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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Kokille zum kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Stranggiessen von Metallen, mit einem ringförmigen, kühlbaren Gehäuse, an dessen dem Strang zugekehrter Innenseite ein Induktor (Ausseninduktor) zur Erzeugung eines die Aussenfläche des Stranges formenden, elektromagnetischen Feldes befestigt ist und das mit gegen die Strangaussenfläche gerichteten Austrittskanälen für Kühlflüssigkeit versehen ist, und mit einem in der Nähe der Oberseite des Induktors zwischen dessen Innenfläche und der Aussenfläche des Stranges angeordneten Schirm zur Verteilung des Induktorfeldes in Axialrichtung. Derartige Kokillen sind zum Stranggiessen von Massivsträngen bestimmt, deren Oberfläche sehr glatt ausfällt, weil sie mit keiner Kokillenfläche in Berührung gekommen ist.
Hingegen konnten Hohlstränge bisher nur mit den üblichen, aus einem Aussenmantel und einem Dorn bestehenden Kokillen gegossen werden, bei denen sowohl der Mantel als auch der Dorn, die beide kühlbar waren, mit Austrittskanälen für eine Kühlflüssigkeit versehen waren. Da das schmelzflüssige Metall mit den formgebenden Flächen beider Kokillenteile in unmittelbare Berührung kam, bildeten sich an der Aussen-und an der Innenfläche des gegossenen Hohlstanges oft Unebenheiten oder Ausscheidungen, so dass mindestens eine der beiden Flächen mechanisch bearbeitet werden musste.
Ziel der Erfindung ist es, diese einen zusätzlichen Material- und Arbeitsaufwand bedingenden Nachteile zu vermeiden. Dieses Ziel ist mit einer elektromagnetischen Kokille der eingangs umrissenen Art erreichbar, die erfindungsgemäss zur Herstellung von Hohlsträngen mit einem zu dem Ausseninduktor koaxialen Inneninduktor zur Erzeugung eines die Innenfläche des Hohlstranges formenden elektromagnetisehen Feldes ausgestattet ist, bei welcher der Inneninduktor in einem kühlbaren, mit gegen die Stranginnenfläche gerichteten Austrittskanälen versehenen Innengehäuse untergebracht ist, und bei welcher zur axialen Verteilung des Feldes des Inneninduktors zwischen dessen Aussenfläche und der Stranginnenfläche ein Innenschirm vorgesehen ist.
Die Ausbildung der Aussen- und der Innenfläche des Hohlkörpers erfolgt ausschliesslich unter dem Einfluss formgebender, elektromagnetischer Felder und somit berührungsfrei, so dass diese Flächen geometrisch einwandfrei glatt ausfallen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen sowohl der Aussenals auch der Inneninduktor je eine Windung auf, beide Induktoren sind in Reihe geschaltet und das Verhältnis der Höhe des Ausseninduktors zu der Höhe des Inneninduktors liegt zwischen 1, 2 und 3. Nur bei einer um die gemeinsame Achse der beiden Induktoren ausreichend regelmässigen Feldverteilung ist eine genaue geometrische Gestaltung der Innen- und der Aussenfläche des gegossenen Hohlstranges erreichbar.
Da der Kraftlinienverlauf der von den beiden koaxialen Induktoren hervorgerufenen Felder von der Verteilung der Stromdichte in den stromdurchflossenen Induktorleitern abhängt, muss dafür gesorgt sein, dass die Stromverteilung in den von durch die gemeinsame Induktorachse enthaltenden Ebenen gelegenen Leiterquerschnitten übereinstimmt. Die diesbezüglich schwierigsten Leiterquerschnitte liegen an jenen Umfangsstellen der Induktoren, an welchen sich die Stromanschlüsse befinden. Eine ausreichende Übereinstimmung der Stromverteilung in an diesen mit den an allen andern Stellen gelegenen Leiterquerschnitte ist sehr einfach zu erreichen, wenn der Induktor nur eine Windung aufweist. Die beiden Induktoren in Reihe zu schalten ist vorteilhaft, weil dann die Zuleitungen kürzer ausfallen. Zu beachten sind aber noch weitere Tatsachen.
Die sich überlagernden Felder der beiden Induktoren - es handelt sich um Wechselfelder-verursachen innerhalb des schmelzflüssigen Metalles Wirbelströme, die ihrerseits ebenfalls ein elektromagnetisches Feld hervorrufen. Als Folge des aus sämtlichen überlagerten Feldern zusammengesetzten Gesamtfeldes entstehen in dem schmelzflüssigen Metall jene Druckkräfte, auf welchen die formgebende Wirkung der erfindungsgemässen Kokille beruht und die den Quadraten der Absolutwerte der Feldvektoren proportional sind. In der gewünschten Weise vollzieht sich die Formgebung jedoch nur dann, wenn innerhalb der im Querschnitt ringförmigen Säule aus dem schmelzflüssigen Metall Druckgleichgewicht herrscht.
In jedem achsnormalen Säulenquerschnitt müssen daher die an der Säulenaussenseite und die an der Säuleninnenseite wirkenden Druckkräfte entgegengesetzt gleich sein. Die Kräfte an der Aussenseite der flüssigen Säule sind im wesentlichen von dem Innenfeld des äusseren Induktors bestimmt, also von jenem Feldbereich, dessen Feldlinien von dem Induktor umschlossen sind, wogegen die an der Säuleninnenseite wirksamen Kräfte weitestgehend von dem Aussenfeld des inneren Induktors abhängen, also jenem Feldbereich in dem die Feldlinien ausserhalb des Induktors verlaufen.
In Nähe des Induktors ändert sich in Normalrichtung zu der Säulenachse das Aussenfeld viel stärker als das Innenfeld, so dass bei den praktisch in Betracht kommenden Abständen zwischen der flüssigen Metallsäule und den Induktoren, das Aussenfeld des Inneninduktors wesentlich schwächer als das Innenfeld des
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Ausseninduktors ausfällt. Die wegen des Flüssigkeitsdruckes in der Säule erforderliche Abstimmung der Felder beider Induktoren ist auch dann möglich, wenn beide Induktoren unterschiedliche Windungszahlen aufweisen und/oder von Strömen unterschiedlicher Stärke durchflossen sind. Sehr einfach ist die Abstimmung jedoch bei je nur aus einer Windung bestehenden und in Reihe geschalteten Induktoren erreichbar, bzw. gewährleistet, nämlich bei Einhaltung des erwähnten Verhältnisses der Höhen.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert, die in den Zeichnungen veranschaulicht ist. Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe elektromagnetische Kokille in einem Schnitt nach der Linie I-I in Fig. 2 und Fig. 2 eine Draufsicht auf diese Kokille.
Die dargestellte Kokille weist ein ringförmiges Gehäuse --1-- auf, das mittels Stützen, z. B.
Schrauben --2-- an einer ebenfalls ringförmigen Unterlagsplatte --3-- abgestützt und horizontal
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inneren Kühlkanal --8-- gehen an der inneren Gehäuseseitenwand mündende Austrittskanäle --12-- aus.
In eine oberhalb der Kanalmündungen in dem Gehäusekörper vorgesehenen, umlaufenden Ausnehmung ist ein Induktor (Aussenindurktor) --4-- eingesetzt, der aus einer einzigen Windung besteht, welche aus Kupferrohr mit rechteckigem Querschnitt gefertigt ist.
Das Gehäuse --1-- umgibt ein zu ihm koaxiales Innengehäuse --13--, das im wesentlichen topfförmig gestaltet und an einem Ausleger befestigt oder mit diesem einstückig ist, der von einem gegen den Gehäusekörper abgestützten Ständer ausgeht. Das Innengehäuse --13-- ist aus einem Oberteil --15-- aus
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von diesem Niveau ausgehenden, bis in die Nähe der Verbindungsstelle der beiden Gehäuseteile reichenden Abschnittes --14--. Im Hohlraum des Innengehäuses --13-- ist der zu dem Ausseninduktor - 4-- koaxiale Inneninduktor --17-- untergebracht, der eine einzige Windung in Gestalt eines geschlitzten Ringes aufweist. Der Inneninduktor --17-- ist mittels zweier massiver Stromschienen-21, 23-- aus Flachkupfer gehalten, die beide gleich und im wesentlichen U-förmig gestaltet sind.
Jedes Ringende ist mit dem Ende des unteren horizontalen Schenkels je einer der beiden in geringem Abstand voneinander liegenden Stromschienen --21, 23-- verschweisst oder verlötet, deren mittlere, vertikale Abschnitte bis in die Nähe der Stirnwand des Gehäuseoberteils --15-- reichen. Die oberen horizontalen Schenkel der Schienen --21, 23-- sind aus dem Gehäuse dicht herausgeführt. An oder knapp hinter der Austrittsstelle schliesst an die Stromschienen --21, 23-- je eine horizontale Hohlschiene --20 bzw. 22-- an. Die eine, --20--, dieser Hohlschienen endet oberhalb des Ausseninduktors --4-- und geht dort in einen vertikalen Verbindungsabschnitt --19-- über, der an das eine Ende dieses Induktors angeschlossen ist.
Die andere Hohlschiene --22-- reicht weiter nach aussen und ist senkrecht und dann horizontal abgewinkelt. Der horizontale Abschnitt --24-- führt zu einer der (nicht gezeigten) Anschlussklemmen der Kokille. Von dem andern Ende des Ausseninduktors --4-- geht eine Hohischiene --25-- aus, die abgekröpft und zwischen dem vertikalen Verbindungsabschnitt --19-- und dem Vertikalabschnitt der Hohlschiene --22--, im Niveau des horizontalen Hohlschienenabschnittes --24-- sowie parallel zu diesem ist und zu der andern Anschlussklemme der Kokille führt. Mit Hilfe dieser bifilar angeordneten Schienen --21, 23-- und Hohlschinen bzw. deren Abschnitte sind die beiden Induktoren --4 und 17-- in Reihe geschaltet.
Wie bereits oben erwähnt, ist der Verlauf des wirksamen elektromagnetischen Feldes insbesondere in den Niveaus der Oberkanten des Aussen- und des Inneninduktors von Bedeutung. Zur Beeinflussung in Axialrichtung des von dem Inneninduktor --17-- erzeugten Feldes dient der Abschnitt --14-- des aus unmagnetisierbarem Metall hergestellten Gehäuseunterteiles --16--. Wenngleich nicht magnetisierbar, ist dieses Metall doch elektrisch leitend, so dass Induktionsströme entstehen, auf deren Ausbildung die im
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Gehäusewand Einfluss nimmt.
Auch in der unmittelbaren Umgebung des Ausseninduktors --4-- ist das elektromagnetische Feld in Axialrichtung beeinflussbar. Zu diesem Zweck dient ein ringförmiger Schirm --30-- aus nicht magnetisierbarem Metall, z. B. aus nichtrostendem Stahl, vorzugsweise aus einem Rohr von etwa dreieckförmigem Querschnitt. Von dem Schirmring stehen drei Pratzen --29-- ab, deren Abstand von dem Gehäuse --1-mittels zweier Schrauben --31-- festlegbar ist. Der Schirm --30-- kann also gegenüber dem Ausseninduktor - genau justiert werden.
Der elektromagnetischen Kokille ist ferner ein Anfahrboden --32-- zugeordnet, der relativ zu der Unterlagsplatte --3-- heb- und senkbar ist. Die mittige Ausnehmung der Unterlagsplatte --3-- ist gross genug, um das Hindurchbewegen des Anfahrbodens --32-- zu gestatten, der seinerseits in der Mitte durchbrochen ist.
Die zur Kokillenachse parallelen Abmessungen der beiden Induktoren sind als Höhen bezeichnet. Das
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liegt innerhalb des oben als vorteilhaft erkannten Bereiches. Elektromagnetische Kokillen entsprechend der erörterten bevorzugten Ausführungsform zeichnen sich durch breites Anwendungsgebiet aus. Sie ermöglichen das Giessen von zylindrischen Hohlsträngen, deren Aussendurchmesser das 1, 1 bis 10fache des Innendurchmessers beträgt.
Vor Beginn eines Giessvorganges wird der Anfahrboden --32-- so weit angehoben, dass seine Umfangsfläche den Mündungen der Austrittskanäle --12 bzw. 28-- gegenüberliegt. So dann wird die Kühlwasserzufuhr angestellt, und die Induktoren --4 bzw. 17-- werden eingeschaltet, worauf das zu vergiessende schmelzflüssige Metall auf den Anfahrboden aufgegeben wird.
Unter dem Einfluss der überlagerten elektromagnetischen Felder des Aussen- und des Inneninduktors --4 bzw. 17--, der Induktionsströme in dem gehörig justierten, ringförmigen Schirm --29-- und in dem als Schirm wirksamen Abschnitt -14-- des Innengehäuses --13-- sowie der innerhalb der Schmelze auftretenden Wirbelströme entstehen in der letzteren jene formgebenden Kräfte, welche das flüssige Metall zu einer hohlen Säule mit glatter zylindrischer Aussenfläche --5-- und glatter zylindrischer Innenfläche --18-- gestalten. Die aus schmelzflüssigem Metall bestehende Hohlsäule erstarrt zunächst infolge des Wärmeentzuges durch den Anfahrboden zu einem Hohlstrang --6--.
Im weiteren Verlauf des Giessvorganges wird der Anfahrboden nach Massgabe der Erstarrungsgeschwindigkeit des schmelzflüssigen Metalles abgesenkt, so dass der oberflächlich erstarrte Hohlstrang aus der Kokille nach unten ausfährt, die schmelzflüssige Strangzone aber stets innerhalb des formgebenden Feldes und in dem Ringraum zwischen den beiden Induktoren - -4, 17-- verbleibt. Die aus den Kanälen --12 und 28-- austretenden Flüssigkeitsstrahlen treffen an Oberflächenstellen des Hohlstranges --6-- auf, wo dieser eine bereits ausreichend verfestigte und unter dem Einfluss der Kühlflüssigkeitsstrahlen unverformbare Schale aufweist.
Wie oben erwähnt, ändert sich in zu der Induktorachse normalen Richtungen des Induktoraussenfeld wesentlich stärker als das Induktorinnenfeld. Schon wegen des Temperaturunterschiedes muss zwischen der Aussenfläche --5-- des Hohlstranges --6-- bzw. seines schmelzflüssigen Abschnittes und dem Ausseninduktor --4-- ebenso wie zwischen der Innenfläche --18-- dieses Strangabschnittes und dem Inneninduktor --17-- je ein Abstand vorgesehen sein. Nimmt man diese Abstände als gleich an, dann verhalten sich die Absolutwerte der Feldstärken des elektromagnetischen Feldes an der Innenfläche bzw.
Aussenfläche etwa wie 1 : 2. Dementsprechend fallen die Druckkräfte innerhalb des schmelzflüssigen Metalles an der Aussenfläche --5-- etwa viermal so gross wie an der Innenfläche --18-- aus. Es erhellt ohne weiteres, dass unter diesen u. ähnl. Umständen sich innerhalb des schmelzflüssigen Hohlstrangabschnittes das erforderliche Druckgleichgewicht nicht ausbilden, also ein stabiler derartiger Abschnitt gar nicht entstehen könnte. Von den dem Auftreten solcher Druckverteilungen entgegenwirkenden Massnahmen sind die Reihenschaltung der je nur eine Windung aufweisenden Induktoren sowie die Wahl unterschiedlicher Induktorhöhen die bei weitem einfachsten und trotzdem sehr wirkungsvollen und bei Kokillen sehr unterschiedlicher Grösse bequem anwendbaren.