DE2528931C2 - Verfahren zum Rühren der Metallschmelze in einer Stranggießkokille - Google Patents
Verfahren zum Rühren der Metallschmelze in einer StranggießkokilleInfo
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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.
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.
Frequenz
50Hz
50Hz
6Hz
3Hz
Durch Foucault'sche Ströme im Kupfer
einer Kokille verlorene Energie in kW
einer Kokille verlorene Energie in kW
Wandstärke X0 in mm
Kupfer bei 200C
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
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 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
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 (4)
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.
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