DE1583601A1 - Method and apparatus for cooling a molten metal strand - Google Patents
Method and apparatus for cooling a molten metal strandInfo
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Description
DEMAG-Elektrometallurgie GmbH 3. Juli 1967DEMAG-Elektrometallurgie GmbH July 3rd, 1967
41' Duisburg ■;■ Demet 378 - H/Schi41 'Duisburg ■; ■ Demet 378 - H / Schi
Königstraße 57Koenigstrasse 57
Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen eines schmelzflüssigen MetallstrangesMethod and apparatus for cooling a molten liquid Metal strand
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die zu dessen Ausführung erforderliche Vorrichtung zum Kühlen eines schmelzflüssigen Metallstranges, insbesondere in Stranggießanlagen. The invention relates to a method and the device required for its execution for cooling a molten metal strand, especially in continuous casting plants.
Infolge der metallurgischen und technologischen Gegebenheiten erfolgt das Gießen metallischer Stränge nur mit relativ kleinen Geschwindigkeiten. Aus Gründen eines rationel len Arbeitsablaufes ist Jedoch eine Erhöhung der Gießgeschwindigkeit wünschenswert. Eine Erhöhung der Gießgeschwindigkeit ist dann möglich, wenn es gelingt, den Wärmeübergang innerhalb der Schmelze, soweit sich diese in der Kokille ·befindet, zu erhöhen-» Unter Anwendung von Rührbewegungen läßt sich der Wärmeübergang in der Schmelze wesentlich erhöhen.Due to the metallurgical and technological conditions, the casting of metallic strands only takes place with relatively small speeds. For reasons of a rational workflow, however, an increase in the casting speed is desirable. The casting speed can be increased if the heat transfer is successful within the melt, as far as it is in the mold, to be increased- »using stirring movements the heat transfer in the melt can be increased significantly.
Da mechanische Rührwerke aus naheliegenden Gründen nicht in Betracht kommen, wurde für andere als dieser Erfindung zugrunde liegende Zwecke beim Gießen von Aluminiumsträngen bereits ein induktives Rührwerk vorgeschlagen, welches oberhalb des Badspiegels der Schmelze, also weit entfernt von der kühlenden Kokillenwand, angeordnet ist.Since mechanical agitators for obvious reasons not may be considered for purposes other than those underlying this invention in the casting of aluminum strands already proposed an inductive agitator, which is above the bath level of the melt, so far away from the cooling mold wall, is arranged.
Der bekannte-Vorschlag geht offenbar von dem Gedanken aus, daß bei diesem oder ähnlichem Material eine Rührbewegung beim Stranggießen.vor allem deshalb erforderlich sei, weilThe well-known proposal is apparently based on the idea that with this or a similar material a stirring movement during continuous casting is required primarily because
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Demet 578 - H/Schi £ 3.7.67 -&- Demet 578 - H / Schi £ 3.7.67 - & -
zwischen dem aus einem Gießbecher ausfließenden und in ■ eine wassergekühlte Kupferkokille einlaufenden, langsam erstarrenden Gießgut ein recht erhebliches Temperaturgefälle von außen nach innen verhanden ist, wodurch starke Inhomogenitäten hervorgerufen würden. Diese Inhomogenitäten wurden im Schliffbild an der ungleichmäßigen und zum Teil großen Kornausbildung nachgewiesen.between that flowing out of a watering cup and in ■ a water-cooled copper mold running in slowly solidifying cast material has a quite significant temperature gradient from the outside to the inside, creating strong Inhomogeneities would be caused. These inhomogeneities were shown in the micrograph on the uneven and partly large grain formation demonstrated.
Wenngleich bei diesem Vorschlag bereits - wenn auch nicht als primärer Effekt - der Wert erkannt wurde, den die Rotationsbewegung auf die Vergleichmäßigung der GieSgut-Temperatur und damit auch auf die Homogenität 'des Stranggefüges ausübt, besteht ein wesentlicher Nachteil der dazu erforderlichen Anordnung darin, daß das vorgeschlagene Verfahren keine-Anwendung im großindustriellen Maßstab zuläßt, Mit diesem Nachteil sind auch noch weitere verbunden: :■Even though this proposal has already recognized the value that the Rotational movement to equalize the casting temperature and thus also on the homogeneity of the strand structure exercises, there is a major disadvantage of the required arrangement is that the proposed method does not allow any application on a large industrial scale, There are also other disadvantages associated with this:: ■
Zum einen, wird die Abkühlungsgeschwindigkeit nur unwesentlich herabgesetzt, weil die kühlenden Koklllenwänaa zu weit vom Drehfeld entfernt liegen, und zum anderen ist die Anwendung eines größervolumigen Samrnel- und Vorteilergefäßes ausgeschlossen.On the one hand, the cooling rate is only insignificant decreased because the cooling Koklllenwänaa too far from the rotating field, and on the other hand is the use of a larger volume collection and prescaler vessel locked out.
Das flüssige Gut mußte dem bekannten Vorschlag zufolge der Kokille mittels Gießrinne und Gießbecher-im -Zentrumder Anlage, d. h. durch den Induktor hindurch, zugeführt vrerden. Hierbei ergab sich schließlich noch der v/eitere Nachteil, daß durch die" relativ große Fallhöhe der Schmelze ein Schäumen des "Gießgutes hervorgerufen wurde, was -. im Falle des Aluminiumgießens die unerwünschte Bildung von Aluminium-Oxyd zur Folge hatte.The liquid material had to be according to the well-known proposal the mold by means of a pouring channel and pouring cup-in the -Zentrumder Plant, d. H. through the inductor vererden. This finally resulted in the second one Disadvantage that due to the "relatively large height of fall of the melt a foaming of the "cast material was caused, which - in the case of aluminum casting, the undesired formation of aluminum oxide.
Demgegenüber hat sich die vorgeschlagene Erfindung die Aufgabe gestellt, nicht nur die vorstehend aufgezeigten Nachteile zu vermeiden, sondern vor allern auch die Anwen-On the other hand, the proposed invention has set itself the task, not just the ones outlined above To avoid disadvantages, but above all to avoid the users
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BADBATH
Demet ρ?8 - H/Söhi J 3. 7. 67Demet ρ? 8 - H / Söhi J 3. 7. 67
dung und Ausbildung induktiver Felder derart forzuentwikkeln bzw. auszugestalten, daß mit deren Hilfe ein relativ großer und guter Wärmeaustausch zwischen Gießgut und Kokille erzielt wird. Dadurch wird neben einer weiteren Verbesserung der Gießgut-Homogenität vor allem als Haupteffekt eine wesentliche Steigerung der Gießgeschwindigkeit erzielt, was schließlich für die großindustrielle Nutzung von ausschlaggebender Bedeutung ist.Development and training of inductive fields in this way or to design that with their help a relative large and good heat exchange between cast material and mold is achieved. As a result, in addition to a further improvement in the homogeneity of the cast material, the main effect above all is a significant increase in the casting speed, which is ultimately for the large-scale industrial Usage is paramount.
Die vorgeschlagene Erfindung besteht demzufolge im wesentlichen in einem Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die aus dem Sammel- oder Verteilergefäß ausfließende Metallschmelze, vorzugsweise im Bereich der nachgeschalteten Kokille, mindestens einem sie umschließenden elektromagnetischen Drehfeld ausgesetzt ist, und daß bei Anwendung eines weiteren oder mehrerer sie umfassender Drehfelder diese abwechselnde Drehfeldrichtung aufweisen, und die Schmelze sodann einer Beruhigungsstrecke zugeführt v/ird, wobei die Magnet-Drehfelder im wesentlichen senkrecht auf die Schmelzegerichtet sind und die Kraft-Drehfeldrichtung die Längsachse des Metallstranges umschließt.The proposed invention therefore essentially consists in a method which is characterized in that the flowing out of the collecting or distribution vessel Metal melt, preferably in the area of the downstream Chill, is exposed to at least one rotating electromagnetic field surrounding it, and that when used one or more rotating fields that encompass them have these alternating rotating field direction, and the The melt is then fed to a calming section, wherein the rotating magnetic fields are directed essentially perpendicular to the melt and the rotating field direction of the force encloses the longitudinal axis of the metal strand.
Ein anderes verfalirensvresentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß ein oder auch mehrere Drehfelder durch geringfügig asymmetrische Anordnung ihrer Spulen unrund sind.Another essential feature of the invention is that one or more rotating fields through slightly asymmetrical arrangement of their coils are out of round.
Von Vorteil hat sich nach einem anderen Verfahrensmerkmal gezeigt, daß die Frequenz 'des die Drehfelder erregenden Drehstromes mindestens Netsfrequenz, vorzugsweise höhere Frequenz, ist.Another procedural feature has proven advantageous shown that the frequency 'of the three-phase current exciting the rotating fields is at least net frequency, preferably higher Frequency, is.
Zur Ausführung des Verfahrens wird in vorrichtungsapparfetiver Hinsicht eine Drehfeldeinrichtung aus an sich bekanntenünd mit koaxialem Abstand auf der Kokille angeordneten Ständerwicklungen besteht, die ggf. viassergeküiilt sind.In order to carry out the procedure, a device is used Regarding a rotating field device from per se known and arranged at a coaxial distance on the mold Stator windings exist, which are possibly viassergeküiilt.
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BADBATH
Demet 378 - H/Schi Ϋ 3. 7. 67 -Jr-Demet 378 - H / Schi Ϋ 3. 7. 67 -Jr-
Nach einem anderen vorrichtungstechnischen Merkmal bildet ^ die Beruhigungsstrecke den Teil der Kokille, der dem Aue- - :*'i [ After another device technology feature forms ^ the calming section that part of the mold of the Aue -: * 'i [
ti if ■ '·*! lauf des Sammel- oder Verteilergefäßes abgekehrt ist» ' * , ■* ti if ■ '· *! the collection or distribution vessel is turned away »'*, ■ *
• "• "
In vorteilhafter Ausbildung besteht nach einem weiteren -In advantageous training, after a further -
Merkmal die Kokille ganz oder teilweise aus unmagnetieehern Stahl oder dergleichen.Characteristic of the mold in whole or in part from non-magnetics Steel or the like.
Als vorteilhaft hat es sich nach einem letzten MerkmalOne last characteristic has proven to be advantageous
der Erfindung erwiesen, daß die Kokille in ihren Metall- # proved of the invention that the mold in its metal #
oder Eisenteilen zur Längsachse parallel oder annäherndor iron parts parallel or approximately to the longitudinal axis
parallel geschlitzt ist. -Jt is slotted parallel. -Jt
Die Vorteile, die sich durch die Erfindung ergeben, sind einleuchtend und überzeugend zugleich:'The advantages that result from the invention are obvious and convincing at the same time: '
Infolge der Umschließung des Gießstranges durch ein oder mehrere Drehfelder in unmittelbarer Nachbarschaft der kühlenden Kokillenwand wird eine äußerst wirksame Abkühlung der Schmelze über den gesamten Schmelzenquerschnitt innerhalb der Kokille erreicht. Der Rühreffekt dient dabei in zweifacher Weise: Zum einen v.'ird die Wärmeübergangszahl zwischen Kokillera/and und Schmelze vervielfacht und zum anderen wird der Temperaturausgleich auch innerhalb der Schmelze vervielfacht, vrodurch die erhöhte WäraieUbergangszahl erst zum Tragen kommen kann.As a result of the casting strand being enclosed by one or more rotating fields in the immediate vicinity of the cooling one Mold wall is an extremely effective cooling of the melt over the entire melt cross-section within reached the mold. The stirring effect serves in two ways: On the one hand, the heat transfer coefficient multiplied between Kokillera / and and melt and to On the other hand, the temperature equalization is also multiplied within the melt, due to the increased heat transition number can only come to fruition.
Somit ergibt sich die Fiöglichkeit, mit weitaus höheren Geschwindigkeiten als bisher insbesondere großinduetrielle Stranggießanlagen für Stahl zu betreiben und diese in technisch-wirtschaftlicher Hinsicht optimal auszunutzen. "Thus there is the possibility of much higher To operate at higher speeds than previously in particular large-scale industrial continuous casting plants for steel and to operate them in a more technical and economical manner Optimal use. "
Das auf Erhöhung des Wärmeüberganges zwischen Strang und Kokille mittels elektromacnetischer Rührung basierende ( Verfahren läßt sich also insbesondere für das Gießen vonSo that, based on increasing the heat transfer between the strand and the mold means elektromacnetischer stirring (method can be particularly suitable for the casting of
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Demet 378 - H/Schi * 3. 7. 67 Demet 378 - H / Schi * 3. 7. 67
Stahlsträngen anwenden, glelchnun, ob die dazu erforderlichen Anlagen nach dem Vertikal- oder Hoizontalprinzip arbeiten. Schließlich ist es auch möglich, das Verfahren und die zu dessen Ausführung erforderliche Vorrichtung nachträglich .an bereits bestehenden Stranggießanlagen zu benutzen bzw. anzuordnen.Use steel strands, regardless of whether the systems required for this work according to the vertical or horizontal principle. Finally, it is also possible to retrofit the method and the device required for its execution . to use or arrange on existing continuous casting plants.
Die Drehfelder lassen sich auch eisenlos mittels wassergekühlter Spulen erzeugen. Die Frequenz beträgt mindestens 50 Hz.j mit einer erhöhten Frequenz zu arbeiten, ist jedoch zu bevorzugen.The rotating fields can also be generated without iron using water-cooled coils. The frequency is at least 50 Hz.j to work with an increased frequency is, however to prefer.
In vorrichtungsapparativer Hinsicht ist es recht vorteilhaft, der Turbulenzzone der Kokille eine weitere Zone nachzuschalten, in der das Gießgut sich beruhigend erstarren kann. Aus elektromagnetischen Gründen ist es zweckmäßig, wenn die Kokille ganz oder teilweise aus unmagnetischem Stahl hergestellt wird. In einem solchen Falle empfiehlt es sich, zweckmäßigerweise mit starken Feldern und mit einer Kokille zu arbeiten, die in Längsrichtung mit Schlitzen versehen ist.From a device point of view, it is quite advantageous the turbulence zone of the mold is followed by a further zone in which the cast material solidifies in a calming manner can. For electromagnetic reasons, it is useful if the mold is completely or partially made of non-magnetic Steel is made. In such a case, it is advisable to use strong fields and with to work a mold which is provided with slots in the longitudinal direction.
In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Dabei zeigt"In the drawing, the invention is shown schematically in an exemplary embodiment. Shows "
Fig. 1 den Längsschnitt durch eine Vertikal-Stranggießeinrichtung, 1 shows the longitudinal section through a vertical continuous casting device,
Fig. 2 den Querschnitt durch einen rotationssymmetrischen Strang, die Kokille und die asymmetrisch angeordneten Spulen der Drehfeldeinrichtung, und schließlichFig. 2 shows the cross section through a rotationally symmetrical strand, the mold and the asymmetrically arranged Coils of the rotating field device, and finally
Fig. 3 den Querschnitt durch einen quadratischen Strang, die Kokille und die ebenfalls asymmetrisch angeordneten Spulen der Drehfeicheinrichtung.3 shows the cross section through a square strand, the mold and the asymmetrically arranged coils of the Drehfeicheinrichtung.
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Demet 378 - H/Schi 6 3. 7. 67 -^ -Demet 378 - H / Schi 6 3. 7. 67 - ^ -
In Figur 1 ist das Sammel- und Verteilergefäß mit 1 und das in diesem befindliche Gießgut mit 2 bezeichnet; der Spiegel des Gießgutes ist durch das Dreieck 3 markiert. Die unterschiedlich starke Punktierung symbolisiert den Aggregatzustand des schmelzflässigen Metalls: V/ie zu erkennen ist, bleibt die Schmelze durch die stark turbulente Rührung auf einer vergleichsweise langen Strecke innerhalb der Kokille flüssig. Sie wird dabei gleichmäßig über den Querschnitt abgekühlt, bis sie schließlich ziemlich plötzlich erstarrt. Ohne Drehfeld-RUhrung würde die Schmelze sehr langsam, und zwar vom Rande her, erstarren, wodurch dann außerhalb der Kokille bei senkrechten Stranggießanlagen die bekannte Durchbruchgefahr und bei waagerechten Anlagen die Gefahr von Deformationen entstünde.In Figure 1, the collection and distribution vessel with 1 and the cast material located in this is denoted by 2; the level of the cast material is marked by triangle 3. The differently strong dots symbolize the aggregate state of the molten metal: V / ie to be recognized is, the melt remains within a comparatively long distance due to the highly turbulent agitation the mold is liquid. It is cooled evenly over the cross-section until it is finally pretty suddenly froze. Without rotating field agitation, the melt would solidify very slowly, namely from the edge, whereby then outside the mold in vertical continuous casters the known risk of breakthrough and, in the case of horizontal systems, the risk of deformation.
Am unteren Teil la des Gefäßes 1 schließt sich die Kokille an, in die beim oberen Pfeil das ihrer Kühlung dienende Wasser ein- und beim unteren Pfeil v/ieder austritt. Es ist zweckmäßig, wenn die Kokille raöslichst dünnwandig ausgebildet wird und die Viassermäntel nur geringen Querschnitt aufweisen, um die Kopplung des Drehfeldes mit dem Einsatz günstig gestalten zu können.At the lower part la of the vessel 1, the mold joins, in which the upper arrow is used to cool it Water enters and exits at the lower arrow v. It is expedient if the mold is extremely thin-walled is and the Viassermäntel only have a small cross-section to the coupling of the rotating field with the insert to be able to design cheaply.
Konzentrisch um die Kokille 4 sind mit Abstand die Ständerv.'icklungen 5, 5a angeordnet. Der am unteren Kokillenende 4a austretende nicht mehr flüssige Strang ist mit 2a bezeichnet. The stator coils are at a distance concentric around the mold 4 5, 5a arranged. The no longer liquid strand emerging at the lower end of the mold 4a is denoted by 2a.
Die in den Ständerwicklungen 5, 5a erzeugten Magnet-Drehfelder v/irken in Richtung der eingezeichneten Pfeile, d. h. also senkrecht, auf die Schmelze ein, während die dadurch erzeugten Kraft-Drehfelder um die Schmelzenachse drehen. Bei Anwendung mehrerer Drehfelder (beispielsweise in den Spulen 5, 5a erzeugt) wird die Phasenfolge so eingerichtet, daß aufeinander folgende Drehfelder entgegengesetztenThe rotating magnetic fields generated in the stator windings 5, 5a v / work in the direction of the arrows drawn, d. H. so perpendicular, to the melt, while the thereby rotating force fields generated around the melt axis. When using several rotating fields (for example in the Coils 5, 5a generated) the phase sequence is set up so that successive rotating fields are opposite
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BAD ORiGiUALBAD ORiGiUAL
Demet 378 - H/Schl Γ 3. 7. 67 - * -Demet 378 - H / Schl Γ 3. 7. 67 - * -
Richtungssinn ergeben. Dadurch entstehen überlagerte Turbulenzen, die den Wärmeübergang sehr stark anheben, indem sie das Gießgut durcheinanderwirbeln. Außer der Homogenisierung - als Nebeneffekt - wird dadurch überraschenderweise eine sehr beträchtliche Steigerung der Ziehgeschwindigkeit des Stranges ermöglicht.Sense of direction. This creates superimposed Turbulence that increases the heat transfer very strongly by swirling the cast material. Except the Homogenization - as a side effect - is surprising as a result enables a very considerable increase in the drawing speed of the strand.
Die mit 4b bezeichnete Beruhigungsstrecke dient schließlich der Ausbildung einer starren Außenhaut und erleichtert den ungestörten Austritt des Stranges aus der Kokille. Wenn diese "Beruhigungsstrecke" fehlt, so träte die Erstarrung unregelmäßig über den Strang verteilt auf, was aber der Gleichmäßigkeit des Produktes sehr abträglich vräre.The calming section denoted by 4b finally serves to form a rigid outer skin and makes it easier undisturbed exit of the strand from the mold. If this "calming stretch" is absent, then there would be freezing distributed irregularly over the strand, which would be very detrimental to the evenness of the product.
Die Kokille ist normalerweise ays Stahl hergestellt und mit Wasserkühlung versehen. Für den Fall der Anv/endur*g sehr starker Magnetfelder lassen sich die magnetischen Kurzschlüsse durch diese Kokille in Kauf nehmen. Soll diese Einbuße Jedoch vermieden werden, so wird die Kokille entweder mit Längsschlitzen versehen und/oder aus unmagnetischem Material hergestellt.The ingot mold is usually made of steel and provided with water cooling. In the event of anv / endur * g With very strong magnetic fields, the magnetic short circuits through this mold can be accepted. Should this However, losses can be avoided, so the mold is either provided with longitudinal slots and / or made of non-magnetic Material made.
In den Fig. 2 und 3 sind zwei Horizontalschnitte dargestellt, die (Fig. 2) einen rotationssymmetrischen und (Fig. 3) einen quadratischen Gießstrang 2 zeigen. Um den Gießetrang herum ist jeweils die wassergekühlte KojfctiUyp 4 angeordnet. Die Spulen R, S, T der insgesamt « ÖiP5 bzw. 5a bezeichneten Ständerwicklung sind gering- 'i fttgig asymmetrisch angebracht. Dadurch ergeben sich unrunde Drehfelder, die sich in bezug auf die Durchmischung des Gießgutes und damit auch auf den Wärmeaustausch günstig auswirken.Two horizontal sections are shown in FIGS. 2 and 3, which show (FIG. 2) a rotationally symmetrical and (FIG. 3) a square cast strand 2. The water-cooled connector 4 is arranged around the casting strand. The coils R, S, T of the stator winding generally designated "ÖiP5 and 5a are mild mounted i 'fttgig asymmetric. This results in non-circular rotating fields which have a favorable effect on the mixing of the cast material and thus also on the heat exchange.
^ Betracht gezogene Druckschriften; Aufsatz "Sin induktives Rührwerk für metallische Schmelzen" ^ Publications considered; Attachment "Sin inductive agitator for metallic melts"
von Dr.-Ing. K. H. Bromkamp, TH Aachen, abgedruckt in "ETZ"-A, Bd. 8j5, H. 24, Seiten 511 bis äl5, von 19. Nov. 1962.by Dr.-Ing. K. H. Bromkamp, TH Aachen, printed in "ETZ" -A, Vol. 8j5, H. 24, pages 511 to äl5, from Nov. 19, 1962.
009838/0311 D original009838/0311 D original
Claims (1)
dadurch gekennzeichnet,2. The method according to claim 1,
characterized,
Applications Claiming Priority (1)
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