CH625728A5

CH625728A5 -

Info

Publication number: CH625728A5
Application number: CH1604377A
Authority: CH
Inventors: Peter Dr Ing Hoyer; Theodor Prof Dr Ing Rummel; Wilfried Dr Ing Heinemann
Original assignee: Concast Ag
Priority date: 1977-12-27
Filing date: 1977-12-27
Publication date: 1981-10-15
Also published as: JPS5496403A; GB2010686A; DE2855933A1; FR2413469A1; GB2010686B; US4244796A; FR2413469B1; CA1120273A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung der 40 Verteilung von unterschiedlichen Bestandteilen in einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, insbesondere einer Metallschmelze und eine Anwendung des Verfahrens.

Es ist bekannt, dass Kräfte, die auf unterschiedliche Bestandteile eines flüssigen Gemisches wirken, Einfluss auf die 45 Verteilung dieser Bestandteile in dieser Flüssigkeit haben. So sammeln sich unter dem Einfluss der Schwerkraft leichtere Bestandteile im oberen und die schwereren Bestandteile im unteren Bereich der Flüssigkeit an. Diese ungleichmässige Verteilung bleibt im allgemeinen bei Erstarrung der Flüssigkeit er- 50 halten. Dieser Vorgang ist unter dem Begriff «Schwerkraftseigerung» bekannt. Die Schwerkraftseigerung ist meistens unerwünscht, ausgenommen wenn sie zur Trennung von Bestandteilen ausgenutzt wird.

Zur Erzeugung hochwertiger Stahlsorten kann eine mög- 55 liehst homogene Durchmischung der Bestandteile oder aber eine hohe Reinheit bzw. Ausscheidung von unterschiedlichen Bestandteilen erwünscht sein. Die verschieden schweren Bestandteile einer erstarrenden Schmelze können beispielsweise durch Rühren gleichmässig verteilt werden. Es besteht aber die 60 Gefahr, dass sich dabei bereits erstarrte Bestandteile wieder lösen und sich mit der Restschmelze vermischen.

Es ist vorgeschlagen worden, unter Raumfahrtlaborbedingungen Metalle erstarren zu lassen. Die verschieden schweren unlöslichen Bestandteile in einer Metallschmelze sollen sich 65 dabei gleichmässig verteilen und es soll eine Gefügeverbesserung beispielsweise als Gefügeverfeinerung erreicht werden. Durch solche Gefügeverbesserungen des Materials können Eigenschaften wie Bruchfestigkeit, Verformbarkeit und Magnetisierungsfähigkeit beeinflusst werden. Die Erzeugung von Materialien unter den genannten Bedingungen ist aus Kostengründen äusserst beschränkt.

Zur Trennung von ungleichen Bestandteilen einer Flüssigkeit sind die Unterschiede in der Dichte oft nicht ausreichend. Es werden dafür oft Zentrifugen verwendet. Bei Erstarrung unter Zentrifugalkrafteinwirkung sammeln sich die Verunreinigungen im Zentrum der Schmelze und beeinflussen das Gefüge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches Verfahren zu schaffen, das die Verteilung der unterschiedlichen Bestandteile in elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten, insbesondere in Stahlschmelzen, beeinflusst.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Verminderung oder Verstärkung der Unterschiede in der Dichte der Bestandteile ein elektrischer Strom durch die Flüssigkeit hindurchgeführt und gleichzeitig ein magnetisches Feld praktisch senkrecht zur Richtung des elektrischen Stromes aufgebaut wird.

Für viele Anwendungsfälle ist ein möglichst homogenes Magnetfeld zweckmässig. Bei einer senkrechten Ausrichtung des Stromes zum Magnetfeld wird die grösstmögliche Wirkung in bezug auf die Kräfteerzeugung erzielt.

Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht es, die Dichte von unterschiedlichen Bestandteilen in elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten zu verändern und so durch unterschiedliche Dichte verursachte Entmischungsverhältnisse einerseits aufzuheben oder anderseits durch Vergrösserung dieser Unterschiede Entmischungen zu verstärken.

Das erfindungsgemässe Verfahren, das ungleich wirtschaftlicher als ein Raumlabor ist, erlaubt es, das gegenseitige Verhältnis der Dichte der Mischungskomponenten bzw. Bestandteile in einem bestimmten Rahmen beliebig zu verändern. Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung ist es von Vorteil, wenn die elektrische Stromstärke und die magnetische Felddichte derart eingestellt werden, dass der Unterschied in der Dichte von zwei Bestandteilen der Flüssigkeit aufgehoben wird. Dies ermöglicht beispielsweise die homogene Verteilung der Bestandteile in einer Flüssigkeit, die entweder aufgrund ihrer Dichte aussedimentieren oder an die Oberfläche aufsteigen würden.

Gemäss einer weiteren Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, wenn die elektrische Stromstärke und die magnetische Felddichte derart eingestellt werden, dass der Unterschied in der Dichte von zwei Bestandteilen der Flüssigkeit mindestens verdoppelt wird. Wird eine Entmischung der Bestandteile verlangt, so kann diese bei Vervielfachung des Dichteunterschiedes der Bestandteile leicht erreicht werden.

Die gleichmässige Verteilung von Bestandteilen kann in erstarrten Amorphen- oder in Kristallgefügen ein wesentliches Qualitätsmerkmal darstellen. Es ist somit von besonderem Interesse, wenn Unterschiede in der Dichte der Bestandteile während der Erstarrung der Stahlschmelze vermindert bzw. aufgehoben werden können. Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt es, physikalische Verhältnisse in einer Metallschmelze zu schaffen, wie sie beispielsweise nur in einem Raumlabor im schwerelosen Raum möglich sind.

Die Erfindung empfiehlt gemäss einer Weiterausbildung, dass ein Wechselstrom und ein magnetisches Wechselfeld verwendet werden und dass die Bedingung

Vtt. f ./t. de'

eingehalten wird, wobei d das grösste Diagonalmass der zur Stromrichtung senkrecht stehenden Querschnittsfläche, f die

3

625 728

Frequenz, fi die Permeabilität und x die elektrische Leitfähigkeit bedeutet. Bei kreisförmigem Querschnitt ist d der Durchmesser und bei polygonen Querschnitten die grösste Diagonale. Der Wechselstrom kann von beliebiger Frequenz sein. Mit Vorteil lässt sich auch ein Gleichfeld und Gleichstrom oder eine Kombination von beiden anwenden. Magnetfeld und Stromrichtung werden mit Vorteil horizontal angeordnet.

Die magnetische Kraftdichte der magnetischen Kräfte, die durch die Wirkung des elektrischen Stromes und des Magnetfeldes entstehen, ergibt sich aus Pm = S • B

wobei Pm = magnetische Kraftdichte S = elektrische Stromdichte B = magnetische Flussdichte, Induktion.

Dabei ist es vorteilhaft, einen Mindestwert von B g 0,05 T einzuhalten, damit die Stromdichte bzw. Stromstärke, die Pinchkräfte hervorrufen kann, nicht zu gross zu werden braucht. Nur bei Wechselfeldern lässt sich eine obere Grenze von B ë 0,3 T angegeben, wenn induzierte elektrische Ströme und die dadurch hervorgerufene Schmelzenströmungen unerwünscht sind.

Die Kraftdichte wirkt auf die Bestandteile der Flüssigkeit ähnlich der Schwerkraft. Für die meisten Anwendungsfälle muss das gemeinsame Wirken von Schwerkraft und magnetischer Kraft betrachtet werden. Die resultierende Kraft folgt aus Pres = Pm + g • g, wobei

Pres= resultierende Kraftdichte g — Dichte g = Fallbeschleunigung ist.

Besteht die Flüssigkeit aus verschiedenen leitfähigen Bestandteilen, so teilt sich der elektrische Strom derartig auf, dass in dem besser leitfähigen Bestandteil die grössere Stromdichte herrscht. Wo eine grössere Stromdichte herrscht, ist auch eine grössere magnetische Kraftdichte vorhanden. Zwischen den magnetischen Kraftdichten in gut und schlecht elektrisch leitfähigen Stoffen besteht somit eine nach Betrag und Richtung beliebig einstellbare Differenz. So ist es also bei Gemischen aus zwei Bestandteilen immer und bei Gemischen aus mehreren Bestandteilen bedingt möglich, durch Unterschiede in der Dichte der Bestandteile einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit hervorgerufene Auftriebskräfte zu beseitigen oder beliebig zu verstärken oder zu vermindern. Ausserdem kann entweder durch eine vollständige oder teilweise Kompensation der Schwerkraft oder durch ein zusätzliches Unterstützen der Schwerkraft die Gefügeausbildung beim Erstarren einer Metallschmelze beeinflusst werden. Dabei entsteht ein besonders feinkörniges Gefüge.

Bei einem Trennen von Bestandteilen, z.B. beim Entfernen von Verunreinigungen aus einer Metallschmelze, kann die Schwerkraft unterstützt werden, wodurch sich die im allgemeinen weniger gut leitfähigen Verunreinigungsstoffe, wie z.B. Feuerfestmaterialien, auf der Oberfläche ansammeln, wo sie abgeschöpft werden können.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert:

Fig. 1 eine Anordnung zur Schwerkraftkompensation und

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Unterstützung der Schwerkraft.

In Fig. 1 ist ein Abschnitt eines Stahlstranges 3 mit rundem Querschnitt mit Durchmesser d dargestellt. Über eine Länge L ist der Stahl in der flüssigen Phase und wird über diese Länge von einem Schutzrohr 4 umgeben. Der Bereich L erstreckt sich horizontal und es wird ein Strom in Stranglängsrichtung erzeugt. Als Stromzuführung können in bekannter Weise in der Schmelze eingetauchte Elektroden aus Stahl, Schleppkontakte oder Rollen dienen. Die Elektroden bestehen

50

55

65

vorteilhafterweise aus dem gleichen Material wie die Schmelze, damit ein Abschmelzen von Elektroden-Material nicht die Zusammensetzung der Schmelze verändern kann. Kühleinrichtungen zur Beschleunigung der Erstarrung sind einfachheitshalber weggelassen. Die Richtung des erregenden Magnetfeldes B ist horizontal und senkrecht zur Stromrichtung. Sie sind perspektivisch in der Figur durch Pfeile B dargestellt. Die aufwärts gerichtete, durch Strom I und magnetische Flussdichte B erzeugten Kräfte P entsprechen dem Gewicht des Stahlstranges 3 über die Länge L.

Bei einem Laborversuch wurde von folgenden Gegebenheiten ausgegangen:

Länge des Schmelzbereiches L Durchmesser d Dichte der Schmelze g elektrische Leitfähigkeit x magnetische Flussdichte B Permeabilität der Schmelze p

0,3 m 0,02 m 7,8 g/cm3 0,72 m/fimm2 0,12 T

0,4 TT ■ 10-6 Vs/Am

Damit festgestellt werden kann, ob Netzfrequenz anwendbar ist, wird die folgende Bedingung überprüft:

d <

1,7

25

30

Vir. f ./U.ze'

Die magnetische Kraftdichte ist gleich dem Vektorprodukt aus Stromdichte und der magnetischen Induktion des erregten Magnetfeldes. Da die magnetische Kraftdichte hier betrags-mässig gleich dem spezifischen Gewicht der Schmelze sein soll, ergibt sich die erforderliche Stromdichte S als Quotient aus spezifischem Gewicht und magnetischer Induktion:

S =

35

g" g B

637 650 A/m2

Durch Multiplikation mit der Querschnittfläche erhält man die Stromstärke I = 200 A.

Die Verlustleistung ist deshalb:

96. TT" . d'

= 53 Watt

Fig. 2 zeigt eine Zinnschmelze 19 von der Höhe h und der Breite b in einem rinnenförmigen Gefäss 20, in welchem sich zwei Tauchelektroden 21, 22 befinden. Zwischen den Elektroden 21, 22 wird ein Strom I erzeugt; das Feld B ist in die Zeichnungsebene gerichtet und der in Betracht gezogene Bereich ist wieder mit L bezeichnet. Um die Verunreinigungen, die eine geringere elektrische Leitfähigkeit als die Schmelze haben, an die Oberfläche des Schmelzbades zu bringen, wo sie sich abschöpfen lassen, wird eine magnetische Kraftdichte gefordert, die doppelt so gross ist wie das spezifische Gewicht, so dass die resultierende Kraftdichte gleich dem dreifachen spezifischen Gewicht ist. Als Elektrodenmaterial wurde hier ein Chromnickelstahl verwendet.

Für die Beispielsrechnung erforderliche Angaben:

Länge der Schmelze L Höhe des Schmelzbades h Breite des Schmelzbades b Dichte der Schmelze g elektrische Leitfähigkeit x magnetische Flussdichte B Permeabilität der Schmelze u

0,5 m 0,1 m 0,1 m 7,2 g/cm3 2,1 m/ßmm2 0,05 T

0,4 ti • IO"6 Vs/Am

Der zur Stromrichtung senkrecht liegende Querschnitt ist in diesem Beispiel rechteckförmig. Die Richtung des erregen-

625 728 4

den Magnetfeldes ist wie bei Fig. 1 horizontal und senkrecht Durch Multiplikation mit der Querschnittfläche (b.h) folgt zur Stromrichtung. die Stromstärke I = 28,2 kA.

Die erforderliche Stromdichte erhält man zu: In der Schmelze entsteht dann eine Verlustleistung von

I2-L/x-h-b = 19,16 kW.

S = 2 = 2 825 280 A/m2 s

D

S

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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2

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Beeinflussung der Verteilung von unterschiedlichen Bestandteilen in einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, insbesondere einer Metallschmelze, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verminderung oder Verstärkung der Unter- 5 schiede in der Dichte der Bestandteile ein elektrischer Strom durch die Flüssigkeit hindurchgeführt und gleichzeitig ein magnetisches Feld praktisch senkrecht zur Richtung des elektrischen Stromes aufgebaut wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 10 dass die elektrische Stromstärke und die magnetische Felddichte derart eingestellt werden, dass der Unterschied in der Dichte von zwei Bestandteilen der Flüssigkeit aufgehoben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 15 dass die elektrische Stromstärke und die magnetische Felddichte derart eingestellt werden, dass der Unterschied in der Dichte von zwei Bestandteilen der Flüssigkeit mindestens verdoppelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch ge- 20 kennzeichnet, dass ein Wechselstrom und ein magnetisches Wechselfeld verwendet werden und dass die Bedingung d ^ 1,7

"V5T- F ■/*. ■ X '

eingehalten wird, wobei d das grösste Diagonalmass der zur Stromrichtung senkrecht stehenden Querschnittfläche, f die Frequenz, ß die Permeabilität und x die elektrische Leitfähigkeit bedeuten. 30
5. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, zur Herstellung eines homogenen Gussstückes, dadurch gekennzeichnet, dass Unterschiede in der Dichte der Bestandteile während der Erstarrung der Metallschmelze vermindert werden. 35