Kokille zum Gießen von Metall

Die Erfindung betrifft eine Kokille zum Gießen von Metall mit einer Mehrzahl von Temperaturmesseinrichtungen, die in einer Wand in der Kokille angeordnet sind zum Erfassen der Temperaturverteilung in der Wand während des Gießbetriebs.

Eine derartige Kokille mit einer Mehrzahl von Temperaturmesseinrichtungen ist im Stand der Technik bekannt und zum Beispiel in der internationalen Patentanmeldung WO 2004/082869 A1 offenbart. Gemäß der dort beschriebenen technischen Lehre sind die Temperaturmesseinrichtungen in Form von Thermoelementen einzeln in für sie jeweils vorgesehene individuelle Bohrungen in der Kokille eingebracht. Die einzelnen Thermoelemente werden mit einer Federkraft gegen den Grund der Bohrung gedrückt, um dort den Kontakt ihrer Messstellen mit dem Kokillenmaterial zu gewährleisten. Die Thermoelemente sind in unterschiedlicher Tiefe in die Kokillenplatte eingebracht. Dies ist insbesondere sinnvoll zur Bestimmung der Wärmestromdichte in der Kokillenplatte.

Die erwähnte Art der individuellen Montage jedes einzelnen Thermoelementes in der Kokillenplatte erfordert einen hohen Installationsaufwand. Der Anschluss der Thermoelemente erfolgt typischerweise über eine separate Harting- Kupplung. Bei der Installation wird die Kupplung oft versehentlich beschädigt, woraufhin eine aufwendige Rekonstruktion der korrekten Anschlussweise vorzunehmen ist. Problematisch ist die Positionierung der Thermoelemente zueinander. Bei einem Abstand von zum Beispiel nur 10 mm führt eine Abweichung der Bohrungstiefe und damit der Position der Messspitzen der Thermoelemente in Tiefenrichtung von nur 1 mm bereits zu einer zehnprozentigen Abweichung im Messergebnis.

SSSTäTIGUNGSKOPtE

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine bekannte Kokille zum Gießen von Metall mit einer Mehrzahl von Temperaturmesseinrichtungen dahingehend weiterzubilden, dass der Aufwand für die Installation der Mehrzahl von Temperaturmesseinrichtungen verringert wird, aber gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit und Aussagekraft des Messer- gebnisses gewahrt bleibt.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinrichtungen in einem Modul fest zueinander positioniert angeordnet sind und zusammen mit dem Modul eine bauliche Einheit bilden und dass die bauliche Einheit zum Erfassen der Temperaturverteilung in oder an der Wand der Kokille befestigt ist.

Der große Vorteil bei der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die bauliche Einheit, dass heißt das Modul mit den darin angeordneten Tempera- turmesseinrichtungen, bereits vor der Montage der gesamten Kokille in einer Anlage in der Werkstatt beim Hersteller vormontiert werden kann.

Die Vormontage der Temperaturmesseinrichtungen in dem Modul ermöglicht vorteilhafterweise eine freie und genaue Positionierung der Temperaturmess- einrichtungen zueinander, d.h. in einem gewünschten richtigen Abstand zueinander und in der richtigen Tiefe; insbesondere sind die Abstände nicht mehr zwingend durch die Abstände von Befestigungsbolzen, mit denen der Wasserkasten an die Kokille angeschraubt wird und in denen die Temperaturmesseinrichtungen, insbesondere in Form von Thermoelementen, traditionell geführt wurden, definiert. Stattdessen ermöglicht die Vormontage in dem Modul auch eine so kurze Beabstandung der Temperaturmesseinrichtungen bzw. von deren Messspitzen zueinander, z.B. 10 mm, dass eine lückenlose überwachung des erkaltenden und erstarrenden Strangs in der Kokille im Hinblick auf Längsrissbildung und Durchbruchfrüherkennung über der gesamten Breite des Strangs durch Auswerten der gemessenen Temperaturverteilung möglich ist. Allgemein können durch die freie Positionierung der Temperaturmesseinrichtungen die

Abweichungen der Messergebnisse auf ein Minimum reduziert und so die Aussagekraft der Messung erheblich gesteigert werden.

Bei der Endmontage der Kokille ist dann die bauliche Einheit inklusive der Temperaturmesseinrichtungen nur noch als Ganzes in oder an der Wand zu befestigen. Der Installationsaufwand für die Temperaturmesseinrichtungen insbesondere bei der Endmontage der Kokille wird deshalb auf ein Minimum beschränkt.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Wand der Kokille eine Ausnehmung auf, zur Aufnahme der baulichen Einheit. Dabei gilt es zu beachten, dass ein möglichst optimaler Wärmeübergang zwischen der baulichen Einheit und dem Material der Kokille gewährleistet wird. Dafür ist es zum einen wichtig, dass die Tiefe der Ausnehmung auf die Tiefe bzw. Höhe des Moduls abgestimmt ist und insbesondere zwischen dem Grund oder der Wandung der Ausnehmung in der Kokille und der Oberfläche des Moduls bzw. den Messspitzen der Messeinrichtungen ein möglichst guter großflächiger Kontakt ausgebildet wird, um eine optimale Wärmeübertragung zwischen Modul und Kokillenwand zu gewährleisten. Die Wärmeübertragung kann zum Beispiel durch die Verwendung einer Wärmeleitpaste, die allerdings den hohen Temperaturen, wie sie beim Gießbetrieb in der Kokille auftreten, standhalten muss, verbessert werden.

Die bauliche Einheit ist z.B. von der Kaltseite her in eine Wand der Kokille eingelassen bzw. auf diese montiert. Damit die bauliche Einheit den Kühlmittelfluss in den Kühlkanälen der Kokillenwand nicht beeinträchtigt, wird die bauliche Einheit in diesem Fall zwischen zwei benachbarten Kühlkanälen montiert.

Alternativ ist die Ausnehmung für die bauliche Einheit als seitliche, vorzugsweise horizontale, Bohrung in der Wand der Kokille zwischen deren Heißseite und dem Grund der Kühlkanäle ausgebildet.

Um den Wärmefluss in der Wand der Kokille möglichst wenig zu stören, wird die Ausnehmung nach dem Einbau der baulichen Einheit durch eine plattenför- mige Abdeckung vorzugsweise bündig mit der äußeren Oberfläche der Wand der Kokille wieder verschlossen. Dann ist ein Wärmefluss auch durch die Abdeckung möglich.

Das Modul bzw. die bauliche Einheit und die Ausnehmung in der bzw. auf der Kaltseite der Kokille sind vorzugsweise in Dickenrichtung der Kokillenwand, d.h. quer zur Gießrichtung bzw. von der Kalt- zur Heißseite, gestuft ausgebildet. Die Stufung gewährleistet vorteilhafterweise eine Stabilisierung des Moduls bzw. der baulichen Einheit in der Kokille gegen ein Verkippen.

Nicht nur die Kaltseite der Kokille weist, wie oben beschrieben, eine Ausnehmung auf, sondern auch das Modul weist seinerseits eine Ausnehmung, nachfolgend Temperaturmesseinrichtungs-Ausnehmung genannt, auf zur Aufnahme von jeweils einer Temperaturmesseinrichtung. Dabei ist die Temperaturmesseinrichtung in der Temperaturmesseinrichtungs-Ausnehmung so angeordnet, dass deren Messspitze bzw. dessen Messspitzen den Grund oder die Wandung der Ausnehmung kontaktiert.

Die Temperaturmesseinrichtung kann z.B. als Thermoelement oder als faseroptischer Temperatursensor ausgebildet sein, wobei letzterer eine Temperaturmessung mittels des optical time domain reflectometry OTDR-Verfahrens oder des Fibre-Bragg-Grating FBG-Verfahrens ermöglicht. Die phaseroptischen Temperatursensoren sind sehr dünn; dies hat den Vorteil, dass viele Tempera- turmessstellen nahe beieinander angeordnet werden können, ohne dass sich deren Signale bzw. Messergebnisse gegenseitig beeinflussen und verfälschen.

Zum Zwecke einer zuverlässigen Wärmestromdichtemessung sind die Temperaturmesseinrichtungen in dem Modul paarweise angeordnet, wobei die beiden Temperaturmesseinrichtungen, insbesondere Thermoelemente eines Paares vorzugsweise jeweils unterschiedlich tief in das Modul bzw. in die Kokille hinein-

ragen. Die Temperaturmesseinrichtungs-Ausnehmungen in dem Modul sind dementsprechend unterschiedlich tief ausgebildet.

Die Temperaturmesseinrichtungs-Ausnehmungen in dem Modul können beispielsweise als Bohrung (gestuft oder nicht gestuft) oder als Nut am Rand des Moduls ausgebildet sein. Die Ausbildung als Nut hat den Vorteil, dass insbesondere auch die Messspitze der Temperaturmesseinrichtung beim Einsetzen in das Modul bzw. in die Nut zugänglich sind und eine Kontaktierung der Messspitze mit dem Grund bzw. dem Boden der Temperaturmesseinrichtungs- Ausnehmung sichergestellt werden kann. Bei Verwendung von Thermoelemen- ten sind deren Messspitzen vorteilhafterweise mit dem Grund der Nuten verlötet, um einen optimalen Kontakt und Wärmeübergang sowie eine exakte Positionierung zu garantieren.

Die Temperaturmesseinrichtungen sind in den Temperaturmesseinrichtungs- Ausnehmungen in dem Modul fixiert. Die Fixierung kann erfolgen durch Einkleben oder Einklemmen der Temperaturmesseinrichtungen in die entsprechenden Ausnehmungen. Zum Einkleben wird vorteilhafterweise hoch wärmefestes Harz, z. B. Dehnmessstreifen DMS Harz, verwendet. Alternativ kann die Temperaturmesseinrichtung auch in die Temperaturmesseinrichtungs-Ausnehmung eingeklemmt werden, im Falle von Thermoelementen zum Beispiel mit Hilfe einer ringförmigen Kegelschraube. Hierbei ist an der Temperaturmesseinrich- tungs-Ausnehmung ein Gewinde mit einem kegelförmigen Auslauf vorzusehen. Das Thermoelement wird durch den ringförmigen Kegel, vorzugsweise aus Kupfer, mit Außengewinde geführt. Dieser Kegel bzw. diese Kegelschraube klemmt das Thermoelement dann beim Einschrauben fest und presst es durch die Schraubrichtung gleichzeitig an den Bohrungsgrund.

Vorteilhafterweise ist das Modul und dessen Thermoelement-Ausnehmungen bzw. Bohrungen durch Erodieren hergestellt. Die besagte quaderförmige bzw. gestuft quaderförmige Form des Moduls ist dafür besonders geeignet. Das

Herstellungsverfahren „Erodieren" bietet den Vorteil, dass Bohrungsgrate und

Bohrungskegel vermieden werden, bei gleichzeitig sehr präziser Einhaltung bzw. Realisierung der gewünschten Bohrungstiefe. Durch das einmalige Spannen eines Bauteils beim Erodieren zur Herstellung einer größeren Anzahl von Bohrungen können die Kosten für das Erodieren in Grenzen gehalten werden.

Zur Gewährleistung eines optimalen Wärmeüberganges ist das Modul vorzugsweise aus dem gleichen Material gefertigt wie die Kokille selbst.

Zur Verbesserung der übersichtlichkeit der Kabelführung, insbesondere bezüglich der Anschlusskabel der Thermoelemente auf dem Modul, empfiehlt sich die Verwendung eines Zentralsteckers für die Anschlusskabel der Thermoelemente auf dem Modul. Ein derartiger Zentralstecker kann als reine vielfachpolige Steckverbindung oder als Multiplexer ausgebildet sein. Alternativ kann der Zentralstecker auch als Busschnittstelle bzw. Busmodul, zum Beispiel Feldbus- Modul, ausgebildet sein. Dann wäre der Zentralstecker in der Lage, die Signale der Thermoelemente umzuwandeln in ein Bus-Format. Gleichzeitig sollte die Bus-Schnittstelle bzw. das Bus-Modul auch in der Lage sein, die Umwandlung in umgekehrter Richtung, dass heißt vom Bus-Format in ein Format für ein Aktorsignal umzuwandeln. Bei Verwendung einer Mehrzahl von baulichen Einheiten kann es sinnvoll sein, die Zentralstecker auf den einzelnen baulichen Ein- heiten mit einem übergeordneten Zentralstecker zu verbinden. Bei dieser Schaltungskonfiguration können sowohl die Zentralstecker wie auch der übergeordnete Zentralstecker als Bus-Schnittstellen ausgebildet sein.

über die Zentralstecker - gegebenenfalls unter Zwischenschaltung des überge- ordneten Zentralsteckers - können die Thermoelemente an eine geeignete Auswerteeinrichtung oder eine Regeleinrichtung angeschlossen werden.

Der Beschreibung sind insgesamt 6 Figuren beigefügt, wobei

Figur 1 die Kaltseite einer Kokille mit der Ausnehmung bzw. mit der baulichen Einheit in

a) einer Draufsicht, b) einer ersten Queransicht und c) einer zweiten Queransicht;

Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße bauliche Einheit in drei verschiedenen Perspektiven;

Figur 3 das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen baulichen Einheit in einer Variante mit Zentralstecker;

Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel (gestuft) für die erfindungsgemäße bauliche Einheit;

Figur 5 eine Kokille für Rund, Rechteck und Quadrat; und

Figur 6 eine Kokille für Beam Blank

zeigt.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugzeichen bezeichnet.

Figur 1 a) zeigt die Kaltseite einer Kokille, genauer gesagt einer (Seiten-)Wand 100 der Kokille in einer Draufsicht. Es sind vertikal geführte Kühlkanäle 200 sowie zwischen den Kühlkanälen Ausnehmungen 120, 120' für die baulichen Einheiten 500 und 500' zu erkennen. Die Ausnehmungen 120 und damit auch die gegebenenfalls darin eingebauten baulichen Einheiten 500 bzw. 500' sind jeweils zwischen zwei benachbarten Kühlkanälen angeordnet. Die Module 500 und 500' sind in Figur 1 a) unterschiedlich lang eingezeichnet. Dies zeigt, dass

die baulichen Einheiten mit einer unterschiedlichen Anzahl von Thermoelementen in ein und derselben Wand 100 einer Kokille vorgesehen sein können.

Figur 1 b) zeigt einen Schnitt durch die Wand 100 der Kokille gemäß Figur a) in Gießrichtung. Es ist die Ausnehmung 120' für die bauliche Einheit und der Kühl- kanal 200 zu erkennen. Der Boden der Ausnehmung 120 reicht sehr nahe an die Heißseite H der Kokillenwand 100 heran. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Thermoelemente auch tatsächlich die Temperaturverteilung in der Nähe der Heißseite H der Kokille auf möglichst realistische Weise erfassen.

Figur 1 c) zeigt einen Querschnitt durch die Wand 100 der Kokille gemäß Figur 1 a) quer zur Gießrichtung. Diese Figur zeigt anschaulich die unterschiedlichen Querschnitte für die Ausnehmungen 120 in der Tiefe der Kokillenwand 100: streng quaderförmig, nicht gestuft, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel 120 oder gestuft gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Bei der Stufung S verjüngt sich die Breite der Ausnehmung 120' bzw. der baulichen Einheit 500' im Bereich größerer Tiefen. Aufgrund dieser Stufung wird eine größere Steifigkeit der baulichen Einheit bei Einbau in die Ausnehmung erreicht.

Figur 2 veranschaulicht das erste Ausführungsbeispiel für die bauliche Einheit 500. Es ist zu erkennen, dass die Temperaturmesseinrichtungs-Ausnehmungen 420 für die Thermoelemente 300 in dem Modul 400 beispielhaft in Form von Nuten an den Seitenwänden des Moduls ausgebildet sind. Die Ausbildung der Nuten an den Seitenrändern bietet den Vorteil, dass die Thermoelemente nach dem Einsetzen in die Nuten zugänglich sind; insbesondere kann bei dieser Aus- führung die Messspitze 310 der Thermoelemente 300 mit dem Grund der Nut verlötet sein. In Figur 2 ist weiterhin zu erkennen, dass die Thermoelemente paarweise gegenüberliegend angeordnet sind. Die an einem solchen Paar beteiligten Thermoelemente ragen jeweils unterschiedlich tief in das Modul hinein; vergleiche die Abstände A und B jeweils zwischen den Messspitzen 310 der Thermoelemente und den heißseitigen Begrenzungen H ¹ der Module. Diese

unterschiedlichen Abstände A und B sind für eine zuverlässige Berechnung der Wärmestromdichte in der Kokillenwand erforderlich.

Die Figur 3 zeigt das erste Ausführungsbeispiel des Moduls bzw. der baulichen Einheit gemäß Figur 2 ergänzt mit einem Zentralstecker 600 auf dem Modul 400. An den Zentralstecker 600 sind alle Anschlusskabel 330 der Thermoelemente 300 auf dem Modul anschließbar und bündelbar. Er ermöglicht die Weiterleitung der Signale aller Thermoelemente über vorzugsweise nur ein einzelnes, eventuell aber mehradriges Ausgangskabel 700. Zu diesem Zweck kann der Zentralstecker zum Beispiel in Form eines vielpoligen Steckers ausgebildet sein. Alternativ kann der Stecker auch als Multiplexer ausgebildet sein. In einer weiteren Alternative kann der zentrale Stecker auch als Busschnittstelle und das Kabel 700 als Busleitung ausgebildet sein. Die Busschnittstelle, auch Busmodul genannt, ist dann ausgebildet, die Signale der Thermoelemente in das Format bzw. Protokoll des jeweils verwendeten Busses umzusetzen.

Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Modul, hier in Form einer gestuften Ausführung. Die Stufe ist in Figur 4 jeweils in Form von vertikalen Linien teilweise durchgezogen, teilweise strichpunktiert jeweils mit den Bezugzeichen S angedeutet. Besonders anschaulich ist die Stufe in Figur 1 a) zu erkennen.

Figur 5 zeigt eine Messanordnung einer Kokille für Rund, Rechteck und Quadrat.

Figur 6 zeigt eine Messanordnung einer Kokille für Beam Blank.

Bezugszeichenliste

100 Wand der Kokille

120 Ausnehmung für die bauliche Einheit 500

120' Ausnehmung für die bauliche Einheit 500'

200 Kühlkanal

300 Thermoelement 330 Anschlusskabel Thermoelement

400 Modul

420 Aussparung für Thermoelement

500 bauliche Einheit gemäß erstem Ausführungsbeispiel

500' bauliche Einheit gemäß zweitem Ausführungsbeispiel 600 Zentralstecker

700 Ausgangskabel

A, B Abstände S Stufe