Optimierung des Stranggießens durch Luftnebelkühlung: Effizienz und Qualität

Moderne Stranggießanlagen (CCM) müssen effizient ein breites Stahlsortenspektrum gießen: von ultraniedrig- und niedrigkohlenstoffhaltig bis hochkohlenstoffhaltig, niedriglegiert, hochwertige Rohrleitungsgüten. Konsistente Spitzenqualität erfordert erhöhte Betriebs- und Wartungsflexibilität der CCM, um für jede Sorte optimale Gießparameter einzuhalten. Diese Flexibilität erstreckt sich nicht nur auf Maschinenkomponenten und Steuerungssysteme, sondern auch auf die Sekundärkühlzone (Abb. 1) und fordert effizientere, zuverlässigere Sprühkühlung. Daher rückt die Sekundärkühlzone wegen verbesserter Produktqualität und höherer Produktivität in den Fokus. CCMs benötigen hocheffiziente Sprühkühlsysteme in der Sekundärkühlzone.

Rolle der Wasserkühlung

Wasserkühlung extrahiert Wärme aus erstarrendem Flüssigstahl – in der Kokille und nach Kokillenauslauf. Charakterisiert durch komplexe Siedevorgänge. Wärmeentzugsraten hängen stark von der Metalloberflächentemperatur ab und ändern sich schnell während des Strangabkühlens. Unkontrollierte Kühlung verursacht Temperaturschwankungen im erstarrenden Stahlschaleninneren, erzeugt thermische Zugspannungen an der Erstarrungsfront → Heißrisse im Endprodukt. Abb. 2 zeigt schematisch Sekundärkühlung und Wärmefluß-Oberflächentemperatur-Beziehung.

Sprühkühlung ist der einzige steuerbare Teil der Sekundärkühlung und damit Hauptfaktor für Produktqualität und Produktivität. Düsen versprühen Wasser. Hauptzweck: Strangoberflächenkühlung. Düsenanordnung und Prozessparameter bestimmen Sprühkühlcharakteristik. Düsenanordnung definiert gekühlte Strangoberfläche, Prozessparameter (Betriebsdruck, Durchfluss) Kühlintensität und -verteilung. Wärmeentzug (definiert Kühlung/Erstarrung) resultiert aus beidem.

Hauptauswahlkriterium für Sprühdüsen: Wärmeübergangskoeffizient, bestimmt durch Sprühmuster, Flüssigkeitsverteilung (Dichte), Volumen. Optimierungspotenziale Düsenanordnung: (i) Düsenausrichtung, (ii) Verteiler- und Segmentrohrdesign, (iii) Flüssigkeitsverteilungsoptimierung. Prozessparameter-Optimierung: (i) Zerstäubungstyp (Luftnebel oder Reinstwasser), (ii) Sprühkinetik, (iii) Sprühpotenzial, (iv) korrelierte Kühleffizienz (gemessen am Wärmeübergangskoeffizienten).

Prinzip der Luftnebelkühlung

Luftnebelkühlung in der Sekundärkühlzone ist ein Schritt zu effizienteren Systemen. Luftnebeldüsen nutzen Druckluft zusätzlich zum Wasserdruck zur Zerstäubung des Sekundärkühlwassers. Dies ermöglicht deutlich größere Regelbereiche (Turn-down-Ratio) – notwendig bei breitem Sortenspektrum. Luftnebeldüsen bieten auch größere innere Freiquerschnitte als Einfluiddüsen gleicher Durchflussgröße.

Funktionsweise

Wasser wird durch spezielle Nebeldüsen gepresst → Nebel aus ultrafeinen Wassertropfen (mittlerer Durchmesser ≤25 µm / 0,025 mm). Hochdruck-Nebelkühlung: sogar 5 µm (0,005 mm). Ein Liter Wasser erzeugt größere Oberfläche als ein großes Feld. Größere Oberfläche → schnelleres Verdunsten. Winzige Tropfen (Nebel) absorbieren Umgebungswärme schnell, verdampfen zu Wasserdampf. Die für Phasenänderung nötige Energie (Verdampfungsenthalpie) wird der Umgebung entzogen → Kühlung.

Relative Luftfeuchtigkeit entscheidend: Verhältnis tatsächlicher Feuchte zur maximal möglichen bei gegebener Temperatur. Bestimmt maximales Luftnebelkühlpotenzial. Je niedriger relative Feuchte, desto mehr Wasser verdampft, desto mehr Wärme wird entzogen. Bei Wassersprühkühlung auf heiße Stahloberfläche (>Leidenfrost-Punkt) bildet sich Dampfschicht zwischen Stahl und Wasser – "Filmsieden" (Abb. 2). Studien mit hydraulischen Düsen: Wärmeübergangskoeffizient hängt stark von Massenwasserfluss ab. Luftzugabe zur Wassersprühung schafft komplexere Situation: Luft bewirkt Zerstäubung, unterstützt Stahlflächenkühlung.

Leidenfrost-Phänomen: Benannt nach deutsch. Arzt J. G. Leidenfrost. Flüssigkeit auf sehr heißer Oberfläche bildet isolierende Dampfschicht, verhindert schnelles Sieden. Leidenfrost-Punkt = Beginn stabilen Filmsiedens. Punkt auf Siedekurve mit minimalem Wärmefluss, Oberfläche vollständig von Dampfdecke bedeckt. Wärmeübergang durch Leitung/Strahlung durch Dampf.

Nicht nur spezifische Wasserdichte entscheidend für Wärmeübergangskoeffizient. Luft/Wasser-Verhältnis ebenfalls: Druckluft liefert kinetische Energie für Tropfendurchdringung der Dampfschicht über Strangoberfläche. Wichtig >650 °C wegen Leidenfrost. Auch Düsen-Sprühwinkel und -höhe wichtig: bestimmen Sprühfußabdruck (Breite/Tiefe) → Wasserstrahldichte (Wasserfluss) und Strahlaufprall. Zusätzlich: Verhältnis Druckluftvolumen/Wasserfluss als Faktor. Sprühkühlung am Strang involviert Sieden und Dampfschichtbildung. Druckluft liefert kinetische Energie für Tropfendurchdringung der Dampfschicht.

Luftnebeldüsen

Ursprünglicher Ansatz Sekundärkühlung: Einfluiddüsen. Düsen-Technologie verbessert sich, viele Anlagen laufen noch wasserbasiert mit hoher Produktivität/Qualität. Heutige Anforderung: hohe Flexibilität bei Sorten- und Querschnittswechsel → hohe Flexibilität Sekundärkühlung → Luftnebeldüsen nötig.

Wesentliche Merkmale moderner Luftnebeldüsen: Mischkammer, Verlängerungsrohr, Wasser-/Luft-Einlassadapter, deren interne Geometrien und Düsenspitzengeometrie. Präzisionsdesign für: sehr hohen Wärmeübergangskoeffizienten, stabile Sprühwinkel, gleichmäßige Wasserverteilung. Nicht verstopfend, keine Verschleißteile in Mischkammer. Sprühbreit stabil über weiten Wasserdruckbereich → konstante, uniforme Sprühcharakteristik.

Anforderungen an Luftnebeldüsen: (i) Zerstäubung zu feinem Nebel für gleichmäßige Stahlkühlung, (ii) Weitwinkelausstoß zur Reduktion Düsenanzahl, (iii) Größerer Düsenauslass → weniger Verstopfung, größerer Durchflussbereich, (iv) Einbau zwischen Walzen. Wichtige Faktoren für effektiven Wärmeübergang: (i) Flussdichte des Luftnebels, (ii) Sprühgeschwindigkeit.

Wünschenswert: großer Turn-down-Ratio → minimale Düsentypen in CCM → geringere Wartung, niedrigerer Düsenlagerbestand.

Da Luftnebeldüsen mit Druckluft + Wasser arbeiten, sind für gleichen Wasserdurchfluss größere Freiquerschnitte nötig als bei Einfluiddüsen. Größere Freiquerschnitte → weniger interne Verstopfung durch schlechte Sprühwasserqualität → längere Düsenlebensdauer, geringerer Wartungsaufwand. Abb. 3 und Tabelle 1 vergleichen Einfluiddüse mit Luftnebeldüse.

Tabelle 1: Vergleich Luftnebelkühlung vs. Einfluiddüsenkühlung
Nr.	Luftnebelkühlung	Einfluiddüsenkühlung
1	Wasser-Durchfluss Turn-down max. 30:1	Wasser-Durchfluss Turn-down max. 3,7:1
2	Große Querschnitte	Kleine Querschnitte
3	Minimale Verstopfungsneigung	Höhere Verstopfungsneigung
4	Konstanter Sprühwinkel	Sprühwinkel variiert stark mit Druck
5	Gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung	Ungleichmäßige Flüssigkeitsverteilung
6	Höhere Wärmeentzugsfähigkeit	Begrenzte Wärmeentzugsfähigkeit
7	Weiter Gießgeschwindigkeitsbereich für ideale Erstarrung	Begrenzter Gießgeschwindigkeitsbereich für ideale Erstarrung
8	Ermöglicht breites Stahlsortenspektrum auf CCM	Begrenzt Stahlsortenspektrum auf CCM
9	Geringerer Wasserbedarf	Höherer Wasserbedarf
10	Höhere Installationskosten	Niedrigere Installationskosten

In CCM-Sekundärkühlung müssen Düsen gleichmäßige Wasserverteilung über Strangoberfläche und gesamten Turn-down-Ratio liefern. Toleranzen ±15 % vom Mittelwert erreichbar mit Mehrdüsanordnung bei Wasserdrücken 1–7 kg/cm². Gleichmäßige Sprühverteilungen von Luftnebeldüsen bei min/max Turn-down in Abb. 4.

Hauptvorteil Luftnebeldüse ggü. Einfluiddüse: Erhöhter Wasser-Turn-down-Ratio. Berechnung: Durchfluss bei max. Betriebsdruck (typ. 7 kg/cm²) geteilt durch Durchfluss bei min. Betriebsdruck (typ. 0,5 kg/cm² Luftnebel, 1 kg/cm² Einfluiddüse). Stabile Sprühverteilung in diesen Bereichen. Typische Turn-down-Ratios: Luftnebel 10:1–30:1, Einfluiddüsen 2,6:1–3,7:1. Erhöhter Turn-down → höhere Flexibilität bei Wärmeübergangsvariation. Abb. 5: Vergleich Turn-down-Ratios und Wärmeübergangskoeffizienten.

Luftnebeldüsen für Knüppel- und Blockguss

Bei Knüppel-/Block-CCM ist Flachstrahldüse oft nicht beste Wahl – besonders bei "Halbwegs-Rissen" (Halfway cracks). Diese entstehen durch Wiederaufheizung der Strangoberfläche nach Passieren der scharfen Wärmeentzugszone unter Sprühstrahl. Während Wiederaufheizung dehnt sich Oberfläche aus, erzeugt Zugdehnung im heißeren, schwächeren Kernmaterial → Risse. Flachstrahldüsen verstärken diesen Effekt.

Vollkegeldüsen oder Ovaldüsen kühlen sanfter über erweiterte Fläche. Standard bei Einfluiddüsen-Sekundärkühlung, aber lange keine adäquate Luftnebel-Version. Übliche Vollkegel-Luftnebeldüsen: instabile Sprühleistung, sehr hoher Luftverbrauch, leichtes Verstopfen. Ovalkegel-Luftnebeldüsen mit Mehrschlitzöffnungen: nicht-uniforme Sprühmuster, sehr enge, leicht verstopfende Schlitze → kaum mehr als Kompromiss.

Neue Generation Vollkegel- und Ovalkegel-Luftnebeldüsen ermöglicht effektive Luftnebelkühlung bei Knüppel-/Block-CCM. Kompakter Blockdesign ermöglicht Montage auf horizontalen Sprühbalken und vertikalen "Bananen"-Düsenverteilern. Abb. 6: Typische Vollkegel-Luftnebeldüse.

Erreichte Turn-down-Ratios 1:14 bei Wasserdruck 1–10 kg/cm², konstanter Luftdruck 2 kg/cm². Nennsprühwinkel Vollkegel: 0–90°. Freiquerschnitte 2 mm Durchmesser – ca. 3× höher als vorher für Düsengrößen mit 0,5 l/min (1 kg/cm²) bis 5 l/min (7 kg/cm²) bei konstant 2 kg/cm² Luftdruck.

Tabelle 2: Leistungsvergleich Luftnebelkühlung vs. Sprühkühlung in japanischen Stahlwerken.

Tabelle 2: Vergleich Luftnebelkühlung und Sprühkühlung in japanischen Werken
Nr.	Stahlwerk	Verstopfung		Wartung
		Luftnebel	Sprühkühlung	Luftnebel	Sprühkühlung
1	Werk A	0,89 % in 15 Tagen*	1,5–19,8 % in 15 Tagen	Reinigung verstopfter Düsen in 15 Tagen*	Reinigung verstopfter Düsen in 15 Tagen
2	Werk B	Gering	~20 % in 5 Monaten	Kein Verstopfen	Wechsel verstopfter Düsen 3–12 Monate
3	Werk C	Gering	Laufsteg-Nutzung	15 Düsenwechsel in 2 Monaten	Laufsteg-Nutzung
4	Werk D	Gering	~20 % in 4 Monaten	Kontrolle alle 15 Tage	Kontrolle jeden Guss
	* Luftinjektordüse

Vorteile der Luftnebelkühlung im Stranggießen

• Geringere Oberflächen- und Eckenrisse, Mittelseigerung durch verbesserte Flüssigkeitsverteilung und reduzierten Kühlwasserverbrauch
• Höhere Gießgeschwindigkeiten und Produktionskapazität
• Verbesserte CCM-Betriebsbedingungen für erweitertes Sortimentspektrum durch breiteren Turn-down-Ratio und Luft/Wasser-Optimierung
• Deutlich reduzierte Wartungs- und Rohrkosten durch einfache, starre Düsenmontage und Sprührohrführung
• Verbesserte Betriebssicherheit durch perfekte Düsen-/Rohrausrichtung und reduzierte Düsenverstopfung