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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Gießen von Bändern aus Metall, insbesondere aus Stahl, in Zweiwalzen-Bandgießmaschinen mit gegenläufig rotierenden Gießwalzen, wobei flüssiges Metall in den durch zwei Seitenwände begrenzten Raum zwischen den rotierenden Gießwalzen eingegeben wird, wobei ein Ausfluss von flüssigem Metall aus sich zwischen den Seitenwänden und den Gießwalzen ausbildenden Spalten zu verhindern ist.
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Aus den
US-Patenten 4 974 661 A und
5 197 534 A sind Verfahren und Vorrichtungen zur elektrodynamischen Abdichtung der Seitenbereiche von Zweiwalzen-Gießmaschinen bekannt. Bei der aus diesen US-Patenten bekannten Verfahrensweise werden Magnetfelder zur elektrodynamischen Abdichtung verwendet, die über die Breite des Füllraumes des flüssigen Metalls wirken und das Metall über diese Breite hinweg von der Seitenwand fernhalten. Nachteilig ist bei den bekannten Verfahren, dass die benötigten Spulensysteme sehr aufwendig und die benötigten Ströme ganz erheblich sind. Die installierte elektrische Leistung je Dichtung beläuft sich auf 300–500 kW. Weitere Einzelheiten und Kennlinien der bekannten Systeme sind aus dem Aufsatz: Development of an Electromagnetic Edge Dam (EMD) for Twin Roll Casting, I. G. Sancedo u. K. E. Blazek, Metec Conference, Düsseldorf, Juni 1994, Inland Steel Research and Development, zu entnehmen.
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Aus der
DE 44 38 119 A1 ist eine Einrichtung zum Gießen von Bändern aus Metall (insbesondere Stahl) in Zweiwalzen-Bandgießmaschinen mit gegenläufig rotierenden Gießwalzen bekannt, wobei flüssiges Metall in den durch zwei Seitenwände begrenzten Raum zwischen den rotierenden Gießwalzen eingegeben wird, wobei die zwischen den Seitenwänden und den rotierenden Gießwalzen sich ausbildenden Spalte mittels einer Abdichteinrichtung zur Erzeugung elektrodynamischer Kräfte abgedichtet werden, die dem Spaltverlauf folgend im Wesentlichen parallel zur Gießwalzenoberfläche wirken.
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Aus der
DE 195 12 458 A1 ist ebenfalls eine derartige Einrichtung bekannt. Die dortige Abdichteinrichtung weist eine Anzahl von Spulen auf, die einzeln mit Strom beaufschlagbar sind, so dass die elektrodynamischen Kräfte stufenweise an den metallostatischen Druck des flüssigen Metalls angepasst sind.
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Aus der
DE 195 38 012 A1 ist eine Einrichtung zum Gießen von Bändern aus Metall, in Zweiwalzen-Bandgießmaschinen mit gegenläufig rotierenden Gießwalzen, bekannt. Bei dieser Einrichtung wird flüssiges Metall in den durch zwei Seitenwände begrenzten Raum zwischen den rotierenden Gießwalzen eingegeben. Die zwischen den Seitenwänden und den rotierenden Gießwalzen sich ausbildenden Spalte werden mittels einer Abdichteinrichtung zur Erzeugung elektrodynamischer Kräfte abgedichtet. Die Abdichteinrichtung weist einen stromdurchflossenen Y-förmig ausgebildeten Induktor auf, der zwei gekrümmte Aste über einer Basis aufweist. Der Abstand der Aste von den Gießwalzen nimmt mit zunehmender Höhe zu, so dass die Abdichteinrichtung die elektrodynamischen Kräfte kontinuierlich zumindest näherungsweise an den metallostatischen Druck des flüssigen Metalls anpasst.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, die einen wesentlich geringeren Energieverbrauch bei besserer Einstellbarkeit (Vermeidung lokaler Überhitzungen) aufweist. Ferner sollen abdichtungsbedingte Wirbel im flüssigen Metall vermieden werden. Es ist außerdem wünschenswert, dass die Abdichteinrichtung deutlich kleiner und damit kostengünstiger ist als die bekannten Einrichtungen.
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Die Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Abdichteinrichtung weist erfindungsgemäß einen stromdurchflossenen, insbesondere einstückig ausgeführten, Induktor auf. Die einstückige Ausführung hat sich insbesondere im Zusammenhang mit einer Y-förmigen Ausbildung des Induktors bewährt, wobei dieser zwei gekrümmte Aste und eine Basis aufweist. Erfindungsgemäß weist der Induktor in dem Bereich, in dem Aste und Basis miteinander verbunden sind, einen Knick auf, so dass der Abstand zwischen den Gießwalzen und dem Induktor mit zunehmender Entfernung vom Knick nach oben und unten zunimmt. Auf diese Weise werden die aufgrund des Magnetfelds wirkenden Kräfte in besonders geeigneter Weise an den metallostatischen Druck des flüssigen Metalls angepasst. Die durch das Magnetfeld verursachten Kräfte können besonders präzise an den metallostatischen Druck angepasst werden, wenn der Induktor in alternativer Ausgestaltung zu der geknickten Ausführung in Längsrichtung gebogen ausgeführt ist, wobei der Bereich, in dem Aste und Basis aufeinandertreffen, den Gießwalzen am nächsten ist und der Abstand zu den Gießwalzen mit zunehmender Entfernung von dem Teil, in dem Äste und Basis aufeinandertreffen, zunimmt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Abdichteinrichtung einen sogenannten Magnetschuh aus magnetisierbarem Material auf, der derart angeordnet ist, dass die elektrodynamischen Kräfte kontinuierlich zumindest annähernd an den metallostatischen Druck des Flüssigmetalls angepasst werden. Der Magnetschuh ist besonders geeignet, die durch das Magnetfeld verursachten Kräfte an den metallostatischen Druck anzupassen. Er stellt eine Alternative zum geknickten Induktor dar, ist aber auch in Verbindung mit ihm einsetzbar. Der Magnetschuh wird vorteilhafterweise V-förmig oder ebenfalls Y-förmig ausgebildet, wobei die Menge magnetisierbaren Materials vorteilhafterweise in Richtung der Enden des Magnetschuhs abnimmt. Der Magnetschuh wird vorteilhafterweise direkt auf dem Induktor angeordnet, so dass er durch das den Induktor kühlende Kühlmittel gekühlt wird.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist magnetisierbares Material an den Rändern des Induktors angeordnet, so dass der den Induktor durchfließende Strom in Bezug auf das gewünschte Magnetfeld besonders gut ausgenutzt wird und ein geringerer Strom durch den Induktor notwendig ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Zwischenraum zwischen der Abdichteinrichtung und dem flüssigen Metall von Inertgas, insbesondere Stickstoff, durchströmt, wodurch die Abdichteinrichtung thermisch gegen das flüssige Metall isoliert wird.
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Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, aus denen, ebenso wie aus den Unteransprüchen und der Zeichnungsbeschreibung weitere, auch erfinderische, Einzelheiten entnehmbar sind. Im Einzelnen zeigen:
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1 eine dreidimensionale Skizze der Gießwalzen mit Magnetringen und Induktor,
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2 ein vereinfachtes Prinzipbild der Abdichteinrichtung,
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3 Abdichtparameter über der Höhe des Flüssigmetalls zwischen den Gießwalzen,
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4 ein erweitertes Prinzipbild,
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5 einen Induktor,
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6 einen Längsschnitt von Walzenende und Abdichteinrichtung,
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7 einen Querschnitt C-C von Walzenende und Abdichtgerät und
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8 einen Querschnitt D-D von Walzenende und Abdichtgerät.
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Die erfindungsgemäße Abdichteinrichtung in der beispielhaften Ausgestaltung gemäß den 1 und 2 weist unter anderem
- – einen Magnetendring 2, der am Gießwalzenende 1 befestigt ist,
- – einen mit Mittelfrequenzstrom gespeisten Induktor 4, der im Abdichtspalt 8 ein entsprechend großes Magnetfeld 6 hervorruft, und
- – einen Magnetschirm 11 (siehe 6 und 7), der die stählernen Bauteile der Gießmaschine vor schädlicher Erhitzung schützt,
auf.
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Die Aufgabe des Abdichtgerätes ist ein kontaktloses Zurückdrängen des Flüssigmetalls 5 im Abdichtspalt 8. Angestrebt sind Flüssigmetallmenisken 7a und 7b wie in 7 und 8 gezeigt. Diese kommen zustande, wenn zum hydrostatischen, d. h. im vorliegenden Fall dem metallostatischen Druck p1 des Flüssigmetalls 5 (3) ein entsprechend größerer elektrodynamischer Druck p2 entgegenwirkt. p2 tritt als Effekt des Zusammenwirkens des magnetischen Aufspaltfeldes 6b und des im Meniskus induzierten Stromes auf.
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Das magnetische Hauptfeld 6a bewirkt, dass der Abdichtkanal 8 auf der Länge a des Gießwalzenmagnetendringes 2 grundsätzlich flüssigmetallfrei bleibt (3). Das Flüssigmetall 5 wird dadurch dem hitzeempfindlichen Induktor 4 gegenüber zurückgesetzt. Auch kann der flüssigmetallfreie Abdichtkanal 8 vorteilhafterweise von kühlendem Inertgas durchströmt werden.
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Der Gießwalzenmagnetendring 2 gemäß 4 weist radial angeordnete, z. B. rechteckige, dünne (z. B. 0,1 mm dicke) Magnetbleche 2a auf. Die Magnetbleche 2a sind am Kühlring 2b befestigt, z. B. angelötet. Der Gießwalzenmagnetendring 2 ist am Ende der Gießwalze 1 befestigt, z. B. mit Hilfe von Schrauben, die in den Bohrungen 2d des Befestigungsringes 2c angebracht sind. Mit der Länge a des Gießwalzenmagnetendrings 2 wird die Tiefe des Abdichtkanals 8 bestimmt, z. B. a = 20 mm.
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Das aus Magnetblechen 2a bestehende Blechpaket ist von allen Seiten isoliert, z. B. mit einer plasmaaufgespritzten Keramikschicht.
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Über den Magnetblechen 2a befindet sich ein Schutzring 2e, der die Bleche 2a vor evtl. herausschwappendem Flüssigmetall 5 schützt.
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Das Stromrohr 4a, z. B. ein rechteckiges Kupferrohr, weist einen von innen im Induktor 4 angeordneten Wirkteil 4a (vgl. 5) und einen Zuführungsteil 4a'', auf der Rückseite (vgl. 1 und 6) auf. Der innere Wirkteil 4a setzt sich zusammen aus zwei Abschnitten, zwei unteren, geradlinigen Rohren, die zusammengelötet sind, und zwei oberen, die grundsätzlich kreisrunde Bögen darstellen (5). Mittelfrequenzstrom 10a und Kühlwasser 10b werden in den Wirkteil 4a des Stromrohres über die Stromrohranschlüsse 4a' geleitet.
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Der magnetische Rückschluss besteht vor allem aus dem gradlinigen Rückschlussteil 4c und dem (kreis)bogenförmigen Rückschlussteil 4d. Der Querschnitt des Teiles 4d ist unsymmetrisch. Der innere Magnetsteg ist um den Rückschlusszahn 4e, d. h. um a' länger (8). Die Länge des Rückschlusszahnes a' hat dieselbe Größenordnung wie die Länge des Gießwalzenmagnetendringes, d. h. a' ≅ a.
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Ergänzende Teile des Rückschlusses sind
- – der Magnetschuh 4g, der auf der Magnetschuhkühlplatte 4b zwischen den Stromrohren liegt, und
- – der Magnetkeil 4f, der einerseits einer Aufblähung der Blechpakete 4c und 4d entgegenwirkt und andererseits den magnetischen Fluss auf der Magnetschuhhöhe verstärkt.
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Der magnetische Rückschluss ist aus dünnen Magnetblechen gefertigt – wie der Gießwalzenmagnetendring 2. Die Teile 4f und 4g können auch aus hochtemperaturfähigem Pulvermaterial (z. B. Ferrit) bestehen. Auf den magnetischen Rückschluss ist von innen und außen eine Isolierschicht aufgetragen, z. B. eine plasmaaufgespritzte Keramikschicht.
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Der magnetische Rückschluss befindet sich in direkter Nähe des Flüssigmetalls 5 und bedarf der Kühlung
- – über die wassergekühlten Stromrohre 4a,
- – über die Kühlplatte 4c,
- – über das Zahnkühlrohr 4h.
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Zwischen den Rückschlusszähnen 4e befindet sich die Feuerfestplatte 4i. Auf ihr liegt eine elektrisch leitende Heizplatte 4k – siehe 8 und 5 –, die vom magnetischen Streufluss des Stromrohrrückleiters 4a'' erhitzt wird. Zwischen der Feuerfestplatte 4i und der Wärmedämmplatte 4l befindet sich eine Temperaturstellkammer 4j mit
- – Temperaturmesssensoren 4j',
- – Zahnkühlrohren 4h und der
- – Feuerfestheizplatte 4k.
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Mit Hilfe dieser Elemente wird die nötige Temperatur der Bauteile eingestellt. Einerseits muss die Feuerfestplatte 4i von innen genügend heiß sein, damit das Flüssigmetall 5 an ihr nicht erstarrt, andererseits darf die Temperatur des magnetischen Rückschlusses, insbesondere des Rückschlusszahnes 4e und des Magnetschuhs 4g, die Curie-Temperatur (z. B. 760°C) nicht überschreiten.
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Strömungen im Flüssigmetall 5 im Pool zwischen den Gießwalzen 1 sind unerwünscht und sollten deshalb vom Abdichtgerät/Induktor nicht hervorgerufen werden.
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Der hydrostatische Druck p1 auf die Seitenwand verläuft auf der Höhe gradlinig (Kurve für p1 in 3). Um eine möglichst wirbelfreie Abdichtung zu erzielen, wird der elektrodynamische Druck p2 erfindungsgemäß derart eingestellt, dass er einen möglichst geradlinigen Verlauf über der Höhe des Abdichtspaltes 8 hat, z. B. wie in 3 in Kurve p2 dargestellt.
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Der Induktorabdichtstrom I hat über der Höhe einen Verlauf, wie in 3, Kurve für I, dargestellt. Unter und über der kritischen Höhe Hk ist er jeweils konstant, aber verschieden groß.
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Bei vorgegebenem Verlauf des Induktorabdichtstromes I, wie in Kurve für I in 3, wird der für einen linearen Verlauf von p2 nötige B-Verlauf wie in Kurve für B in 3 (Wurzelfunktion) erfindungsgemäß über eine entsprechende Einstellung des Luftweges erzielt.
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Dazu besitzt der Induktor 4 erfindungsgemäß auf der Höhe Hk (kritische Höhe) einen Knick 4n. Der Induktorstrom I wird mit Hilfe der Induktoranschlussspannung so eingestellt, dass er auf dieser Höhe den gewünschten elektrodynamischen Druck p2 erzeugt. Für die beispielhafte Ausgestaltung wird davon ausgegangen, dass sich dieser Druck bei einer Induktion B = 1T einstellt.
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Bei einem Induktor 4 ohne Knick 4n wäre unter und über Hk der Druck p2 zu groß. Infolgedessen würden Flüssigmetallströmungen in Richtung Poolmitte auftreten. Auf den Höhen HA und Ho, bei denen der jeweils kleinste elektrodynamische Druck auftritt, würden sie zur Seitenwand zurückkehren. Das kreisende Flüssigmetall 5 würde an jedem der Walzenenden mit seiner Bewegung eine Acht beschreiben.
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Infolge des erfindungsgemäßen Knicks 4n entfernen sich die äußeren Enden des magnetischen Rückschlusses 4c und 4d jedoch vom Walzenende. Damit vergrößert sich der Luftweg der Magnetlinien, was zur Verringerung von B und endgültig von p2 führt.
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Auf der Höhe Ho, d. h. C-C (4 und 7), beträgt die Entfernung zwischen den beiden Gießwalzenmagnetendringen 2 die Länge i und ist wesentlich kleiner als auf der Höhe Hk, wo eine Induktion B = 1T eingestellt/angenommen wurde.
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Ohne den erfindungsgemäßen Knick 4n im Induktor 4 würde die Induktion B bei einer technisch realen Anordnung rund 2T betragen. Da der elektrodynamische Druck zu B2 proportional ist, würde er also auf der Höhe C-C fast 4mal größer sein als auf der Höhe Hk. Für eine wirbelfreie Abdichtung wird hier aber ein wesentlich kleinerer Druck benötigt, z. B. p2 = 1,2 pk wobei p2 der elektrodynamische Druck auf der Höhe C-C und pk der elektrodynamische Druck auf der Höhe Hk ist.
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Bei oben vorausgesetzten Drücken sollte die Induktion auf der Höhe C-C B2 = √1,2·B = √1,2·1T betragen.
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D. h., es wird eine rund 3mal kleinere Induktion benötigt. Die nötige Induktion wird über die entsprechende Wahl von g in 7 eingestellt.
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Auf der Höhe D-D (8) ist p1 relativ klein, also muss auch p3 (der elektrodynamische Druck auf dieser Höhe) entsprechend gering sein, z. B. p3 = 0,3 pk,
dann B3 = √0,3·B = √0,3·1T
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Die Verringerung der Induktion B erreicht man wieder über eine Vergrößerung des Luftweges, hier auf g' (8).
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Bei einer Induktorkonstruktion mit geradlinigen Rückschlüssen im Längsschnitt wie in 6 ist das Erreichen der Verläufe für B und p2 in 3 nur annähernd möglich. Für die Erzeugung einer B-Kurve, die ein exakt gradliniges p2 hervorrufen würde, wäre ein im Längsschnitt gebogener Induktor 4 notwendig.
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Die Geometrie des Abdichtkanals 8 und die magnetischen Linien sind unter und über Hk grundsätzlich verschieden. Ihr Einfluss auf den Abdichtprozess wird auf den zwei ausgewählten Höhen erläutert:
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Höhe C-C (Fig. 7):
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Der vom Induktor 4 hervorgerufene magnetische Fluss ist durch zwei magnetische Linien dargestellt. Der magnetische Hauptfluss schließt sich zwischen den beiden Gießwalzenmagnetendringen 2. Er ist mit der Linie 6a dargestellt. Bei der angenommenen Induktion B = B2 wird das Flüssigmetall 5 vollständig aus dem Abdichtkanal 8 verdrängt. Er bleibt somit flüssigmetallfrei.
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Der Flüssigmetallmeniskus 7a wird durch den Aufspaltfluss gehalten, er ist mit der Linie 6b dargestellt. Der Aufspaltfluss durchquert den Meniskus 7a und erzeugt im Zusammenwirken mit dem dort induzierten Strom den elektrodynamischen Druck p2.
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Der Flüssigmetallmeniskus 7a reicht wenige Millimeter über das Gießwalzenende in den Abdichtkanal 8 hinein.
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Höhe D-D (Fig. 8):
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Der magnetische Hauptfluss ist durch die Linie 6a dargestellt. Sie schließt sich zwischen dem Rückschlusszahn 4e und dem Gießwalzenmagnetendring 2, konkret zwischen den Verständnispunkten 9b und 9a, die als Kringel in 4 und 8 eingezeichnet sind. Er durchquert den Abdichtkanal 8 und macht ihn flüssigmetallfrei.
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Der magnetische Aufspaltfluss ist durch die Linie 6b dargestellt. Sie schließt sich durch den Flüssigmetallmeniskus 7b, der hier, wie auf der ganzen Abdichthöhe, nur wenige Millimeter über das Gießwalzenende hinaus in den Abdichtkanal 8 hineinragt. Der magnetische Aufspaltfluss ist auf der Höhe D-D geringer als auf der Höhe C-C, aber auch der hydrostatische Druck p1 des Flüssigmetalls 5 im Pool ist geringer.
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Die Tiefe des Abdichtkanals 8 wird grundsätzlich mit der Lange a des Gießwalzenmagnetendrings 2 bestimmt. Sie kann z. B. 20 mm betragen. Um diese Länge vergrößert sich die Entfernung des temperaturempfindlichen Induktors 4 vom heißen (1500°C) Flüssigmetallmeniskus 7a, 7b. Erst die flüssigmetallfreie Entfernung a macht den Induktor 4 technisch ausführbar.
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Der Abdichtkanal 8 kann mit Inertgas durchströmt werden, das einerseits den Induktor 4 thermisch schützt und andererseits eine Oxydation des Flüssigmetallmeniskus 7a, 7b des Bandrandes ausschließt.
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Im Stromrückleiter 4a'' fließt ein starker Mittelfrequenzstrom (z. B. 5 kA). Er wird sein eigenes Magnetfeld hervorrufen.
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Der Induktor 4 (insbesondere die untere Hälfte seiner Rückseite) befindet sich in direkter Nähe von ferromagnetischen Stahlelementen des Walzgerüstes. Das Mittelfrequenzmagnetfeld würde sich durch diese schließen und sie induktiv erwärmen, stellenweise unzulässig erhitzen.
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Zum Schutz der Stahlelemente des Walzgerüstes wird die Abschirmplatte 11 zwischen den Induktor 4 und die Stahlelemente gestellt und diese, wenn nötig, mit Hilfe eines Kühlwasserrohres gekühlt.
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Bekannte Lösungen elektromagnetischer Seitenwandabdichtungen betreffen die elektrodynamische Abdichtung der ganzen Seitenwand zwischen den Gießwalzen. Schon bei relativ kleinen Gießwalzen, mit einem Durchmesser von 1 Meter, müssen zum Abdichten des Flüssigmetalls 5 nahe der Oberfläche magnetische Flüsse durch einen rund 50 cm langen Luftweg getrieben werden, wozu riesige Ströme und Leistungen, insbesondere Blindleistungen nötig sind.
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Bei der erfinderischen Lösung, bei der nur der Abdichtspalt 8 mit einer Breite von z. B. 1 cm zu magnetisieren ist, fällt die nötige Blindleistung wesentlich kleiner aus. In erster Näherung ergibt sich, dass sie nur 2· 1 cm / 50 cm·100% = 4% (Faktor 2, weil 2 Induktorbögen) der Blindleistung bekannter Lösungen beträgt.
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Abdichtversuche wurden mit einem Versuchsgerät durchgeführt, das einem Walzgerüst mit Gießwalzen von einem Durchmesser 1 m entsprach. Das verwendete Flüssigmetall 5 hatte eine Dichte von 8,5 g/cm3. Die Dichte war also größer als bei Stahl.
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Eine gute Abdichtung bei einer Höhe des Flüssigmetalls
5 von 30 cm wurde erreicht bei
| Speisefrequenz | 1,4 kHz, |
| Induktorgesamtstrom | 5,13 kA, |
| Induktorspannung | 33 V, |
| Wirkleistung | < 30 kW. |
