DE1028297B - Vorrichtung zum Regeln der Stroemungsgeschwindigkeit von fluessigem Metall - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Bei mehreren metallurgischen Verfahren tritt die Aufgabe auf, die Strömungsgeschwindigkeit eines geschmolzenen Metalls durch einen hauptsächlich senkrechten Kanal zu regeln. Ein solcher Fall von gleichzeitig großer praktischer Bedeutung liegt beim kontinuierlichen Gießen eines Metalls aus einem Behälter in eine Kokille vor, in der es erstarrt und aus der es danach durch Walzen oder ähnliche Werkzeuge in Form eines zusammenhängenden Stranges herausgezogen wird. In solchen Fällen ist es wichtig, daß das Gießen in die Kokille, in Volumeinheiten des Metalls pro Zeiteinheit gerechnet, mit genau konstanter Geschwindigkeit erfolgt. Überschreitet nämlich die Gießgeschwindigkeit die von den Walzen geforderte, dann besteht die Gefahr, daß das Metall an der Kokille überläuft, ist sie aber zu niedrig, so kann der Strang abreißen.

Es wurden Gießpfannen entwickelt, aus denen das Metall beim Kippen durch ein rinnenförmiges Mundstück fließt und die bei konstanter Kippgeschwindigkeit eine praktisch konstante Abflußgeschwindigkeit ergeben. Es wurden weiter Regler entwickelt, um die auftretenden winzigen Abweichungen von dieser konstanten Abflußgeschwindigkeit zu beseitigen. In gewissen Fällen müssen jedoch weitere Einrichtungen, z. B. zum Abschlacken, zwischen die kippbaren Behälter und die Kokille eingeschaltet werden, und in diesen Fällen wirkt eine derartige Regelung, die gewöhnlich auf die Höhenlage der freien Metalloberfläche in der Kokille anspricht, in vielen Fällen nicht genügend schnell, sondern muß durch eine Regelung der Geschwindigkeit, mit welcher das Metall einen zwischengeschalteten, im allgemeinen senkrechten Kanal durchfließt, vervollständigt (oder gegebenenfalls ersetzt) werden. Eine derartige Regelung kann auch zur Verwendung kommen, wenn das Metall durch ein Loch im Boden eines Behälters abfließt.

Die Regelung gemäß der Erfindung erfolgt mittels einer mehrphasigen Wicklung, die den Kanal in an sich bekannter Weise umgibt. Eine Untersuchung hat gezeigt, daß eine besondere Art von mehrphasiger Wicklung vorzuziehen ist, um die genaueste Regelung zu ergeben, nämlich eine, die am zutreffendsten als »vierphasig« bezeichnet werden kann. Es kann auch mathematisch nachgewiesen werden, daß die Frequenz des Mehrphasenstromes innerhalb ziemlich enger Grenzen gehalten werden soll, um einen Höchstwert der die Metallströmung im Kanal beeinflussenden Kraft zu ergeben. Die Grenzen sind von den Abmessungen des Kanals abhängig, wobei die vorteilhafteste Frequenz desto niedriger wird, je weiter der Kanal ist. Für einen Kanal kreisrunden Querschnitts kann die Verteilung des Stromes und des Kraftflusses im Kanal durch Besselsche Funktionen in Analogie mit der Wärmewirkung in einem Hochfrequenzschmelzofen berechnet werden. Für einen Kanal rechteckigen Querschnitts, dessen kleinste Abmessung bedeu-Vorrichtung zum Regeln

der Strömungsgeschwindigkeit

von flüssigem Metall

Anmelder:

ίο Allmänna Svenska Elektriska

Aktiebolaget, Västeräs (Schweden)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Missling, Patentanwalt,
¹S Gießen, Bismarckstr. 43

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 16. Juni 1952

Dr. Ludwig Dreyfus, Västeräs (Schweden),

und Dr. Göte Malmlöv, New York, N. Y. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

tend kleiner als die größte ist, kann eine entsprechende Berechnung mittels hyperbolischer Funktionen durchgeführt werden, und für andere Formen des Querschnitts wird der bequemste Weg im allgemeinen die Verwendung graphischer Annäherungsverfahren.
In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht der allgemeinen Anordnung einer Anlage zum kontinuierlichen Gießen, die einen Behälter für flüssiges Metall, eine Abschlackvorrichtung, einen Kanal mit umgebender Mehrphasenwicklung zur Regelung der Durchströmung und eine das Metall empfangende Kokille umfaßt;

Fig. 2 bis 8 zeigen sechs verschiedene Ausführungen der den Kanal umgebenden Mehrphasenwicklung;

Fig. 9 und 10 sind Kurvendiagramme, die die Schwankung der das Metall im Kanal beeinflussenden Axialkräfte als Funktion der Abmessungen der Wicklung darstellen.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen kippbaren Behälter solcher Form, die bei konstanter Kippgeschwindigkeit einen praktisch konstanten Abfluß des Metalls ergibt. Aus diesem Behälter fließt das Metall in eine Abschlackeinrichtung 2, in welcher die Schlacke durch eine senkrechte Scheidewand 3 abgezogen wird. Das Metall fließt unter dieser Wand hindurch, um dann in den Kanal 4

709 M0ß38

3 4

einzutreten, in dem seine Geschwindigkeit durch eine Fig. 5 gezeigt wird. In Fig. 4 ist die Wicklung derselben den Kanal umgebende Mehrphasenwicklung 5 geregelt Art wie in Fig. 3. Lediglich die Wicklung und der Mantel wird. Aus dem Kanal 4 fließt das Metall in eine Kokille 6, sind in diesen Figuren dargestellt, während die den in der es erstarrt und aus der es, z. B. durch Walzen 7, Kanal umgebende feuerfeste Wand fortgelassen ist. herausgezogen wird. Es kann durch andere Werkzeuge 5 In Fig. 4 wird der Mantel in seiner einfachsten Form, weiterbearbeitet werden, die jedoch nicht den Gegenstand die Wicklung einfach umgebend, dargestellt. Es kann der Erfindung bilden. jedoch in gewissen Fällen zweckmäßig sein, den Mantel Die Mehrphasenwicklung 5 kann von einer beliebigen, mit nach innen gerichteten Vorsprüngen zu versehen, regelbaren Mehrphasenstromquelle gespeist werden. Da die zwischen den verschiedenen Wicklungsphasen oder es unter Umständen erwünscht sein kann, die Richtung io gegebenenfalls zwischen den einzelnen Windungen liegen, der Längskräfte im Kanal umzulenken, kann es zweck- um die Teile des Kraftflußweges, die Stoffe mit der mäßig sein, die Wicklung aus zwei unabhängigen Ein- Permeabilität 1 durchsetzen, zu verkürzen. Solche Vorphasengeneratoren zu speisen, die in gegenseitigem Sprünge können auf jedem einzelnen Blech 61 des Synchronismus angetrieben werden und von denen nur Mantels (nach Fig. 6) oder in der Form aufgeschnittener der eine eine regelbare und umkehrbare Spannung ergibt. 15 Blechringe 62 (nach Fig. 7), die gegen die Pakete 16 Die Erfindung ist auf jedes Metall anwendbar, das sich anliegen und die Wicklungsphasen voneinander trennen, für eine Behandlung in der beschriebenen Weise eignet, angebracht werden.

ist aber besonders für Stahl bestimmt. Wie bereits erwähnt, gibt es eine besondere Beziehung Die einfachste Form einer den Metallkanal umgebenden zwischen den Abmessungen des Kanals und der Wicklung Mehrphasenwicklung ist in Fig. 2 dargestellt. Der Kanal ao und der Frequenz des Stromes, die ein Optimum der ist wie in Fig. 1 mit 4 und seine feuerfeste Wand, Vorzugs- Regelfähigkeit der Wicklung (Mittelwert der Axialkraft weise aus keramischem Stoff, mit 40 bezeichnet. Die pro Volumeinheit des geschmolzenen Metalls) ergibt In umgebende Wicklung ist zweiphasig, bestehend aus den folgenden Formehl wie auch in Fig. 9 und 10 ist der zwei Endspulen 51, die yon der einen Phase des Stromes Radius eines kreisrunden Kanals mit r₂ und der Radius in entgegengesetzten Richtungen durchflossen werden, 25 eines Zylinders, bei dessen Oberfläche die magnetischen und einer Mittelspule 52, in der der Strom gegenüber den Kraftlinien radial (senkrecht zur Zylinderfiäche) gerichtet anderen Spulen um 90° phasenverschoben ist. Die von sind, mit r_x bezeichnet. Bei einer Wicklung ohne umgebender einen Stromphase im Metallinhalt des Kanals den Eisenmantel entspricht r_x etwa dem mittleren induzierten Wirbelströme wirken mit dem von der anderen Radius der Wicklung, bei einer Wicklung mit einfachem Stromphase erzeugten magnetischen Kraftfluß zusammen, 30 Eisenmantel nach Fig. 4 und 5 dem inneren Radius des so daß in der bei Mehrphasenströmen üblichen Weise Mantels und bei einem Mantel mit Vorsprüngen nach Kräfte in der Längsrichtung des Kanals entstehen, durch Fig. 6 oder 7 dem inneren Radius dieser Vorsprünge, die die Strömung im Kanal geregelt werden kann. Diese Wie im folgenden nachgewiesen werden soll, erreichen Kräfte können nicht über den ganzen Querschnitt des die Kräfte in der Längsrichtung des Kanals pro Volum-Kanals gleich sein, sondern müssen in seiner Achse auf 35 einheit gewöhnlich einen Höchstwert für ein gewisses Null herabsinken, aber die Abmessungen der Wicklung Verhältnis zwischen der Polteilung r der Wicklung und und die Frequenz des Stromes können derart gewählt dem Radius r_v unabhängig von den Abmessungen des werden, daß die Abnahme gegen die Mitte nicht allzu Kanals. Es ist jedoch zu beachten, daß die Wahl von T₁ schnell erfolgt, wie aus dem Folgenden näher hervorgeht. nicht frei ist, sondern von der Festigkeit der keramischen Um Längskräfte im Kanal zu erzeugen, die den Haupt- 40 Wand und der Rücksicht auf die Wärmeverluste bestimmt teil der Wicklung entlang in der Längsrichtung praktisch wird. Es kann deshalb eintreten, daß auch bei dem hochkonstant sind, ist es wichtig, daß die verschiedenen sten Grenzwert von τ die gesamte Kraft, die zur wirk-Phasen des Stromes einander nicht nennenswert durch samen Kanallänge 2τ proportional ist, kleiner als gegenseitige Induktion beeinflussen. Für diesen Zweck erwünscht wird. In solchem Fall kann eine vierpolige geeignete Ausführungsformen der Wicklung sind in 45 Wicklung nach Fig. 8 anstatt der zweipoligen nach sämtlichen Fig. 2 bis 8 dargestellt. Fig. 2 bis 7 verwendet werden. Andererseits kann die Fig. 3 zeigt eine vierphasige Wicklung wie auch die einfachste Wicklungsform nach Fig. 2 unter Umständen von den verschiedenen Phasen erzeugten Kraftlinien. wirtschaftlich begründet sein.

Letztere sind in der rechten Hälfte für einen Teil der Um die im folgenden gegebenen Formeln zu verein-

Phasen und in der linken für die übrigen gezeichnet, um 50 fachen, werden gewisse Abkürzungen eingeführt, nämlich

die Figax nicht durch ein Übermaß von Lmien zu für ^r₁ und *₂ für ^f₂, wor cüehnearePolteüung

verwickeln. Charakteristisch fur diese Form der Wicklung ^x τ ^{x i} τ ^Δ °

ist, daß sie vier Spulen enthält, die Ströme verschiedener ist. Es sind die Verhältnisse zwischen dieser Teilung und

Phase führen, obgleich eine dieser Spulen in zwei Teile den Radien T₁, r₂, die die Verteilung des magnetischen

geteilt ist, die an den Enden der Wicklung liegen. Die 55 Kraftflusses und der Stromdichte im Kanal bestimmen,

gesamte Länge dieser Teile ist etwas größer als jede der Ferner wird die Frequenz des Stromes mit ν bezeichnet,

übrigen Spulen, aber sie soll nicht mehr als doppelt so während B₁ der maximale Scheitelwert der Grundwelle

groß wie diese sein. des axialen magnetischen Kraftflusses (in einem Abstand

Wie üblich bei Mehrphasenwicklungen werden die von beinahe r_x von der Achse des Kanals) und ρ der

mechanischen Kräfte hauptsächlich durch die Zusammen- 60 spezifische Widerstand des geschmolzenen Inhalts des

wirkung zwischen den Strömen einer Phase und dem _rr 1 · /~n_ mm² .

tr jM..a ο j j χ. τ-. -Jj- Kanals in Ohm ist.

Kraftnuß der angrenzenden erzeugt. Dagegen smd die m

Kräfte zwischen dem Strom jeder Phase und deren Einige Annäherungen werden auch gemacht, um die

eigenem Kraftfluß ziemlich klein, da die Ströme infolge Berechnung der Stromdichte und der Kräfte im Kanal

des hohen Widerstandes für die Wirbelströme um nahe 65 zu vereinfachen. Die erste Annäherung ist, daß die

90° gegenseitig phasenverschoben smd. Bewegungsgeschwindigkeit des Metalls im Kanal im

Die Mehrphasenwicklung wird vorzugsweise von einem Verhältnis zu der des Kraftflusses vernachlässigt wird,

geblätterten Eisenmantel 16 umgeben, beispielsweise in Da die optimale Frequenz für einen Kanaldurchmesser

der Form von Blechpaketen, wie es in einfachster Form der gegenwärtig in Frage kommenden Größenordnung

in senkrechtem Schnitt in Fig. 4 und in Draufsicht in 70 ziemlich hoch ist, ist diese Annäherung völlig zulässig. Die

zweite Annäherung ist, daß die Rückwirkung der induzierten Wirbelströme auf die induzierenden Ströme in der Wicklung vernachlässigbar ist. Auch diese Annäherung liegt sehr wohl in den zulässigen Grenzen, wie die Theorie zeigt.

Mit den genannten Annäherungen findet man, daß der Mittelwert des Quadrats der Stromdichte in einem kreisrunden Kanal

Der vollständige Ausdruck für den Mittelwert der auf das geschmolzene Metall wirkenden Längskräfte wird dann in g/cm³

* Y, ^{2π v y}i - Μ

^Smed~~

1 _D2(2*T)s _in_J-JJ₁(J*!]* +

ρ2

Uo

beträgt, wo J₀, J₁ und J₂ die Besselschen Funktionen erster Art und der Ordnung 0,1 und 2 sind. (Tafeln dieser Funktionen finden sich in gewöhnlichen Handbüchern.) Die durch diese Stromdichte und die magnetische Durchflutung verursachte Axialkraft wird, als Mittelwert in Raum und Zeit,

10 4

98,1 2ντ '

in g/cm³ gerechnet.

In Öfen für Schmelzen oder Heizen ist der Hauptzweck, die Wärmewirkung der Wirbelströme so groß wie möglich im Vergleich mit den Ohmschen Verlusten in der Wicklung zu machen, und da erstere Wirkung proportional zu sⁱ _med ρ ist, wird gewöhnlich die Bedingung aufgestellt, daß

Ta · \JfCi 7t I / *

|/ 1000 ρ

größer als 2,5 in einem Ofen kreisrunden Querschnitts sein soll.

Im vorliegenden Fall ist es dagegen wichtig, daß

1000 Q

(
2 \1OOOJ 9,81 ρ % [/*(/%)?

Fig. 9 zeigt den Wert des letzten Bruches dieses Ausdrucks (welcher für eine gewisse Frequenz, Kanalradius und spezifischen Widerstand der Längskraft proportional ist) als Funktion des Verhältnisses zwischen Radius und Polteilung. Verschiedene Kurven sind für verschiedene Verhältnisse zwischen Y₁ und r₂ gezogen. Falls dieses Verhältnis 2 ist, was in der Praxis etwa der kleinstmögliche Wert ist, wird das Maximum der Kurve

ziemlich ausgeprägt und für — r₂ gleich 0,6 erhalten. Für höhere Verhältnisse zwischen r_x und r₂ tritt das Maximum bei niedrigeren Werten von — r₂ ein, und die Maxima werden kleiner. Fig. 10 zeigt die Maximalwerte desselben Bruches als Funktion von —.

Falls der Kanal rechteckigen Querschnitt besitzt,

as dessen eine Seite (O₁) bedeutend größer als die andere (&₂) ist, werden die Besselschen Funktionen des Radius annähernd durch die entsprechenden Hyperbelfunktionen der halben kleinen Rechteckseite δ₂ ersetzt. Die obere Kurve in Fig. 10 bezieht sich auf diesen Fall. Selbstverständlich kann der Querschnitt des Kanals auch andere Gestalt besitzen. In solchen Fällen ist es schwierig, die genauen Formeln für die Verteilung des Kraftflusses, des Stromes und der Kräfte im Kanal zu finden, aber diese Größen können immer durch graphische Annäherungsverfahren bestimmt werden.

den höchstmöglichen Wert annehmen soll, und da diese Größe oberhalb der genannten Grenze 2,5 mit wachsender Frequenz abnimmt, gilt hier die entgegengesetzte Bedingung

• 0,2

In der Praxis wird der genannte Wert vorzugsweise zwischen 1,75 und 1,25 gehalten. Unter dieser Bedingung findet man, daß die abstoßenden Kräfte zwischen den Strömen in der Wicklung und den Wirbelströmen in der Schmelze praktisch verschwinden infolge der 90° Phasenverschiebung zwischen diesen Strömen. Dieses Verschwinden ist wichtig mit Rücksicht auf die störende Wirkung solcher Kräfte auf die regelmäßige Strömung im Kanal.

Die vorstehende Bedingung bedeutet auch, daß die sogenannte Hautwirkung (»skin effect«) im Kanal zu vernachlässigen oder praktisch nicht vorhanden ist. Die Verteilung des magnetischen Kraftflusses über den Querschnitt des Kanals wird dann praktisch gleichförmig, und die Verteilung der Längskräfte wird im wesentlichen einer Parabel folgen, was die günstigste erreichbare Verteilung ist. Da der Durchmesser des Kanals in der Praxis im allgemeinen ziemlich klein wird, beim jetzigen Stande der Technik öfters 2 cm oder kleiner, gibt auch die vorstehende Bedingung eine ziemlich hohe Frequenz, nämlich von der Größenordnung einige Tausende pro Sekunde. Falls der Durchmesser vergrößert wird, nimmt die Frequenz umgekehrt wie das Quadrat des Durchmessers ab.

Claims (10)

PaTENTANSPKOCHE:

1. Vorrichtung zum Regeln der Strömungsgeschwindigkeit eines flüssigen Metalls, das aus dem nach unten gerichteten Kanal am Boden einer Gießeinrichtung ausströmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal von einer mehrphasigen Wicklung umgeben ist, die von einer mehrphasigen, regelbaren Stromquelle gespeist wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung zylindrisch ist mit einer axialen Länge, die etwas größer ist als das Produkt der Polzahl und der Polteilung.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung eine gerade Phasenzahl hat und daß die Hälfte der Phasen regelbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromfrequenz in der Wicklung derart gewählt ist, daß der magnetische Kraftfluß über den ganzen Querschnitt des Kanals hauptsächlich konstant ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Kanal kreisrunden Querschnitts, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Polteilung und dem wirksamen Radius der Wicklung zwischen 2,1 und 4,2 liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Kanal hauptsächlich rechteckigen Querschnitts, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Polteilung und der wirksamen Mindestabmessung der Wicklung zwischen 1,4 und 2,8 Hegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung von einem geblätterten Eisenmantel umgeben ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel mit Vorsprüngen versehen ist, die zwischen die Phasenspulen der Wicklung hineinragen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter der Vorsprünge auf denen des übrigen Mantels senkrecht stehen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel Vorsprünge hat, die zwischen die einzelnen Windungen der Wicklung hineinragen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 837 579.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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