DE2528931C2

DE2528931C2 - Verfahren zum Rühren der Metallschmelze in einer Stranggießkokille

Info

Publication number: DE2528931C2
Application number: DE19752528931
Authority: DE
Inventors: Bernard Denain Dussart
Original assignee: Union Siderurgique du Nord et de lEst de France SA USINOR
Current assignee: USINOR SA
Priority date: 1974-07-22
Filing date: 1975-06-28
Publication date: 1982-12-16
Also published as: JPS5947621B2; NL7508074A; NL178395C; GB1520293A; JPS5134460A; IT1036493B; DE2528931A1; BE831516A; LU73029A1; FR2279500A1; NL178395B; FR2279500B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das elektromagnetische Rühren der Metallschmelze in einer Stranggießkokille.

Zur Verbesserung von metallurgischen Eigenschaften, namentlich der Verminderung der ungünstigen dendritischen Struktur, wurden in der Industrie Rührverfahren angewandt, bei denen das flüssige Metall mechanisch gedreht wurde. Ein solches mechanisches Verfahren bringt jedoch verschiedene Nachteile mit sich, in der Hauptsache den Nachteil, daß es weder bei jeder beliebigen Stranggießtechnik, noch bei jeder beliebigen Art von Siranggußprodukt anwendbar ist, weil es die Rotation der Stranggießkokille um eine Senkrechtachse bedingt. So kann das Verfahren insbesondere nicht bei Strangguß mit einer Bogenführung eingesetzt werden. Außerdem dreht sich die Strangkruste, beispielsweise Stahl, mit, was in Bezug auf die Wirksamkeit der Vorgänge an der Grenzfläche zwischen flüssigem und festem Metall ungünstig ist. Schließlich ist es auch sehr schwierig, verhältnismäßig große mechanische Bauteile und eine sk-h drehende Stranggießkokille unterzubringen.

Aus diesem Grund wurde auch ein elektromagnetisches Rühren angestrebt, bei dem die Drehung des flüssigen Metalls durch ein magnetisches Drehfeld bewirkt wird, das mit Hilfe eines induzierenden Wechselstroms aufgebaut wird. Mit diesem elektroma gnetischen Rühren wurden ermutigende Ergebnisse erzielt, was die metallurgischen Eigenschaften des erzeugten Metalls anbetrifft; allerdings hat es auch sehr schwerwiegende Nachteile, die der Anwendung in der Industrie Schranken setzten. So bewirkt die Erhitzung der Stranggießkokille durch den Einfluß der beim elektromagnetischen Rühren entstehenden Wirbelströme ihren sehr raschen Verschleiß. Dies und der geringe energetische Wirkungsgrad des Verfahrens als Folge der Wirbelstromverluste und der damit einhergehenden Abschwächung des magnetischen Feldes beim Durchgang durch die Stranggießkokille führte unter Beibehaltung der üblichen Frequenzen für das rührende Feld /u einer Abkehr von Stranggicßkokillen aus Kupfer und /um Übergang etwa auf nicht-ferromagnetische Stähle als Kokillenwerkstoff (DL-OS 17 83 860). Auch Messing. Aluminiumbronze oder Molybdän wurden verwendet. Da alIc diese Metalle jedoch eine geringere thermische Leitfähigkeit als Kupfer haben, ist die Lebensdauer von aus innen hergestellten Kokillen wegen der hohen Wärmcbelastung durch das kontinuierlich neu zugeführte flüssige Metall beim Stranggießen nach wie vor gering, was einen erheblichen Nachteil darstellt.

Es ist ferner bekannt (DEOS 20 29 443), bei einem Gießen in einer Blockgußkokille aus Gußeisen m>t einem Fenster aus nicht-ferromagnetischem Material, vorzugsweise austenitischen Stählen, rührende Wanderfelder mit einer Frequenz zwischen 0,5 und 10 Hz zu verwenden, wobei an der Erstarrungsfront eine bestimmte Rührkraft vorhanden sein soll, die als abhängig von der Magnetfeldstärke und der Pclteilung des Induktors (und damit der Frequenz) angegeben ist.

is Es ist ferner ein Stranggießverfahren bekannt (US-PS 29 63 758), bei welchem im Zusammenhang mit einem elektromagnetischen Rühren eine wassergekühlte Kupferkokille verwendet wird. Hiernach sollen Stärke und Umlauffrequenz des Magnetfeldes voneinander abhängen, wobei der Radius der Kokille als Parameter eingeht.

Aufgabe der Erfindung ist es, das elektromagnetische Rühren so zu führen, daß unter Beibehaltung einer wegen der hohen thermischen Leitfähigkeit erwünschten Stranggießkokille aus Kupfer ein möglichst hoher energetischer Wirkungsgrad erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung einer Frequenz von weniger als 10 Hertz und einer magnetischen Induktion zwischen 500 und 2000 Gauß für ein elektromagnetisches Drehfeld, mit dem eine Metallschmelze in einer Stranggießkokille um die Kokillenachse gedreht wird. Vorzugsweise wird eine Frequenz zwischen 2 und 6 Hertz und ebenso vorzugsweise eine magnetische Induktion zwischen 1000 und 1500 Gauß verwendet. Die erfindungsgemäß dabei zu verwendende Kupferkokille hat eine Wandstärke von 10,15 oder 20 mm.

Im folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit der einzigen F'.gur der Zeichnung, die eine graphische Darstellung des energetischen Wirkungsgrads in Abhängigkeit von der Frequenz des Induktionsstroms ist, beschrieben.

Für einen Stranggießvorgang wird eine Stranggieß-Kokille aus einem kupfernen Innenteil und aus einem ihn umgebenden Mantel aus rostfreiem Stahl verwendet, wobei der Zwischenraum zwischen Innenteil und Mantel von einem Kühlmittel, z. B. Wasser durchflossen wird. Die Stranggießkokille ist von mit Spulen versehenen Polen eines Drehstromstate- s umgeben.

mi Der Drehstromstator, dessen drei Phasen beispielsweise im Dreieck geschaltet sein können, kann durch einen Drehuniformer gespeist werden Bei einem solchen handelt es sich faktisch um einen Wechselstromgenerator Her seinerseits durch einen Dreiphasen-Wechselstrom mit der in der Industrie üblichen Frequenz von 50 Hz gespeist wird. Die Eingangsspannung am Drehumformer kann 380 V betragen, und er kann einen Induktionsstrom einer Frequenz von 6 Hz und einer Spannung von etwa 57 V bei einer Stärke von 1000 A je

μ Phase liefern. Die Leistung eines solchen Umformers liegt somit im Bereich von lOkVA. Damit läßt sich ein Induktions-Drehfeld im Bereich von 1000 bis 1500Gauli aufbauen.

Anstelle der Dreieckschaltung für die Phasen kommt

ni natürlich auch eine Sternschaltung in Betracht; ebenso kann anstelle eines Drehumformers ein statischer Thyristor-Lhnlormer vorgesehen sei η Der Staler kann im übrigen, zumindest teilweise, im Kühlmantel anstatt

außerhalb des Kühlmantels vorgesehen sein.

Die mit einer solchen Vorrichtung durchgeführten RührvcrsMche zeigen, daß die Wirksamkeit des Rührens über einen Indukiionsstrum sehr niedriger Frequenz von weniger als IO Hz sehr viel höher ist und die Oberflächenstruktur des Strangguß-Stahl dadurch stark beeinflußt wird. Dieser Einfluß kann teils dem Effekt der »Hautbildung« zugeschrieben werden, der durch die Verschiebung des flüssigen Metalls gegenüber dem verfestigten, die Basaltzone begrenzenden Metalls entsteht; dieses Gegeneinanderverschieben hat eine Art Abstreifwirkung, wodurch im Metall vorhandene Einschlüsse und Poren oder Blasen entfernt werden. Dies erhöht die Dichte der Oberflächenschicht des Stranggußerzeugnisses erheblich. Der Effekt der Hautbildung wird noch verstärkt durch die allgemeine Zentripetalwirkung, welche die vorgenannten Einschlüsse und Poren aus der Oberflächenschicht des Produkts abscheidet; diese porösen Bereiche, die sehr viel weniger dicht als Stahl sind, werden dadurch dichter an den Kern des Metallstücks herangedrückt.

Durch den Einsatz der genannten, sehr niedrigen Frequenzen ist es möglich, die Stärke des Drehfelds, mit dem das Metall in Drehbewegung versetzt wird, erheblich zu steigern, was wiederum die beiden vorerwähnten Effekte steigert. Dies ist besonders wichtig, da die im Metall enthaltenen Blasen gleichfalls entfernt wurden (das frühere Verfahren ließ diese Möglichkeit nicht vermuten), und auf diese Weise der Anwendungsbereich eines derartigen Verfahrens auf die Behandlung von unberuhigtem und teilweise beruhigtem Stahl erweitert werden kann. Diese Ausweitung stellt gegenüber dem früheren Verfahren ebenfalls etwas cues dar.

Da das Drehfeld den gesamten Querschnitt des Strangguß-Produkts in Drehbewegung versetzt, ist ein bestimmter Einfallswinkel für den Gießstrahl zur Bewirkung der Drehbewegung nicht erforderlich. Infolgedessen ist es möglich, ein Stranggießen mit eingetauchter Düse und die Beibehaltung des klassisehen Schutzes des Flüssigmeniskus mit Pulver zu erwägen.

Die Erklärung wäre noch von Interesse, warum die in Betracht gezogenen Frequenzen ein solches Ergebnis zeitigen, ohne daß hier indessen auf die Berechnungen und Formeln zur Beweisführung eingegangen werden soll.

Bekanntlich wird Stahl unter der Einwirkung elektromagnetischer Kräfte - Laplace'sche Kräfte genannt — in eine Drehbewegung versetzt. Diese Kräfte sind verhältnisgleich zur Stärke des in dem flüssigen Stahl induzierten Stroms sowie zum Induktionsfeld, das auf den betrachteten Leiter einwirkt. Diese Bewegungskräfte sind verhältnisgleich zur Frequenz /des Induktionsstroms.

Außerdem werden durch die vom Wechselstrom bewirkte Veränderung des Kraftfelds im Kupfer der Stranggießkokille auch Foucault'sche Ströme (Wirbelströme) induziert, deren Stärke verhältnisgleich zur Feldfrequenz ist, wobei die durch Foucau't'sehen Ströme verlorene Energie verhältnisgleich zum Quadrat der Frequenz der Induktionsströme ist. Die in der nachfolgenden Tabelle aufgeführten Zahlen werte geben die Höhe der durch Foucault'sche Ströme im Kupfer verlorenen Energie an, und zwar für eine Stranggießkokille von 120 mm Durchmesserund 10 mm Wandstärke, für Frequenzen von 50, 6 und 3 Hz. Es geht daraus hervor, daß bei einer Frequenz von 50 Hz die verlorene Energie beträchtlich ist und etwa 40% des Wärmeentzugs entspricht, welchen die Stranggießkokille bei einer Stranggußerzeugung von 15 t je Stunde bewirkt. Bei Frequenzen von 6 und 3 Hz ist dieser Energieverlust iodessen vollkommen annehmbar.

Weiterhin ist an diesem Phänomen die Dämpfung des alternierenden Induktionsfelds im Kupfer der Stranggießkokille beteiligt. Dieses alternierende Induktionsfeld nimmt durch Bildung von reaktiven Foucault'schen Strömen nach folgendem Exponentialgesetz ab:

B - U₀ exp —.

Hierbei ist B₀ die Induktionsstärke am Ausgangspunkt,

Metallwiderstand,
magnetische Permeabilität.
Frequenz des Induktionsfelds.

Das Induktionsfeld hängt also allein von den elektromagnetischen Kennwerten des Materials und von der Frequenz des Induktionsstroins ab. Die nachfolgende Tabelle gibt den Wert für xo und für die Felddämpfung an, und zwar in Abhängigkeit von der Frequenz und von dem verschiedenen amagnetischen Durchgangsmaterialien wie z. B. Kupfer der Stranggießkokille, rostfreier Stahl des Mantels, flüssiger Stahl und unter der Voraussetzung, daß die Wandstärke der senkrecht zum anfänglichen Induktionsfeld angeordneten Stranggießkokille tO mm beträgt. Aus dieser Tabelle geht hervor, daß die Wandstärke umgekehrt verhältnisgleich zur Quadratwurzel der Frequenz und die Felddämpfung sehr viel stärker bei einer Industriefrequenz von 50 Hz als für die beiden gewählten Frequenzen von 6 und 3 Hz ist.

Tabelle

Frequenz
50Hz

6Hz

3Hz

Durch Foucault'sche Ströme im Kupfer
einer Kokille verlorene Energie in kW

Wandstärke X₀ in mm
Kupfer bei 20⁰C

145

9,35

27,0

38,1

Frequenz 50Hz

6Hz

3Hz

Wandstärke X₀ in mrr

Kupfer bei 100°C
Rostfreier Stahl bei 0°C
Flüssiger Stahl

Felridämpfung = — durch:

10 mm Kupfer bei 0⁰C
10 mm Kupfer bei 100⁰C
10 mm rostfreien Stahl
10 mm Flüssigstahl

10,70	31,0
65,5	190
91,0	260
0,34	0,69
0,39	0,72
0,86	0,95
0,90	0,96

43,6

266,0

367

0,77
0,88
0,97
0,98

Aus den vorstehenden Betrachtungen ergibt sich, daß sich der energetische Wirkungsgrad der Vorrichtung ausgedrückt durch den Koeffizienten R, der dem Verhältnis zwischen Bewegungsleistung und der im Kupfer verlorengegangenen Leistung entspricht - mit der Frequenz ändert. Dies geht aus dem Diagramm der Figur hervor, in welchem die drei Kurven jeweils die Veränderung dieses Verhältnisses R für Wandstärken der Kupferkokille von 10, 15 und 20 mm darstellen, wobei ein Kokillendurchmesser von 120 mm und eine Drehgeschwindigkeit des flüssigen Stahls von etwa 1 Umdrehung/Sek. angenommen wird.

Aus dieser grafischen Darstellung ist zu ersehen, daß der nach der Erfindung vorgesehene Frequenzbereich demjenigen Teil der Kurve entspricht, für den ein optimaler Wirkungsgrad ausgewiesen ist, während mit den seit jeher benutzten Industriefrequenzen nur ein äußerst geringer energetischer Wirkungsgrad erzielt wird.

Mit anderen Worten: Gleichgültig, welches der Querschnitt des Strangguß-Erzeugnisses ist (Rund- oder Knüppelguß), gleichgültig, wie die Art der induzierten Bewegung ist (gleitendes oder Rühren) —, der energetische Wirkungsgrad des Rührvorgangs ist am höchsten bei einer Induktionsstromfrequenz, die etwa zwischen der Gleichlauf-Frequenz und dem doppelten Wert derselben liegt. Hierbei wird Gleichlauf-Frequenz als diejenige Frequenz definiert, bei welcher der Stahl in die Umdrehungsgeschwindigkeit versetzt wird, die der Geschwindigkeit des Drehfelds entspricht.

Aus der Verwendung der erfindungsgemäßen Drehfrequenzen und Feldstärken ergeben sich folgende Vorteile:

— Die so gewonnenen Erzeugnisse sind von wirklich außergewöhnlich hoher Oberfiächenreinheit, wodurch das Säubern vor dem nachfolgenden Walzen entfällt;

— Es können nicht nur die Einschlüsse aus den äußeren Bereichen des Stranggußprodukts entfernt werden, sondern auch Poren und linsenförmige Blasen, wodurch eine Anwendung des Verfahrens für die Behandlung von nicht beruhigten und teilweise beruhigten Stählen in Betracht gezogen werden kann;

— Es bewirkt eine erhebliche Verdichtung der basaltischen Struktur, wodurch Strangguß-Risse auf Stählen mit empfindlicher Oberflächenbeschaffenheit vermieden werden, ohne daß die Produktionsgeschwindigkeit eingeschränkt wird;

— Es kann eine Kupfer-Stranggießkokille mit normaler Wandstärke, d. h. in der Stärkenordnung 10, 15 oder 20 mm verwendet werden, was beim klassischen elektromagnetischen Rührverfahren nicht möglich war.

Die Erfindung kann auch beim Stranggießen von Knüppelstahl oder anderen ähnlichen Erzeugnissen angewendet werden, die keinen runden Querschnitt haben; dabei weichen die Bewegungsformen des Stahls unter dem Einfluß des Drehfeids zwar sehr von denen bei Erzeugnissen mit rundem Querschnitt ab — die Ergebnisse sind allerdings vergleichbar.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Frequenz von weniger als 10 Hertz und einer magnetischen Induktion zwischen 500 und 2000 Gauß für ein elektromagnetisches Drehfeld, mit dem eine Metalischmelze in einer Stranggießkokille um die Kokillenachse gedreht wird.

2. Verwendung eines Drehfeldes einer Frequenz zwischen 2 und 6 Heru für die Verwendung nach Anspruch 1.

3. Verwendung eines Drehfeldes einer magnetischen Induktion zwischen 1000 und 1500 Gauß für die Verwendung nach Anspruch 1 oder 2.

4. Stranggießkokille aus Kupfer für die Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Wandstärke von 10, 15 oder 20 mm.