DE2731239C2

DE2731239C2 -

Info

Publication number: DE2731239C2
Application number: DE19772731239
Authority: DE
Inventors: Roger Algrange Fr Ventavoli; Jean-Pierre Metz Fr Birat
Original assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Current assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Priority date: 1976-07-13
Filing date: 1977-07-11
Publication date: 1988-08-25
Also published as: LU77743A1; FR2358223B3; NL182941B; JPS6011585B2; FR2358223A1; JPS5328034A; SE7707979L; BE856670A; SE433184B; NL182941C; NL7707821A; ES460692A1; CA1078043A; GB1558526A; DE2731239A1; IT1077321B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektromagnetischen Durchwirbelung schmelzflüssiger Metalle im Gießkanal einer Stranggießkokille mittels eines nicht stationären, entlang den Kokillenwänden wandernden magnetischen Feldes.The invention relates to a method for electromagnetic Swirling of molten metals in the pouring channel Continuous casting mold by means of a non-stationary, along the moving magnetic field of the mold walls.

Bei Durchführung dieser Verfahren wurde festgestellt, daß unvermeidbare nichtmetallische Einschlüsse, unter ihnen insbesondere die am meisten störenden grobkörnigen Einschlüsse, dazu neigen, sich unmittelbar unter der Oberfläche des erstarrenden Halbzeugs abzusetzen. Zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von Walzerzeugnissen, insbesondere von Blechen, die zur Herstellung von Gegenständen im Tiefzieh- oder Tiefstanzverfahren bestimmt sind, war es seither notwendig, vor der Weiterverarbeitung des Halbzeugs die obersten Millimeter der Haut der Rohgußer zeugnisse abzubrennen. Bei Gußblöcken größerer Abmessungen wie z. B. bei Brammen, bedeutet dieses Abbrennen einen Materialverlust von etwa vier Gewichts-Prozent sowie einen nicht unerheblichen Verbrauch an Sauerstoff und einen ent sprechenden Arbeitsaufwand.When performing these procedures, it was found that unavoidable non-metallic inclusions, among them especially the most disruptive coarse-grained inclusions, tend to be just below the surface of the solidifying semi-finished product. For improvement the surface properties of rolled products, especially of sheet metal used for the production of objects are determined by deep drawing or deep stamping, Since then it has been necessary to process the The top millimeters of the skin of the raw castings to burn testimonials. For cast blocks of larger dimensions such as B. with slabs, this means burning one Material loss of about four percent by weight as well as one not inconsiderable consumption of oxygen and ent speaking workload.

Da es bekannt ist, daß die Menge und auch die Verteilung solcher Einschlüsse auf die Fließbedingungen in der Kokille zurückzuführen sind, ist, um auf das zur Oberflächenvergütung von Gußerzeugnissen übliche Verfahren des Abbrennens zu verzichten, auch schon vorgeschlagen worden, auf die sich innerhalb der Kokille im schmelzflüssigen Metall aus bildenden Strömungen einzuwirken. Since it is known that the quantity and also the distribution such inclusions on the flow conditions in the mold are due to the surface finish methods of burning off cast products to waive has also been proposed on the within the mold in the molten metal influencing currents.

In den Anmeldungen P 24 48 275.5, P 26 41 261.3 und P 26 41 260.2 wurde vorgeschlagen, im schmelzflüssigen Metall mit Hilfe eines nichtstationären magnetischen Feldes, das entlang der Wände der Kokille wandert, Strömungen zu erzeugen, die an der Erstarrungsfront des Gießstrangs eine nachhaltige Reinigung bewirken und insbesondere, wenn das magnetische Feld von unten nach oben wandert, ein rasches Dekantieren der Einschlüsse an der freien Oberfläche des Metalls begünstigen.In applications P 24 48 275.5, P 26 41 261.3 and P 26 41 260.2 has been proposed in molten metal with the help of a non-stationary magnetic field, the wanders along the walls of the mold to create currents which is sustainable on the solidification front of the casting strand Cause cleaning and especially if the magnetic Field moves from bottom to top, quick decanting the inclusions on the free surface of the metal favor.

Das magnetische Wanderfeld wird üblicherweise durch einen Mehrphaseninduktor, ähnlich dem Stator eines Linearmotors, erzeugt, der eine Ringstruktur aufweist und den Gießstrang im Bereich der Kokille umgibt. Die mit solchen Vorrichtungen erzielten Ergebnisse sind insoweit befriedigend, als an diesen tatsächlich eine Verlagerung der sich sonst unmittelbar unter der Haut anhäufenden Einschlüsse nach dem Inneren der Gußerzeugnisse hin festgestellt werden kann.The magnetic traveling field is usually determined by a Multiphase inductor, similar to the stator of a linear motor, generated, which has a ring structure and the casting strand in the mold area. Those with such devices The results achieved are satisfactory insofar as to this actually a shift of the otherwise immediate Inclusions under the skin after the Inside the castings can be determined.

Die Durchführung dieser Verfahren macht es jedoch notwendig, zur Erzielung eines optimalen Effektes die die Auswirkung des magnetischen Feldes bestimmenden Parameter durch ein meist langwieriges Experimentieren zu ermitteln.However, the implementation of these procedures makes it necessary to achieve an optimal effect of the magnetic field determining parameters to determine a mostly lengthy experiment.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem sich Verunreinigungen aus einem Gießstrang effektiv beseitigen bzw. verlagern lassen. Insbesondere sollen langwierige Versuche vermieden werden.It is therefore an object of the invention to provide a method with which contamination from a casting strand effectively remove or relocate. In particular protracted attempts should be avoided.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit Hilfe der in Anspruch 1 genannten Schritte gelöst. This task is carried out in a method of the type mentioned at the beginning Art using the steps mentioned in claim 1 solved.

In äquivalenter Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren auch so durchgeführt werden, daß man die wirksame magnetische Induktion des Magnetfeldes so steuert, daß sie der im Kennzeichen des Anspruchs 2 angegebenen Gleichung genügt. In an equivalent manner, the method according to the invention can also be carried out in such a way that the effective magnetic Induction of the magnetic field so that it controls equation specified in the characterizing part of claim 2 is sufficient.

Die Lehre der Erfindung stellt ein zuverlässiges Mittel zur Steuerung der Wirksamkeit des magnetischen Feldes dar, durch das die Anhäufung von Einschlüssen, die sich insbesondere ohne elektromagnetische Durchwirbelung in einer unmittelbar unter der Oberfläche gelegenen, nur wenige Millimeter starken Schicht ablagern, in Richtung auf die Achse der Gußstücke bis zu einer gewünschten vorbestimmten Tiefe verlagert wird.The teaching of the invention provides a reliable means to control the effectiveness of the magnetic field, through the the accumulation of inclusions, which in particular without electromagnetic swirl in one just below the surface, just a few Deposit millimeter thick layer towards the Axis of the castings up to a desired predetermined one Depth is shifted.

Diese Verlagerung kann jedoch den Tiefenwert nicht übersteigen, der der Dicke der am unteren Ende des magnetischen Spaltes bereits erstarrten Oberflächenschicht entspricht. Über diesen Wert hinaus kommt den von dem magnetischen Feld des Induktors in dem schmelzflüssigen Metall etwa erzeugten Strömungen und deren Steuerung keinerlei Bedeutung im Sinne des angestrebten Effektes zu.However, this shift cannot exceed the depth value, that of the thickness of that at the bottom of the magnetic gap already solidified surface layer. over this value comes from that of the magnetic field of the Inductor generated in the molten metal Currents and their control have no meaning in the sense of the desired effect.

Im industriellen Rahmen durchgeführte Untersuchungen haben einerseits ergeben, daß eine längs der Kokillenwände aufsteigende mindestens bis zur freien Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls reichende elektromagnetische Durchwirbelung, also eine Wellenfortpflanzung des magnetischen Flusses in einem der Fließrichtung des Metalls entgegengesetzten Sinn, nicht nur eine Verminderung der Menge der Einschlüsse insgesamt, sondern auch und vorwiegend eine Verlagerung der Anhäufung dieser Einschlüsse in Richtung auf die Achse der Gußstücke verursacht, und andererseits, daß das Maß dieser Verlagerung sich mit der vom Induktor abgegebenen Leistung vergrößert. Diese Erscheinung läßt sich wie folgt erklären:Have investigations carried out in an industrial context on the one hand show that an ascending along the mold walls at least up to the free surface of the molten Metal-reaching electromagnetic vortex, so a wave propagation of the magnetic flux in one the opposite direction of flow of the metal, not just a decrease in the total amount of inclusions, but also and primarily a shift of the cluster these inclusions towards the axis of the castings caused, and on the other hand, that the degree of this shift increases with the power delivered by the inductor. This phenomenon can be explained as follows:

Der in die Kokille eingeleitete Gießstrahl dringt mit einem seiner Geschwindigkeit entsprechenden Bewegungsimpuls in das vorhandene schmelzflüssige Metall ein und ruft somit eine sich in der Achse des Gießstrangs ausbildende abwärts gerichtete Strömung hervor. Andererseits übt das magnetische Wanderfeld auf das schmelzflüssige Metall, das sich in dem mit der Erstarrungsfront im Kontakt befindlichen äußeren Bereich des Gießstrangs befindet, einen nach oben gerichteten Bewegungsimpuls aus.The pouring stream introduced into the mold penetrates with one motion impulse corresponding to its speed into the existing molten metal and thus calls one downward forming in the axis of the casting strand Current. On the other hand, the magnetic practice Wanderfeld on the molten metal, which is in the external contact with the solidification front Area of the casting strand, an upward facing Movement impulse.

Durch das Zusammenwirken dieser beiden Bewegungsimpulse bildet sich in dem noch flüssigen Teil des Gießstrangs eine dauernde Zirkulationsströmung aus, so daß das flüssige Metall an der Peripherie des Gießstrangs aufsteigt und im Achsenbereich nach unten fließt. Auf diese Weise werden die Einschlüsse gegen die freie Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls bewegt, wo ein Teil von ihnen auf natürliche Weise dekantiert und der Rest im achsennahen Bereich des Gießstrahls von der Strömung bis zu einer Tiefe nach unten mitgerissen wird, in der unterhalb des wirksamen Bereichs des Induktors die elektromagnetischen Kräfte das flüssige Metall nicht mehr erreichen, so daß die Verunreinigungen an dieser Stelle der Erstarrungsfront von dem erstarrenden Metall leicht ein gefangen werden. By the interaction of these two movement impulses itself in the still liquid part of the casting strand continuous circulation flow, so that the liquid metal rises on the periphery of the casting strand and in Axis area flows down. In this way, the Inclusions against the free surface of the molten Metal moves where part of them naturally decanted and the rest near the axis of the pouring jet swept down by the current to a depth in the below the effective range of the inductor the electromagnetic forces are not the liquid metal achieve more so that the impurities at this point the solidification front slightly from the solidifying metal to be caught.

Weitere Untersuchungen bezüglich des Zusammenhangs zwischen der Wirkleistung des Induktors und dem Maß der Verlagerung der Einschlüsse in Richtung auf die Achse des Gießstrangs haben ergeben, daß dieser Zusammenhang durch die obengenannte Gleichung F = 35d² + 260d wiedergegeben werden kann, in der F und d die obengenannten Bedeutungen haben.Further studies on the relation between the active power of the inductor and the amount of displacement of the inclusions in the direction of the axis of the cast strand has shown that this relationship d by the above equation F = 35 ² + 260 can be reproduced d in which F and d have the meanings given above.

Die in dieser Gleichung angegebene, auf die Volumeneinheit des schmelzflüssigen Metalls wirksame Kraftdichte F stellt keine konkrete physikalische, einer unmittelbaren Messung zugängliche Größe dar. Sie muß in der Praxis daher ausgehend von der Messung anderer elektrischer oder magnetischer Parameter des Induktors errechnet werden. Unter diesen Parametern ist der am leichtesten veränderbare die magnetische Feldstärke, da zu ihrer Veränderung lediglich eine Veränderung der Stromstärke des den Induktor speisenden Stroms erforderlich ist.The force density F given in this equation, which acts on the volume unit of the molten metal, does not represent a concrete physical quantity that is accessible to an immediate measurement. In practice, it must therefore be calculated on the basis of the measurement of other electrical or magnetic parameters of the inductor. Among these parameters, the most easily changeable is the magnetic field strength, since all that is required is a change in the amperage of the current feeding the inductor.

Es ist bekannt, daß die Kraftdichte sich durch den AusdruckIt is known that the force density is expressed by the expression

F = γ vB²_eff F = γ vB² _eff

darstellen läßt, in der die einzelnen Größen die oben angegebene Bedeutung haben. can be represented in which the individual sizes the above Have meaning.

Für die Geschwindigkeit v gilt die BeziehungThe relationship applies to the velocity v

v = 2τ N, v = 2 τ N ,

in der τ die Polteilung des Induktors in [m] und N die Frequenz des den Induktor speisenden Stroms [Hz] darstellt.where τ represents the pole pitch of the inductor in [m] and N the frequency of the current feeding the inductor [Hz].

Daraus ergibt sich für die elektromagnetische KraftThis results in the electromagnetic force

F = 2γτ NB²_eff. F = 2 γτ NB ² _eff .

Es wäre nun möglich, die Größe F zu verändern, indem man bei spielsweise die Frequenz N und/oder die wirksame magnetische Induktion B _eff verändert. Es konnte jedoch schon nachgewiesen werden (Patentanmeldung P 27 04 918.9), daß bei einer aus elektrisch leitendem Material bestehenden Kokille das diese Kokille durchsetzende Magnetfeld gegenüber der Frequenz des Erregerstroms nicht unempfindlich ist. Es besteht vielmehr für eine gegebene Kokille eine optimale Frequenz des Induktorstroms, oberhalb der sich die in dem flüssigen Metall auswirkende elektromagnetische Kraft verringert.It would now be possible to change the size F by, for example, changing the frequency N and / or the effective magnetic induction B _eff . However, it has already been demonstrated (patent application P 27 04 918.9) that in the case of a mold made of electrically conductive material, the magnetic field passing through this mold is not insensitive to the frequency of the excitation current. Rather, for a given mold there is an optimal frequency of the inductor current above which the electromagnetic force acting in the liquid metal is reduced.

Bei der praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geht man daher zweckmäßigerweise so vor, daß man die Frequenz des Stroms - das ist gleichbedeutend mit der Ge schwindigkeit v - auf einem konstanten Wert hält und die magnetische Induktion entsprechend der nachstehenden Beziehung steuert:In the practical implementation of the method according to the invention, it is therefore expedient to proceed in such a way that the frequency of the current - which is synonymous with the speed v - is kept at a constant value and the magnetic induction is controlled in accordance with the following relationship:

Dabei ist es vorteilhaft, die Frequenz des Induktorstroms auf ihren optimalen Wert einzustellen, obwohl dies keine un erläßliche Voraussetzung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt.It is advantageous to adjust the frequency of the inductor current to their optimal value, although this is not an un essential prerequisite for the implementation of the invention Represents procedure.

Im folgenden ist ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, bei dem einen quadratischen Querschnitt aufweisende Knüppel mit einer Kantenlänge von 120 mm gegossen wurden. Die zur Durchführung des Verfahrens dienende Kokille war von einem elektromagnetischen Induktor umgeben, der aus sechs übereinander angeordneten, vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise gleichen Spulen besteht und dessen oberste Spule sich auf der Höhe der freien Oberfläche des zu vergießenden Metalls befindet. Diese sechs Spulen sind an Drehstrom angeschlossen und paarweise so in Serie miteinander verbunden, daß die Stromrichtungen in zwei miteinander verbundenen Leitern einander entgegengesetzt sind und im Gießkanal der Kokille eine Welle magnetischen Flusses bilden, die längs der Wände der Kokille nach oben wandert. The following is an example of the method according to the invention described, with a square cross section having cast billets with an edge length of 120 mm were. The mold used to carry out the process was surrounded by an electromagnetic inductor that of six arranged one above the other, preferably, but there are not necessarily the same coils and its top coil at the level of the free surface of the shedding metal. These six coils are on Three-phase current connected and in pairs in series with each other connected that the current directions in two with each other connected conductors are opposite to each other and in Pouring channel of the mold form a wave of magnetic flux, that moves up along the walls of the mold.

Der Gießkanal der Kokille wies einen aus einer Kupfer-Chrom- Zirkonium-Legierung bestehenden gehärteten Mantel mit einer Wandstärke von 8 mm auf. Ein solcher Mantel hat den Vorteil, trotz seiner geringen Wandstärke eine hohe mechanische Festigkeit und infolge seiner geringen Wandstärke eine hohe magnetische Durchlässigkeit aufzuweisen. Die Geschwindigkeit, mit der die Knüppel abgezogen wurden, betrug dauernd etwa 2 m/min, und die erstarrte Oberflächenschicht betrug unter den herrschenden Kühlbedingungen im Bereich des unteren Endes des Magnetspaltes etwa 12 mm. Der Induktor wies eine Länge von 0,48 m auf, was einem zweifachen Betrag seiner Polteilung entspricht. Der Induktor war so ausgelegt, daß in jeder Phase bei einer Spannung von 55 Volt ein Strom von einem maximalen Effektivwert von 350 A fließen konnte. Die Vorrichtung sollte so betrieben werden, daß die maximale Anhäufung der Einschlüsse in einer Tiefe von etwa 8 mm unter der Oberfläche der Knüppel erfolgte. Der Induktor mußte daher so betrieben werden, daß die elektromagnetische Kraftdichte in dem schmelzflüssigen Metall den Wert F = 4320 N/m³ annahm. Die Frequenz des Erregerstroms wurde auf 10 Hz eingestellt, was unter den gegebenen Umständen einen optimalen Wert darstellte. Da die elektrische Leitfähigkeit des schmelzflüssigen Metalls etwaThe casting channel of the mold had a hardened jacket consisting of a copper-chrome-zirconium alloy with a wall thickness of 8 mm. Such a jacket has the advantage, despite its small wall thickness, of high mechanical strength and, due to its small wall thickness, of high magnetic permeability. The speed at which the billets were removed was continuously around 2 m / min, and the solidified surface layer was around 12 mm under the prevailing cooling conditions in the region of the lower end of the magnetic gap. The inductor had a length of 0.48 m, which corresponds to twice its pole pitch. The inductor was designed so that a current of a maximum effective value of 350 A could flow in each phase at a voltage of 55 volts. The device should be operated so that the maximum accumulation of inclusions occurs at a depth of approximately 8 mm below the surface of the billets. The inductor had to be operated so that the electromagnetic force density in the molten metal became F = 4320 N / m³. The frequency of the excitation current was set to 10 Hz, which was an optimal value under the given circumstances. Because the electrical conductivity of the molten metal is about

6,25 · 10^-5Ω^-1 · m^-1 6.25 · 10 ^-5 Ω ^-1 · m ^-1

betrug, mußte die wirksame magnetische Induktion auf 0,038 Tesla (380 Gauss) eingestellt werden. was effective magnetic induction set to 0.038 Tesla (380 Gauss) will.

Versuche haben ergeben, daß eine Verlagerung des Maximums der Einschlüsse in eine Tiefe von 8 mm bei einer Feldstärke von 420 Gauss erreicht wurde. Die Abweichung von dem theoretisch nach der erfindungsgemäßen Beziehung errechneten Wert beträgt somit nur etwa 10%, was innerhalb der in der Praxis annehmbaren Grenzen liegt.Experiments have shown that a shift in the maximum the inclusions to a depth of 8 mm with a field strength of 420 gauss was reached. The deviation from that theoretically calculated according to the relationship according to the invention The value is therefore only about 10%, which is within the Practice acceptable limits.

Die Erfindung kann bei beliebigen Stranggußverfahren Verwendung finden, einerlei welche Zusammensetzung das zu vergießende Metall und welche Abmessungen das zu gießende Halbzeug aufweist. Das Maß der Zurückdrängung der nicht-metallischen Einschlüsse in das Innere des erstarrten Gießstrangs kann von der Art nachfolgenden metallurgischen Behandlung des Halbzeugs, wie z. B. der Besonderheit des Walzverfahrens abhängig gemacht werden, so daß auf diese Weise zuverlässige Voraussetzungen für die Erzielung einer guten Oberflächen beschaffenheit der Produkte gegeben sind, ohne daß es zu sätzlicher Vorbehandlungen, wie z. B. des Abbrennens, bedarf.The invention can be used in any continuous casting process find no matter what composition the potted Metal and what dimensions the semi-finished product to be cast having. The measure of retraction of the non-metallic Inclusions in the interior of the solidified cast strand may depend on the type of subsequent metallurgical treatment of the semi-finished product, such as. B. the peculiarity of the rolling process be made dependent, so that reliable Prerequisites for achieving good surfaces condition of the products are given without it additional pretreatments, such as B. burning, is required.

Claims

1. A method for the electromagnetic swirling of molten metals in the casting channel of a continuous casting mold by means of a non-stationary magnetic field traveling along the mold walls, characterized in that the magnetic field migrates against the direction of flow of the metal from the lower end of the mold to the upper free surface of the metal and that the action of the magnetic field to the molten metal for the purpose of locating the accumulation of the non-metallic inclusions of the solidifying cast strand is controlled at a desired depth, that the effective unit volume of the molten metal power density F of the equation F = d 35 ² + 260 d is sufficient, the unit of measurement being for F [N / m] and for d [mm].

2. The method according to claim 1, characterized in that the effective magnetic induction of the magnetic field is controlled so that it the equation is enough in the
F is the force density in [N / m] effective on the volume unit of the molten metal,
γ the electrical conductivity of the molten metal in [Ω ^-1 · m ^-1 ],
v means the velocity of the magnetic field in [m · sec ^-1 ], and
B _{eff is obtained} in [Tesla].