-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von flüssigen Metallen, insbesondere von flüssigen Stahlwerkstoffen zur Erzeugung von Brammen- und Dünnbrammenprodukten mit Formatbreiten von 750 bis 3500 mm und Formatdicken von 30 bis 500 mm in einer Stranggießanlage.
-
Zur Verbesserung der Produktqualität durch eine positive Beeinflussung der Strömungsverhältnisse innerhalb der Stranggießkokille ist es bekannt, diese mit einer elektromagnetischen Bremse auszurüsten. Diese besteht aus Spulen mit Kernen und Joch, mit denen Magnetfelder erzeugt werden, die auf die bestehenden Strömungsverhältnisse des Stahlbades innerhalb der Kokille einwirken.
-
So ist aus der
EP 0 832 704 A1 eine Stranggießmaschine bekannt, deren Kokille eine elektromagnetische Bremseinrichtung zugeordnet ist zum Steuern der Schmelze in der Kokille nach deren Austritt aus einem Tauchrohr dergestalt, dass die Strömung der Schmelze in der Kokille beiderseits des Tauchrohrs nach Möglichkeit symmetrisch verläuft. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist beschrieben, dass durch die geeignete Wahl des Neigungswinkels der Pole der Bremseinrichtung im Hinblick auf die Aufströmungsrichtung der Schmelze die Stärke der Strömungskomponenten der Schmelze in Gießrichtung und entgegen der Gießrichtung eingestellt werden können. Weiterhin ist offenbart, dass die Geschwindigkeit der Schmelze an der Badoberfläche gemessen wird.
-
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2009 029 889.4 ist eine elektromagnetische Bremseinrichtung für Stranggießkokillen bekannt. Die Bremseinrichtung erzeugt ein Magnetfeld, welches die in die Kokille austretenden Flüssigkeitsstrahlen direkt beeinflusst. Zur Erzeugung des Magnetfeldes sind je Kokillenbreitseite mindestens zwei Pole symmetrisch zur senkrechten Bezugslinie des Kokillentauchrohres so angeordnet, dass die Hauptachsen ihrer Austrittsquerschnitte zur senkrechten Bezugslinie des Kokillentauchrohres in einem bestimmten Winkel ausgerichtet sind. Der Offenbarungsgehalt der
DE 10 2009 029 889.4 ist voll umfänglich auch Gegenstand der vorliegenden Beschreibung.
-
Schließlich ist aus der deutschen Patentschrift
DE 195 33 577 C1 eine elektromagnetische Einrichtung für eine Stranggießkokille bekannt, welche eine Mehrzahl von Teilumrührern umfasst, wobei die Teilumrührer paarweise auf der Außenwand der Stranggießkokille auf der selben Höhe beabstandet zueinander angeordnet sind und an eine elektrische Wechselspannung angeschlossen sind. Die Teilumrührer sind als Spulen mit ferromagnetischem U-förmigem Kern ausgebildet. Die Teilumrührer induzieren ein elektromagnetisches Kraftfeld in die Schmelze im Innern der Kokille. Durch den Betrieb der Teilumrührer wird erreicht, dass Aufwallungen der Oberfläche der Schmelze und ein Stau von Überhitzungswärme im inneren Bereich der Kokille vermieden werden. Die Teilumrührer sind paarweise angeordnet und können um einen Winkel jeweils gegeneinander verdreht werden. Um eine Anpassung an verschiedene Gießbedingungen zu erzielen, ist ein Stellantrieb vorgesehen, durch den die Teilumrührer während des Betriebs der Kokille vorgebbar gegeneinander verdreht werden können. Die Teilumrührer sind dazu in drehbaren Halterungen gelagert. Als Stellgröße kann beispielsweise die Häufigkeit der Aufwallungen an der Oberfläche der Schmelze dienen oder die Tiefe des sich am Tauchrohr bildenden Einsaugtrichters der Metallschmelze.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Gießen von Metallen, bei welchem die Schmelze in der Kokille durch ein Magnetfeld beeinflusst wird, dahingehend weiterzubilden, dass die Möglichkeiten zur Beeinflussung der Strömungsverhältnisse der Schmelze in der Kokille weiter verfeinert bzw. verbessert werden.
-
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des Magnetfeldes in Abhängigkeit der Formatbreite und/oder der Gießgeschwindigkeit, mit welcher der gegossene Strang aus der Kokille austritt, so eingestellt wird, dass die Turbulenz des flüssigen Metalls in der Kokille ein vorbestimmtes Maß nicht übersteigt.
-
Durch die gezielte Einstellung des Magnetfeldes in Abhängigkeit der jeweiligen Formatbreite und/oder der Gießgeschwindigkeit, die typischerweise während einer Gießsequenz jeweils konstant bleiben, gelingt die gewünschte präzise Beeinflussung der Strömung.
-
Konkrete Ausführungsbeispiele, wie das Magnetfeld in Abhängigkeit der Formatbreite und der Gießgeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise eingestellt wird, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Durch die Ausrichtung der Pole der elektromagnetischen Bremseinrichtung in die Hauptstromrichtung der Tauchrohrströmung beeinflusst die elektromagnetische Bremseinrichtung mit dem lokal wirkenden Magnetfeld die aus dem Kokillentauchrohr austretenden Flüssigkeitsstrahlen direkt bzw. unmittelbar bezüglich ihrer Richtung, ihrem Geschwindigkeitsprofil und ihrer Turbulenzstruktur. Durch die in dieser Weise modifizierten Flüssigkeitsstrahlen wird mit Vorteil die Entstehung von schädlichen Geschwindigkeitsschwankungen im Badspiegel zumindest begrenzt; die Geschwindigkeitsschwankungen sind dadurch kontrollierbar. Die hierdurch erzielbaren Ergebnisse sind u. a. geringe Turbulenzen im Badspiegel, weniger unerwünschte Einschlüsse von beispielsweise Gießpulver oder Schlacke und eine homogene Temperaturverteilung und damit insgesamt eine verbesserte Qualität der Gießprodukte und eine Steigerung der Gießgeschwindigkeit.
-
Durch die konzentrierte Wirkung der erfindungsgemäßen Polanordnung und Polausbildung der elektromagnetischen Bremseinrichtung auf die Tauchrohrströmung ist der erforderliche Leistungsbedarf der Bremseinrichtung sehr gering und beträgt nur ca. ¼ bis ½ der sonst aufzubringenden elektrischen Leistung.
-
Die Bremseinrichtung wird gemäß der vorliegenden Erfindung grundsätzlich mit einem permanenten Feld und einstellbarer Feldstärke mittels Gleichstrom betrieben; aber auch ein Betrieb mit wechselnder Feldstärke und möglicher Richtungsumkehr mittels Wechselstrom kann alternativ durchgeführt werden.
-
Die Pole der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Bremseinrichtung weisen einen beliebigen Austrittsquerschnitt unter Ausprägung einer Hauptachse auf, wobei dieser Austrittsquerschnitt beispielsweise als Dreieck, als Rechteck, als beliebiges Vieleck oder mit einer bogenförmigen Kontur ausgebildet sein kann.
-
Es ist weiterhin vorteilhaft, nicht nur die magnetische Feldstärke des Magnetfeldes, sondern zusätzlich zu der magnetischen Feldstärke den Neigungswinkel in Abhängigkeit der Formatbreite der Kokille und/oder der Gießgeschwindigkeit so einzustellen, dass die Turbulenz des flüssigen Metalls in der Kokille das vorbestimmte Maß nicht übersteigt. Durch die beanspruchte zusätzliche Einstellung des Neigungswinkels in Abhängigkeit der genannten Gießparameter, Formatbreite und Gießgeschwindigkeit, gelingt eine weiter präzisierte Einflussnahme auf die Strömungsverhältnisse und die Turbulenz der Schmelze in der Kokille. Konkrete Angaben, wie der Neigungswinkel in Abhängigkeit einer Änderung der genannten Gießparameter einzustellen ist, ist ebenfalls Gegenstand weiterer abhängiger Ansprüche.
-
Als Maß für die Turbulenz des flüssigen Metalls in der Kokille wird vorteilhafterweise die horizontale Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze am Badspiegel, das heißt die horizontale Meniskusgeschwindigkeit verwendet. Diese wird vorteilhafterweise mit einem Wert zwischen 0,1 und 0,5 m/sec vorgegeben.
-
Schließlich ist es vorteilhaft, mit Hilfe des beanspruchten erfindungsgemäßen Verfahrens die Strömungsverhältnisse bei den gegebenen Gießparametern auf einem Computer zu simulieren, um auf diese Weise für jeweils gegebene Gießparameter die optimale Feldstärke und optional damit auch den Neigungswinkel zu ermitteln, bevor die durch die Simulation ermittelten optimalen Werte bei einer konkreten Gießsequenz mit den entsprechenden Gießparametern tatsächlich auch so eingestellt werden.
-
Der Beschreibung sind insgesamt vier Figuren beigefügt, wobei
-
1 eine Kokille mit elektromagnetischer Bremseinrichtung in perspektivischer Darstellung;
-
2 einen Querschnitt durch die Kokille mit vorgelagerter Gießpfanne und Zwischenbehälter;
-
3 bis 5 die Kokille mit den drehbaren Polen in unterschiedlicher Winkelstellung in alternativer Polausbildung; und
-
6 beispielhafte Polausbildungen mit Darstellung der Hauptachse zeigen.
-
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren detailliert beschrieben. Gleiche technische Merkmale sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
-
In der 1 ist die Kokille 1 einer Stranggießanlage mit im unteren Bereich des Kokillentauchrohrs 2 angeordneter elektromagnetischer Bremseinrichtung in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Die elektromagnetische Bremseinrichtung, bestehend aus den Kernen 14, den Jochs 14', den Magnetspulen 13 und den gegenüber den Kernen drehbaren Polen am Ende der Kerne ist erfindungsgemäß so angeordnet, dass auf jeder Kokillenbreitseite 3 zwei der Pole 10 einander gegenüberliegen. Die Pole sind symmetrisch zur senkrechten Bezugslinie 4 (Gießrichtung) des Kokillentauchrohrs 2 und jeweils auf Höhe der Hauptrichtung 5 der aus dem Tauchrohr austretenden Strömung der Schmelze angeordnet. Die Hauptachsen 12 ihrer Austrittsquerschnitte bilden mit der Hauptrichtung 5 der aus dem Tauchrohr austretenden Strömung der Schmelze jeweils einen – vorzugsweise gleich großen – Winkel β1, β2, siehe 2. Durch die Ausrichtung der Pole 10 in Bezug auf die Hauptstromrichtung 5 der Tauchrohraustrittsströmung werden die in die Kokille 1 einströmenden Flüssigkeitsstrahlen auf direktem Wege durch die zwischen den gegenüberliegenden Polen 10 aufgebauten Magnetfeldlinien 15 beeinflusst. Die in der perspektivischen Ansicht der 1 nicht eingezeichnete Hauptstromrichtung 5 der Tauchrohrströmung wird in den 2 bis 5 in jeweils geschnittener Seitenansicht dargestellt.
-
2 zeigt die aus 1 bekannte Anordnung in einer Querschnittsdarstellung. Ergänzend zur 1 ist in 2 gezeigt, dass das Tauchrohr 2 über eine Pfanne 30 und ein Zwischengefäß 40 mit Schmelze gespeist wird. Die Schmalseiten der Kokille sind mit den Bezugszeichen 3a und 3b bezeichnet. Die Gießrichtung ist durch den vertikalen Pfeil nach unten mit den Bezugzeichen 4 angedeutet. Der Abstand zwischen den beiden Schmalseiten 3a, 3b der Kokille repräsentiert die Formatbreite FB des gegossenen Strangs. Die Hauptströmungsrichtung 5 der Schmelze beim Austritt aus dem Tauchrohr 2 ist durch die nahezu horizontalen Pfeile an dem kokillenseitigen Ende des Tauchrohrs 2 angedeutet, welche das Bezugzeichen 5 aufweisen. Das Bezugszeichen 50 bezeichnet den Badspiegel der Schmelze in der Kokille. Der Doppelpfeil am Badspiegel repräsentiert die im Wesentlichen möglichen Strömungsrichtungen der Schmelze am Badspiegel, dass heißt die Hauptrichtungen der Meniskusgeschwindigkeit. Der Betrag und die Richtung der Meniskusgeschwindigkeit, bzw. die Änderung der Meniskusgeschwindigkeit repräsentieren ein Maß für die Turbolenz der Strömung der Schmelze in der Kokille. Zur Erzielung eine optimalen Produktqualität wird eine möglichst geringe Turbolenz, dass heißt eine betraglich möglichst kleine Meniskusgeschwindigkeit mit möglichst wenigen, vorzugsweise keinen Richtungsänderungen angestrebt. Erfindungsgemäß wird dies durch eine geeignete Einstellung der Magnetfeldstärke in Abhängigkeit der Formatbreite FB und/oder der Gießgeschwindigkeit erreicht. Die Winkel β1 und β2 können grundsätzlich unabhängig voneinander eingestellt werden; vorzugsweise werden sie jedoch symmetrisch eingestellt, um eine symmetrische Strömungsverteilung in Bezug auf die Gießrichtung bzw. die Tauchrohrlängsachse in der Kokille zu erzielen.
-
Grundsätzlich ist zur Minimierung der Turbolenz ein Regelkreis denkbar, bei welchem die jeweils aktuelle Meniskusgeschwindigkeit messtechnisch erfasst und mit einem vorgegebenen Sollwertebereich für die Meniskusgeschwindigkeit verglichen wird. Eine eventuell bei dem Vergleich festgestellte Regelabweichung kann dann mit Hilfe eines Reglers in geeignete Stellsignale für Stellantriebe zum geeigneten Einstellen der Feldstärke umgerechnet werden. Dabei wird die Magnetfeldstärke über die Stärke des Stroms durch die Spulen der Bremseinrichtung, vorzugsweise so eingestellt, dass die besagte Regelabweichung minimiert wird. Die Regelung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie die Gießparameter, Formatbreite und Gießgeschwindigkeit entweder als zeitliche Konstante oder als zeitlich veränderliche Größen bei der Berechnung der Stellsignale mit berücksichtigt. Zusätzlich kann die Regelung auch ausgebildet sein, den Neigungswinkel β1, β2 der Pole als Stellgröße im Hinblick auf eine Minimierung der Regelabweichung geeignet einzustellen.
-
Die tendenzielle Änderung des Neigungswinkels β und der Magnetfeldstärke, welche durch die Stromstärke der Bremseinrichtung eingestellt wird, in Abhängigkeit einer Änderung der Formatbreite oder der Gießgeschwindigkeit ist in der folgenden Tabelle anschaulich dargestellt:
| Parameter | Richtung | Gewünschte Wirkung | Neigungswinkel β1, β2 | Magnetfeldstärke |
| Formatbreite | Vergrößerung | geringere Strahlablenkung | β1, β2 Verkleinerung | niedriger |
| | Verkleinerung | höhere Strahlablenkung | β1, β2 Vergrößerung | größer |
| Gießgeschwindigkeit | Vergrößerung | höhere Strahlablenkung | β1, β2 Vergrößerung | größer |
| | Verkleinerung | geringere Strahlablenkung | β1, β2 Verkleinerung | niedriger |
-
Beispielhafte mögliche Drehungen der Pole 10 werden in den 3 bis 5 dargestellt. Die mit einer bogenförmigen Kontur ihrer Austrittsquerschnitte 11e ausgebildeten Pole 10 sind an der Kokille 1 symmetrisch zur senkrechten Bezugslinie 4 des Kokillentauchrohrs 2 im Bereich der Austrittsöffnung 6 angeordnet. Die 3 zeigt eine angenommene Ausgangsstellung. Gegenüber dieser Ausgangsstellung der 3 wurden der linke Pol 10 in Drehrichtung 18, also in Uhrzeigerichtung und der rechte Pol 10 entgegengesetzt in Drehrichtung 19 um jeweils einen Winkelbetrag von 5° nach innen gedreht, wodurch die in der 4 dargestellte Stellung der Pole erhalten wurde. Eine gegenüber der Ausgangsstellung der 3 entgegengesetzte Drehung der Pole 10 nach außen um einen Winkelbetrag von 20° ergibt die in der 5 dargestellte Polstellung.
-
Um aufzuzeigen, welche Austrittsquerschnitte 11 der Pole 10 gemäß der Erfindung verwendbar sind, ist in der 6 eine Auswahl möglicher unterschiedlicher Austrittsquerschnitte 11 angegeben. Die Austrittsquerschnitte 11 sind mit eingezeichneter Hauptachse 12 des Austrittsquerschnitts 11 dargestellt, wobei die obere Figurenreihe eine angenommene Ausgangsstellung und die untere Figurenreihe die in Drehrichtung 19 um einen Winkelbetrag gedrehte Endstellung zeigt. Im Einzelnen sind folgende Austrittsquerschnitte von links nach rechts dargestellt:
Rechteckiger Austrittsquerschnitt 11a
Dreieckiger Austrittsquerschnitt 11b
Als Vieleck ausgebildeter Austrittsquerschnitt 11 Ovaler Austrittsquerschnitt 11d
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kokille
- 2
- Kokillentauchrohr
- 3
- Kokillenbreitseite
- 3a, 3b
- Kokillenschmalseite
- 4
- senkrechte Bezugslinie des Kokillentauchrohrs (Gießrichtung)
- 5
- Hauptstromrichtung der Tauchrohrströmung
- 6
- Austrittsöffnung des Kokillentauchrohrs
- 10
- Pol
- 11a-e
- Austrittsquerschnitt des Pols
- 12
- Hauptachse des Austrittsquerschnitts der Pole
- 13
- Magnetspulen
- 14
- Kern
- 14'
- Joch
- 15
- Magnetfeldlinien
- 16
- Schnittpunkt oberhalb der Pole
- 17
- Schnittpunkt unterhalb der Pole
- 18
- Drehrichtung (Uhrzeigerichtung)
- 19
- Drehrichtung (gegen Uhrzeigerichtung)
- 20
- Drehpunkt
- 30
- Pfanne
- 40
- Zwischengefäß
- 50
- Badspiegel
- FB
- Formatbreite
- β1, β2
- Winkel zwischen der Hauptachse der Austrittsfläche der Pole und der Hauptstromrichtung der aus dem Tauchrohr austretenden Schmelze
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 0832704 A1 [0003]
- DE 102009029889 [0004, 0004]
- DE 19533577 C1 [0005]
