CH625441A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Induktor für eine elektromagnetische Stranggiesskokille, insbesondere zum Stranggiessen langformatiger Walzbarren mit wenigstens zwei zueinander parallel verlaufenden Seiten.

Beim kontinuierlichen Stranggiessen von rechteckigen Barren ist seit langem bekannt, dass die Barrenoberflächen, welche möglichst eben sein sollten, üblicherweise etwas konkav ausfallen. Diese Konkavität tritt insbesondere auf den Flachseiten langformatiger Walzbarren auf und hängt unter anderem von Format, Legierung und Giessgeschwindigkeit ab. Typische Werte für den Einzug betragen 5 bis 10 mm pro Seite für Walzbarren des Formats 300 x 1000 mm aus einer Mg-hal-tigen Aluminiumlegierung und bei einer Giessgeschwindigkeit von 5 bis 8 cm pro Minute. Diese Abweichungen von der Pla-narität der Oberfläche sind insoweit unerwünscht, als sie beim Fräsen zur Erhöhung des Abfalls führen und beim Walzen

Schwierigkeiten hinsichtlich des Geradelaufs der Barren bereiten.

Die charakteristisch konkave Form der Oberflächen von Walzbarren beruht auf einem Schrumpfungsvorgang, welcher vor sich geht, nachdem der Barren aus der Stranggiesskokille ausgetreten ist. Während dieser Schrumpfungsprozess bei Rundbarren geometrisch gleichförmig verläuft, erscheint er bei viereckigen Barren weitgehend unsymmetrisch. Beim Giessen von Rundbarren beruht dies darauf, dass die Schicht des erstarrenden Metalls überwiegend die gleiche Schichtdicke aufweist und einen Sumpf von geschmolzenem oder teilweise erstarrtem Metall von kreisförmiger Form umgibt. Aus diesem Grund haben die Schrumpfspannungen die Tendenz, sich gegenseitig auszugleichen, während die Schale bis zur endgültigen Erstarrung an Schichtdicke zunimmt.

Beim Giessen von rechteckigen Barren erscheint demgegenüber die Abkühlung am intensivsten an den Ecken der Kokille, wo das Metall der Kühlwirkung der zusammenlaufenden Kokillenwände ausgesetzt ist. Die Schicht des erstarrten Metalls ist deshalb nicht von gleichförmiger Dicke. Diese ist am grössten nahe den Ecken der Kokille und am geringsten in der Mitte der Kokillenseiten. Tritt Schrumpfung auf, so äussert sie sich am stärksten an den Punkten, an denen die erstarrende Schale am dünnsten ist, das heisst in der Mitte der Seitenflächen, und führt dort zu dem geschilderten Einzug der gross-formatigen Walzbarren.

Um diesem ungleichmässigen Schrumpfen und der Bildung von konkaven Seitenflächen Rechnung zu tragen, sind die inneren Flächen von Stranggiesskokillen nach aussen gewölbt ausgebildet worden. Der Strang verlässt durch diese Massnahme die Kokille mit nach aussen gewölbten Seitenflächen, welche dann durch das Schrumpfen eben werden. Derartige nach aussen gewölbte Stranggiesskokillen können für Barren quadratischen oder rechteckigen Querschnitts verwendet werden, wobei bei letzteren jedoch üblicherweise nur die Breitseiten gewölbt ausgebildet werden. (E. Herrmann, Handbuch des Stranggiessens, 1958, S. 134, Kanadisches Patent Nr. 531 090).

Der Schrumpfungsprozess und die damit verbundene Konkavität der Seitenflächen des Barrens tritt in derselben Art auch beim Stranggiessen im elektromagnetischen Wechselfeld auf. Dieses Verfahren beruht bekanntlich auf folgenden elektrodynamischen Zusammenhängen: An die Leiterschleife eines Induktors wird eine konstante hochfrequente Wechselspannung angelegt, welche einen Leitungsstrom mit bekanntem Gesamtbetrag und bekannter lokaler Stromdichte erzeugt. Dieser Leitungsstrom weist ein Magnetfeld mit einer Feldstärke auf, deren Betrag von dem Betrag des Leitungsstromes und deren Verteilung von der Verteilung der Stromdichte im Leiter abhängt. Die vertikale Komponente Hy dieses Magnetfeldes induziert in der beim Giessvorgang durch den Hohlraum des Induktors hindurchtretenden Metallschmelze einen Wirbelstrom, der in entgegengesetzter Richtung zum Leitungsstrom im Induktor fliesst, und dessen Gesamtbetrag, Stromdichte und Verteilung im wesentlichen vom Betrag von Hy abhängt. Aus der Wechselwirkung zwischen Hy und dem induzierten Wirbelstrom resultiert eine ponderomotorische Kraft, welche in das Zentrum der Schmelze gerichtet ist und deren Betrag der Stromstärke des Wirbelstromes als auch der magnetischen Feldstärke Hy proportional ist. Dieser Kraft entspricht ein sogenannter «elektromagnetischer Druck». Das Gleichgewicht zwischen diesem und dem metallostatischen Druck in der Schmelze bestimmt Form und Abmessung des gegossenen Stranges.

Da die Form und Abmessungen der beim Stranggiessen im Magnetfeld gegossenen Barren neben diesen elektrodynamischen Zusammenhängen selbstverständlich auch von der Form des Grundrisses der Kokille (und damit des Induktors) ab5

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hängt (z.B. DE-OS 1 508 906, S. 3), lag es nahe, auch bei diesem Verfahren dem Schrumpfungsprozess und dem davon herrührenden Einzug der Barrenseitenflächen durch nach aussen gewölbte Seitenflächen des Induktors Rechnung zu tragen. Die Herstellung von Kokillen mit derartig gewölbten Seitenflächen stösst indessen auf fertigungstechnische Hindernisse, so dass eine solche Lösung insgesamt nicht als befriedigend anzusehen ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, einen Induktor für eine elektromagnetische Stranggiesskokille zu konstruieren, welcher es gestattet, den Schrumpfungsvorgang auszugleichen und Barren mit ebenen Seitenflächen zu giessen und dabei die fertigungstechnischen Schwierigkeiten bei der Herstellung gewölbter Seitenflächen der Kokille zu vermeiden.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Induktor eine mindestens zwei parallel zueinander verlaufende, durch Ecken begrenzte Seitenflächen enthaltende metallische Leiterschleife mit einem Hohlraum für das Durchleiten eines Kühlmittels aufweist, deren Vertikalabmessung in der Seitenflächenmitte, erste Vertikalabmessung genannt, ein Mehrfaches der Vertikalabmessung an ihren Ecken, zweite Vertikalabmessung genannt, beträgt.

Die Erfindung macht von der Überlegung Gebrauch, dass Form und Abmessungen der Schmelze beim Stranggiessen im elektromagnetischen Wechselfeld (neben der Form des Grundrisses des verwendeten Induktors) im wesentlichen von der vertikalen Komponente Hy der in der Schmelze herrschenden magnetischen Feldstärke abhängt. Betrachtet man den im Induktor fliessenden Leitungsstrom J als die Summe der in li-nienförmigen Elementarleitern fliessenden Ströme, so lässt sich die in einem gegebenen Massenpunkt der Schmelze herrschende, durch Addition der Beiträge Hy>i der einzelnen Elementarleiter erhaltene magnetische Feldstärke Hy dadurch beeinflussen, dass man die linienförmigen Elementarleiter in ihrer geometrischen Lage zueinander, das heisst, die Stromdichte im Leiter insgesamt beeinflusst.

Da das im einzelnen Massepunkt herrschende Hy einerseits die in der Schmelze ausgeübte pondoromotorische Kraft, den in der Schmelze herrschenden elektromagnetischen Druck und damit die Form und Abmessungen der Metallschmelze bestimmt, anderseits in der geschilderten Art von der Stromdichte im Induktor abhängt, muss sich auch die Form der Metallschmelze durch Verändern dieser Stromdichte beeinflussen lassen. Eine Korrektur des Barrenformats im Sinne einer lokalen Ausdehnung der Dimension kann dabei dadurch erzielt werden, dass man die Stromdichte im Induktor an der gewünschten Stelle lokal herabsetzt. Umgekehrt wird eine lokale Verkleinerung der Barrendimension dadurch erreicht, dass man die Stromdichte im Induktor an der gewünschten Stelle erhöht. Die Stromdichte ihrerseits kann leicht dadurch im gewünschten Sinn verändert werden, dass man den Querschnitt einer metallischen Leiterschleife mit hoher elektrischer Leitfähigkeit variiert, wobei es fertigungstechnisch am einfachsten erscheint, dazu die Vertikalabmessung eines Kupferbandes konstanter Schichtdicke zu verändern. In dieser Art ist die lokale Schwächung des Magnetfeldes Hy und die dadurch hervorgerufene lokale Formunstetigkeit des Barrens, welche an der Einspeisungs- und Verbindungsstelle an der Leiterschleife eines Induktors entsteht, dadurch korrigiert worden, dass man die Vertikalabmessung der aus einem Kupferband bestehenden Induktorseitenflächen an der fraglichen Stelle durch Rück-schnitte verringert und dadurch die Stromdichte im Induktor und die magnetische Feldstärke Hy an der betreffenden Stelle lokal erhöht hat (DE-OS Nr. 2 060 637, Sp. 1, Z. 50ff„ Sp. 2, Z. 42 ff., Fig. 3 und 4).

Diese Überlegungen können zur Korrektur der durch den inhomogenen Schrumpfungsprozess verursachten Konkavität der Seitenflächen grossformatiger Walzbarren genutzt werden. Zu diesem Zweck wird angestrebt, dass die Schmelze der Kokille mit leicht konvex gestalteten Seitenflächen verlässt, welche durch den unvermeidlichen Schrumpfungsprozess in nunmehr ebene Seitenflächen umgewandelt werden. Um die konvexe Form der Seitenflächen zu erzielen, wird die Stromdichte der Leiterschleife vorzugsweise in der Mitte der Seitenflächen herabgesetzt. Aus fertigungstechnischen Gründen kann dies am einfachsten dadurch geschehen, dass die Höhe der beispielsweise als Metallband mit konstanter Schichtdicke gefertigten Leiterschleife des Induktors verändert wird.

In den nachfolgenden Figuren sind einzelne Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft dargestellt. Dabei bedeuten

Fig. 1 eine Draufsicht auf die Leiterschleife eines Induktors,

Fig. 2 Schnitte nach Linie I-I in Fig. 1 durch Leiterschleifen verschiedener Ausführungsart,

Fig. 3 Schnitte nach Linie II-II durch Leiterschleifen verschiedener Ausführungsart.

Die elektromagnetische Stranggiesskokille besitzt ein aus dielektrischem Material (Schichtwerkstoff) bestehendes Gehäuse, welches in den Figuren nicht dargestellt ist. Der Induktor weist die Form einer gestreckten, vorzugsweise viereckigen Schleife mit einem Hohlraum 1 für flache, breite Stränge (Walzbarren) auf. Die Leiterschleife des Induktors besteht aus einem wassergekühlten metallischen Band 2, welches die in Fig. 3 dargestellten Hohlquerschnitte für den Durchfluss des Kühlwassers 3 besitzen kann. Die Kühlwasserleitung kann nach der in Fig. 3a gezeigten Darstellung aus einem rechteckigen Hohlraum im Zentrum der Leiterschleife bestehen, oder in der in Fig. 3b dargestellten Ausführungsart aus einem Rohr 4, welches am Kupferband befestigt ist. Die Leiterschleife ist an die nichtdargestellte Speisungsquelle bestehend aus einem Generator für hochfrequenten Wechselstrom angeschlossen.

Die Vertikalabmessung der Leiterschleife kann entsprechend den in Fig. 2 dargestellten Möglichkeiten an den die Seitenflächen des Barrens bildenden Seiten verändert werden. Für die meisten Zwecke genügt es, den Übergang zwischen geringerer und grösserer Vertikalabmessung durch einen linearen Übergang zu gestalten (Fig. 2a), doch haben auch die Form eines Fünfeckes (Fig. 2b) oder Kreissektorform der Unterkante der Leiterschleife (Fig. 2c) befriedigende Ergebnisse hervorgebracht, wobei diese Formveränderungen gegebenenfalls auch erst in einem gewissen Abstand von der Ecke vorgenommen werden können (Fig. 2d). Insgesamt sollten dabei die Bereiche mit der Vertikalabmessung H2 die Hälfte der Länge der jeweiligen Seitenfläche nicht übersteigen. Aus fertigungstechnischen Gründen kann der Übergang von der Vertikalabmessung Hi zu H2 statt linear auch in Stufen gearbeitet sein (Fig. 2e). In der Anordnung nach Fig. 2a erstreckt sich die Vertikalabmessung Hj vorzugsweise auf etwa ein Drittel einer Seitenfläche des Induktors. In einem betrieblichen Anwendungsbeispiel betrug die Vertikalabmessung der Leiterschleife in der Mitte Hx = 60 mm, an den Ecken H2 = 50 mm, doch können Leiterschleifen mit einem Verhältnis R = Ht :H2 = 1,05 bis 2,5 verwendet werden. Beim Giessen von Walzbarren des Formates 300 x 1050 mm einer hoch magnesiumhaltigen Aluminiumlegierung bei einer Giessgeschwindigkeit von 8 bis 10 cm pro Minute, betrug die durch ein R = 1,2 erzielte Kompensation des Einzuges pro Seitenfläche bis zu 5 mm.

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1. Induktor für eine elektromagnetische Stranggiesskokille, insbesondere zum Stranggiessen langformatiger Walzbarren mit wenigstens zwei zueinander parallel verlaufenden Seiten, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor eine mindestens zwei parallel zueinander verlaufende, durch Ecken begrenzte Seitenflächen enthaltende metallische Leiterschleife (2) mit einem Hohlraum (3) für das Durchleiten eines Kühlmittels aufweist, deren Vertikalabmessung (Hj) in der Seitenflächenmitte, erste Vertikalabmessung genannt, ein Mehrfaches der Vertikalabmessung (H2) an ihren Ecken, zweite Vertikalabmessung genannt, beträgt.

2. Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass der Übergang von der ersten Vertikalabmessung (HJ zur zweiten Vertikalabmessung (H2) durch gerade Unterkanten der Leiterschleife gebildet ist, und dass die erste Vertikalabmessung (HO jeder Seitenfläche der Leiterschleife sich über mindestens einen Drittel der Länge der jeweiligen Seitenfläche erstreckt (Fig. 2a).

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PATENTANSPRÜCHE

3. Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass mindestens zwei Seitenflächen der Leiterschleife eine fünfeckige Ansicht aufweisen, bei welcher die erste Vertikalabmessung (H j) durch eine Ecke gebildet ist (Fig. 2b).

4. Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass der Übergang von der ersten Vertikalabmessung (Hi) zur zweiten Vertikalabmessung (H2) durch kreissektorförmige Unterkanten der Leiterschleife gebildet ist (Fig. 2c).

5. Induktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

dass die zweite Vertikalabmessung (H2) sich höchstens über die Hälfte der Länge der jeweiligen Seitenfläche erstreckt (Fig. 2d).

6. Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass der Übergang von der ersten Vertikalabmessung (Ht) zur zweiten Vertikalabmessung (H2) in Stufen gearbeitet ist.

7. Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die Leiterschleife einen rechteckigen Querschnitt und einen rechteckigen Hohlraum zur Durchleitung des Kühlmittels aufweist (Fig. 3a).

8. Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die Leiterschleife einen rechteckigen Querschnitt aufweist und die Kühlmittelleitung mit kreisrundem Querschnitt in einer entsprechenden Ausnehmung der Leiterschleife befestigt ist (Fig. 3b).

9. Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass das Verhältnis der ersten zur zweiten Vertikalabmessung (Hj :H2) im Bereich 1,05 bis 2,5 liegt.