernt. Bei dieser Ausführungsform kann die Ausblasöffnung mit einer Quelle von Ausblasluft, z.B. einem Kompressor, verbunden werden, wobei die

Reinheitsanforderungen an die Ausblasluft deutlich geringer sind als an die sog. Steuerluft, also Druckluft, die zur Ansteuerung von Ventilen verwendet wird.

Um eine Ablenkung eines Strahls des Kühlmediums durch das Ausblasen zu verhindern, ist es günstig, wenn mehrere

Ausblasöffnungen entweder in einer Normalebene zur

Durchflussrichtung des Kühlmediums oder auf einer Kegelfläche angeordnet sind, wobei das Kühlmedium den Kegel in Richtung der Kegelachse durchströmt. Dabei kann der Kegel einen

Öffnungswinkel α von 0° < ^180°, vorzugsweise 15° -S α ^180°, aufweisen. Besonders günstig ist es, wenn die Ausblasöffnungen in der Normalebene oder auf der Kegelfläche unter Einhaltung eines konstanten Winkelabstands zueinander angeordnet sind. Somit weisen n Ausblasöffnungen einen Winkel ß von ß=360°/n

zueinander auf.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele, wobei auf die folgenden Figuren Bezug genommen wird, die Folgendes zeigen: Fig 1 : eine Anordnung von sechs Kühldüsen über der

Breitseite einer Bramme, wobei jeder Kühldüse ein

Schaltventil zugeordnet ist,

Fig 2: eine Darstellung eines pulsweiten modulierten Steuersignals und der Durchflussmenge durch eine Kühldüse über der Zeit,

Fig 3: eine Darstellung eines Schaltventils und einer Kühldüse, wobei das Schaltventil durch ein Pneumatikventil vorgesteuert wird,

Fig 4: eine Darstellung zweier Schaltventile und zweier

Kühldüsen, wobei die Schaltventile durch ein Pneumatikventil vorgesteuert werden,

Fig 5 und 6: ein pneumatisch vorgesteuertes Schaltventil mit einem Membranbalg jeweils in offener und geschlossener Stellung,

Fig 7a und 7b: ein elektromagnetisch direkt betätigtes Schaltventil mit einem Wellenbalg jeweils in geschlossener und offener Stellung,

Fig 8a und 8b: ein pneumatisch betätigtes Schaltventil mit einer Membrane jeweils in offener und geschlossener

Stellung,

Fig 9a und 9b: ein elektromagnetisch direkt betätigtes Schaltventil mit einer Membrane jeweils in offener und geschlossener Stellung,

Fig 10a und 10b: ein Steuerkolben eines Schaltventils mit Bohrungen zum Ausblasen mit Steuerluft jeweils in offener und geschlossener Stellung,

Fig 11 und 12: eine Anordnung von 22 Kühldüsen über die Breitseite einer Bramme, wobei jeweils zwei symmetrisch zur Mittelachse der Breitseite positionierten Kühldüsen ein gemeinsames Schaltventil zugeordnet ist,

Fig 13a und 13b: je eine Darstellung eines Schaltventils und zweier Kühldüsen, wobei vor jeder Kühldüse ein

Rückschlagventil angeordnet ist, Fig 14: eine Darstellung eines pneumatisch

vorgesteuerten Schaltventils mit einem Wellenbalg in

geschlossener Stellung.

Beschreibung der Ausführungsformen

In Fig 1 sind sechs Kühldüsen 2 über die Breitseite einer Bramme 3 verteilt angeordnet, wobei jeder Kühldüse 2 ein Schaltventil 1 zugeordnet ist. Da an jeder Kühldüse 2 nach dem Öffnen des Schaltventils 1 der Systemdruck des

Kühlmediums Wasser anliegt, ist die Wasserverteilung 4 bzw. das Spritzbild auch für unterschiedliche Werte von κ des in Fig 2 dargestellten pulsweiten modulierten (PWM)

Steuersignals 5 konstant. Für ein gleichmäßiges Spritzbild auch bei höheren Grundfrequenzen f = 1/T des PWM Steuersignals 5 ist die Austrittsöffnung des Schaltventils in

Durchflussrichtung des Kühlmediums unmittelbar der Kühldüse 2 vorgelagert .

In Fig 2 ist das PWM Steuersignal 5, mit dem ein Schaltventil angesteuert wird, dargestellt. Höhere Frequenzen führen zu niedrigerer Temperaturfluktuation an der gekühlten

Strangoberfläche, erfordern aber einen höheren Energieaufwand für die Ansteuerung der Schaltventile und sehr kleine

Pulsweiten κ lassen sich dann nicht mehr ohne

Beeinträchtigung des Spritzbildes schalten. Die Gesetze der Strangerstarrung beim Stranggießen ergeben, dass bei gleicher Wiedererwärmung die Periodendauer T = 1/f des

pulsweitenmodulierten Schaltens proportional zum Strangalter gewählt werden muss. Dies legt nahe, die Schaltfrequenz über die Länge der Stranggießanlage gemäß dieser Regel zu stellen. Für gängige Anwendungen beim Kühlen von Stahlsträngen in Stranggießanlagen hat sich eine Trägerfrequenz / von ca. 1 Hz in den vorderen Bereichen des Stranges bewährt. Wie

dargestellt, handelt es sich beim Steuersignal 5 um ein binäres Signal, das entweder einen HI Wert (logisch Eins) oder einen LO (logisch Null) Wert annehmen kann. Gemäß Fig 2 führt ein HI Wert zu einer geöffneten Stellung des

Schaltelements des Schaltventils 1, sodass die maximale

Durchflussmenge durch das Schaltventil 1 über die Kühldüse 2 auf den Strang 3 gespritzt wird. Es wäre jedoch auch möglich, dass ein HI Wert des Steuersignals mit einer geschlossenen Stellung des Schaltelements korrespondiert (vgl. Fig 3).

Andererseits bewirkt ein LO Wert ein Schließen des

Schaltelements, sodass der Durchfluss gesperrt wird.

Verschmiert betrachtet erfährt der Strang 3 eine mittlere Durchflussmenge Q . Das sogenannte Pulsweiten-Verhältnis κ definiert den Anteil des PWM Ansteuersignais, der einen HI Wert aufweist; mit anderen Worten: ein Wert κ von 100% bewirkt, dass das Ansteuersignal ständig HI ist, ein Wert κ von 50% bewirkt, dass das Ansteuersignal jeweils zur Hälfte HI und LO ist, und ein Wert κ von 0% bewirkt, dass das

Ansteuersignal ständig LO ist.

In Fig 3 ist eine Anordnung aus einem Schaltventil 1, einem pneumatischen Vorsteuerventil 7 und einer Kühldüse 2 zur Kühlung eines Strangs 3 dargestellt. Dabei liegt am

pneumatischen 3/2 Wege Vorsteuerventil 7 einerseits der pneumatische Hochdruck 8 und andererseits ein Niederdruck 9 an. Das Vorsteuerventil wird elektrisch mit einem PWM

Steuersignal 5 angesteuert, sodass als Vorsteuerdruck 10 entweder der Hochdruck 8 oder der Niederdruck 9 am

Schaltventil anliegt. So wie dargestellt liegt im

unbestromten, d.h. das Steuersignal ist LO, Zustand des

Vorsteuerventils 7 als Vorsteuerdruck 10 der Niederdruck 9 an, sodass das Vorsteuerventil 7 geöffnet ist und das

Kühlmedium Wasser über die Kühldüse 2 auf den Strang 3 gespritzt wird. Fig 4 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Fig 3, wobei jedoch ein pneumatische 3/2 Wege Vorsteuerventil 7 zwei

Schaltventile 1 ansteuert. Wiederum liegt der Niederdruck 9 als Steuerdruck 10 an, sodass beide Schaltventile 1 das Kühlmedium über die Spritzdüsen 2 auf den Strang 3 spritzen.

Die Fig 5 und 6 zeigen eine Ausführungsform eines

Schaltventils 1 in je einer geöffneten und einer

geschlossenen Stellung, wobei das Schaltventil als ein

Sitzventil mit einem Steuerkolben 16 ausgebildet ist. Im Inneren des Ventilgehäuses 11 ist ein Membranbalg 14

einerseits mit dem Gehäuse 11 und andererseits mit dem

Steuerkolben 16 verbunden, wobei der Membranbalg 14 den

Steuerkolben führt, die Steuerluft 10 vom Kühlwasser 21 trennt und im nicht betätigten Zustand des Schaltventils zusätzlich den Steuerkolben 16 in der geschlossenen Stellung hält. Erreicht der Druck des Kühlmediums einen vorbestimmten Wert, so öffnet der Steuerkolben selbsttätig (sog. „fail safe Operation") . In der in Fig 5 gezeigten geöffneten Stellung kann das Kühlmedium 21 ungehindert von einer Eintrittsöffnung 12 zur Austrittsöffnung 13 strömen, sodass es durch die

Kühldüse 2 auf den Strang aufgespritzt wird. Die Fig 6 zeigt die geschlossene Stellung, wobei als Vorsteuerdruck 10 ein Hochdruck anliegt, sodass der Steuerkolben 16 die

Austrittsöffnung 13 verschließt. Das Vorsteuerventil zur Vorsteuerung des Schaltventils 1 mit dem Vorsteuerdruck 10 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.

In den Fig 7a und 7b ist eine weitere Ausführungsform eines Schaltventils 1 jeweils in einer geschlossenen und einer geöffneten Stellung dargestellt. Dabei wird der Steuerkolben

16 direkt - konkret elektromagnetisch - betätigt, wobei im Falle der Betätigung (siehe Fig 7b) der Steuerkolben 16 zum Elektromagnet 17 gezogen wird. Dabei wird die Federkraft des Wellenbalgs 15 überwunden, sodass das Kühlmedium ungehindert durch das Ventilgehäuse 11 zur Kühldüse 2 strömen kann. In Fig 7a wirkt keine elektromagnetische Kraft auf den

Steuerkolben 16, sodass der Steuerkolben 16 vom Wellenbalg 15 gegen die Auslassöffnung des Ventilgehäuses 11 gepresst wird. In diesem Fall kann somit kein Kühlmedium zur Kühldüse 2 strömen .

Die Fig 8a und 8b zeigen eine weitere Ausführungsform eines Schaltventils 1 jeweils in einer geöffneten und einer

geschlossenen Stellung. Das Schaltventil 1 wird wiederum mittels eines pneumatischen oder hydraulischen

Vorsteuerventils, auf dessen Darstellung verzichtet wurde, vorgesteuert, sodass der plattenförmige Steuerkolben 16 in der geschlossenen Stellung des Schaltventils 1 gegen die Auslassöffnung 13 des Ventilgehäuses 11 gepresst wird. In der geöffneten Stellung liegt der Umgebungsdruck (oder ein gegenüber dem Umgebungsdruck leicht erhöhter Druck) als

Vorsteuerdruck 10 an, sodass der Steuerkolben 16 über die Membran 18 in die geöffnete Stellung zurückgezogen wird.

In den Fig 9a und 9b wird ein direkt betätigtes Schaltventil 1 gezeigt, wobei der Steuerkolben 16 über einen Elektromagnet

17 betätigt wird. In diesem Fall muss die Membran 18

lediglich den Steuerkolben 16 führen; eine Abdichtfunktion ist in diesem Fall nicht notwendig, sofern der Magnet „nass" betrieben werden kann. Hierbei könnte die Membran 18 auch durch eine Feder ersetzt werden. -

Die Fig 10a und 10b zeigen ein Detail für einen Steuerkolben 16 eines pneumatisch vorgesteuerten Schaltventils, wobei die Steuerluft 22 durch Bohrungen 19 im Steuerkolben 16 zum

Ausblasen des Raums zwischen dem Schaltventil und der

Kühldüse verwendet wird. Durch das Ausblasen wird das

Eindringen von Schmutz, z.B. Zunder, in die Kühldüse

verhindert, was sich günstig auf die Zuverlässigkeit des Schaltventils und der Kühleinrichtung auswirkt. Außerdem werden Ablagerungen, z.B. Kalk, im Raum zwischen Ventilsitz und der Kühldüse vermieden.

Die Fig 11 und 12 zeigen eine Anordnung von 22 Kühldüsen, die gleichmäßig über die Breitseite einer Bramme 3 verteilt sind, wobei jeweils zwei Kühldüsen 2 symmetrisch zur Mittelachse der Breitseite angeordnet sind und diesen beiden Kühldüsen ein Schaltventil 1 zugeordnet ist. Diese Anordnung bewirkt einerseits symmetrische Temperaturbedingungen, andererseits wird die Anzahl der Schaltventile 1 bei genügend großer

Auflösung der Kühlmittelverteilung 4 reduziert. Zur

Beeinflussung asymmetrischer Erstarrungsbedingungen kann es jedoch vorteilhaft sein, jeder Kühldüse ein einziges

Schaltventil 1 zuzuordnen. Bei dieser Ausführungsform werden alle Schaltventile 1 von einem gemeinsamen Steuerdruck 10 beaufschlagt, wobei das unterschiedliche Öffnen bzw.

Schließen eines Schaltelements eines Schaltventils 1 durch unterschiedlich gewählte Federsteifigkeiten erreicht wird.

Die Fig 13a und 13b zeigen zwei Ausführungsformen eines direkt, beispielsweise durch einen Elektromagnet wie in den Fig 7a, 7b, 9a, 9b, angesteuerten Schaltventils 1, das zwei

Kühldüsen 2 mit einem Kühlmedium versorgt. Bei Fig 13a ist in Durchflussrichtung 23 des Kühlmediums jeweils zwischen einer Austrittsöffnung 13 des Schaltventils 1 und einer Kühldüse 2 ein Rückschlagventil mit Feder 20 angeordnet; anstelle des Rückschlagventils mit Feder 20 zeigt die Fig 13b ein

entsperrbares Rückschlagventil 20. Bei diesen

Ausführungsformen ist es nicht notwendig, das Schaltventil 1 im Nahbereich der Kühldüse 2 anzuordnen, da selbst bei einem geschlossenem Schaltventil 1 in den Leitungen zwischen dem Schaltventil 1 und dem Rückschlagventil 20 ein hydraulischer Druck eingesperrt wird. Nach der Öffnung des Schaltventils 1 muss in der Leitung lediglich ein geringer Relativdruck aufgebaut werden um das Rückschlagventil 20 zu entsperren und das Kühlmedium in Durchflussrichtung 23 auf den Strang 3 aufzuspritzen. Durch die Anordnung des Rückschlagventils 20 unmittelbar vor der Kühldüse 2 wird lediglich eine sehr geringe Menge an Kühlmedium nach dem Schließen des

Schaltventils 1 noch auf den Strang 3 ausgebracht (sog.

Nachtropfen) .

Um ein Verstopfen der Kühldüse 2 durch Schmutz bzw.

Ablagerungen (Kalk etc.) zu verhindern, kann optional auch zwischen dem Rückschlagventil 20 und der Kühldüse 2 eine Ausblaseeinrichtung (z.B. eine Ausblasöffnung (vgl. die Fig 10a und 14, Bezugszeichen 19) oder ein separater

Druckluftanschluss ) zum Ausblasen angeordnet sein.

Die Fig 14 zeigt ein pneumatisch vorgesteuertes Schaltventil 1 mit einem Wellenbalg 15. Im Inneren des Ventilgehäuses 11 befindet sich ein Steuerkolben 16, der mit einem Steuerdruck 10 beaufschlagt wird. Durch den Steuerdruck wird der

Steuerkolben 16 gegen die - in dieser Ansicht - nicht sichtbare Austrittsöffnung 13 gepresst, sodass kein

Kühlmedium von der Eintrittsöffnung 12 zur Kühldüse 2 strömen kann. Um die Betriebskosten für die relativ teure Steuerluft (vgl. die Fig 10a, 10b) zu senken, weist das Schaltventil 1 in Durchflussrichtung 23 vor dem Ende der Kühldüse 2 zwei Ausblasöffnungen 19 auf, die ständig mit Ausblasluft ausgeblasen werden. Hierzu sind die Ausblasöffnungen 19 mit einer Druckluftquelle verbunden. Die beiden Ausblasöffnungen sind in einer Normalebene zur Durchflussrichtung 23 einander gegenüberliegend angeordnet (Winkelversatz ß = 180°), sodass die Ausblasluft einen Kühlmittelstrahl nicht ablenkt.

Die Anordnung zumindest einer Ausblasöffnung zwischen einer Austrittsöffnung 13 des Ventilgehäuses 11 und einer Kühldüse ist nicht auf pneumatisch vorgesteuerte Schaltventile 1 beschränkt; diese Ausführungsform kann natürlich auch bei direkt (vgl. Fig 7a, 7b, 9a, 9b) gesteuerten Schaltventilen eingesetzt werden.

Natürlich ist die Erfindung keineswegs auf Brammenformate beschränkt; vielmehr ist sie auch auf Knüppel-, Vorblock- und sogenannte „beam blank" Formate anwendbar.

Bezugs zeichenliste

1 Schaltventil

2 Kühldüse

3 Strang

4 Wasserverteilung

5 Steuersignal

6 Durchflussmenge

7 Vorsteuerventil

8 Hochdruck

9 Niederdruck

10 Steuerdruck

11 Ventilgehäuse

12 Eintrittsöffnung

13 Austrittsöffnung

14 Membranbalg

15 Wellenbalg

16 Steuerkolben

17 Elektromagnet

18 Membran

19 Bohrung

20 Rückschlagventil

21 Kühlwasser

22 Steuerluft

23 Durchflussrichtung e Regelfehler

f Trägerfrequenz

K Pulsweiten Verhältnis u Stellgröße

T _PWM Periodendauer

T Temperatur