DE2701621A1 - Stranggussverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Vergießen von schmelzflüssigen Metallen mittels einer Kokille, in der der Gießstrang der Wirkung eines zur Kokillenachse konzentrischen magnetischen Drehfeldes unterworfen wird.

Es ist schon seit langer Zeit bekannt, dass es möglich ist, schmelzflüssiges Metall mittels eines magnetischen Drehfeldes in eine um die Kokillenachse rotierende Bewegung zu versetzen, um auf diese Weise eine Durchmischung des flüssigen Metalls zu erzielen. So einfach dieses Verfahren auch im Prinzip ist, so stießen die Versuche zu seiner praktischen Verwirklichung jedoch auf erhebliche technologische Schwierigkeiten, so dass dieses Verfahren noch nicht bis zum Einsatz im industriellen Rahmen entwickelt wurde. Darauf ist es zurückzuführen, dass die z. Zt. im Betrieb befindlichen Anlagen ohne Umwälzung bzw. Durchmischung des flüssigen Metalls oder mit mechanisch angetriebenen, eine Zentrifugalkraft auf das flüssige Metall ausübenden Einrichtungen arbeiten, bei denen das flüssige Metall gleichzeitig durch die Rotation der Kokille und die tangentielle Zufuhr des Metalls in eine rotierende Bewegung versetzt wird, was gegenüber dem erstgenannten Verfahren einen erheblichen Fortschritt darstellt. Aufgrund der durch die rotierende Bewegung des Metalls erzielten Durchmischung erhält man Knüppel von besonders guter Qualität, da infolge der Erstarrung des Metalls unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft eine hohe Druckdichtigkeit, eine weitgehende Porenfreiheit und infolge des dichteren Gefüges bessere Festigkeitseigenschaften erzielt werden. Schlacken und Gekrätz werden durch die Bewegung des flüssigen Metalls abgesondert und sammeln sich an der Oberfläche des Metalls an, wo sie leicht entfernt werden können. Darüber hinaus weisen auf diese Weise hergestellte Knüppel eine schmale basaltische Zone auf, auf die eine breite Zone mit gerichteter Erstarrungsstruktur und auf diese eine homogene Kernzone folgt, da durch Kontaktdendriten sich möglicherweise bildende Erstarrungsbrücken, die kleine von noch flüssigem Metall erfüllte Taschen umschließen, gebrochen werden. Aus diesem Grund kam dem Bestreben, das kontinuierliche Gießverfahren mit elektromagnetisch erzeugter Zentrifugalkraft zu einem industriell verwertbaren Verfahren zu machen, eine besondere Bedeutung zu. Diesem Bestreben war dadurch ein Erfolg beschieden, dass bei Verwendung eines elektromagnetischen Induktors von annehmbaren Abmessungen, der ohne Schwierigkeiten in eine Stranggußanlage eingebaut werden kann, die Betriebsbedingungen ermittelt wurden, unter denen eine optimale Durchführung dieses Verfahrens gewährleistet wird.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der vorgenannten Art zu entwickeln, bei dem in der Kokille eine Durchmischung des Metalls maximaler Intensität erreicht wird, wobei jedoch gleichzeitig eine gute Wärmeabfuhr und eine ausreichende mechanische Festigkeit der Kokille gewährleistet ist.

Die Erfindung geht somit von einem kontinuierlichen Gießverfahren aus, bei dem der Gießstrahl in einer gekühlten Kokille einer elektromagnetisch erzeugten Zentrifugalkraft unterworfen wird, wobei die Rotationsbewegung des Metalls mittels eines von einem in unmittelbarer Nähe des Gießstrahls angeordneten Mehrphaseninduktor erzeugten magnetischen Drehfeldes hervorgerufen wird und der halb erstarrte Gießstrahl von der Kokille abgezogen wird. Bei einem solchen Verfahren wird die vorgenannte Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass zur Erzielung einer größtmöglichen Durchmischung des Metalls die Rotationsfrequenz des magnetischen Drehfeldes zwischen 4 und 15 Hz beträgt, die Kokille aus einer strukturgehärteten Kupferverbindung besteht und die Wandstärke der Kokille kleiner ist als der sich aus der im Anspruch 1 angegebenen Gleichung errechnende Wert.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der mit diesem Verfahren erzielte Effekt ist unabhängig von der Stärke des von dem Induktor erzeugten magnetischen Fel- des und damit unabhängig von den technologischen Gegebenheiten des Induktors, wie z. B. von der Zahl der je Längeneinheit angeordneten Windungen oder der Stärke des Erregerstroms. Es ist selbstverständlich, dass für die wirksame magnetische Feldstärke eine untere Grenze besteht, unterhalb der die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im industriellen Rahmen an Bedeutung verliert.

Man kann hierbei im allgemeinen davon ausgehen, dass der Induktor so ausgelegt werden muß, dass er ein wirksames magnetisches Feld von mindestens 800 Gauss erzeugt. Vorzugsweise soll jedoch die magnetische Feldstärke zwischen 1000 und 2000 Gauss betragen. Solche Feldstärken können mit üblichen Induktoren erreicht werden. Im Hinblick auf die mit der Entfernung abnehmende Stärke des Magnetfeldes ist es vorteilhaft, und dies insbesondere bei Induktoren mit einer Feldstärke in der Größenordnung von 800 bis 1000 Gauss, diese in unmittelbarer Nähe des Gießstrahls, d. h. unmittelbar am Umfang des Gußrohrs anzuordnen. Hierbei muß jedoch beachtet werden, dass bei einer Feldstärke über 2000 Gauss die Gefahr bestehen kann, dass unter den angegebenen Betriebsbedingungen eine zu starke Durchwirbelung auftritt, die zu einem Überschäumen führen kann.

Die Wandstärke des Kokillenrohrs beträgt im allgemeinen weniger als 15 mm und vorteilhafterweise etwa um 8 mm. Die Rotationsfrequenz des magnetischen Drehfeldes beträgt vorteilhafterweise zwischen 6 und 12 Hz.

Die Probleme, wie sie bei früheren Entwicklungen eines solchen Verfahrens auftraten, lassen sich nunmehr klar übersehen. Die hauptsächliche Schwierigkeit, die der Lösung dieser Probleme entgegenstand, bestand darin, eine genügend starke Durchmischung und Durchwirbelung des Metalls im Gießstrang zu erreichen. Die Stärke dieser Durchmischung ist einerseits direkt proportional der Winkelgeschwindigkeit des magnetischen Drehfeldes und andererseits proportional dem Quadrat des Mittelwertes des im Gießstrahl wirkenden Magnetfeldes. Dieser Mittelwert ist nun aber wiederum abhängig von der Winkelgeschwindigkeit des Magnetfeldes, und zwar derart, dass er mit zunehmender Winkelgeschwindigkeit abnimmt, wofür die elektrischen Eigenschaften der von dem Magnetfeld durchsetzten Materialien verantwortlich sind, die sich zwischen der Wandung des Induktors und dem Gießstrahl befinden. Die Abschwächung des Magnetfeldes ist eine Folge der Erzeugung Foucault´scher Ströme beim Durchtritt des Magnetfeldes durch das Kokillenrohr, das im allgemeinen aus Kupfer bestand und somit eine hohe elektrische Leitfähigkeit und aus Gründen einer ausreichenden mechanischen Festigkeit eine verhältnismäßig große Wand- stärke aufwies.

Ausgehend von diesen Überlegungen hat man bei einer solchen Kokille zur Erzeugung einer Durchwirbelung ein magnetisches Drehfeld mit der Netzfrequenz (50 Hz) verwendet. Um jedoch eine ausreichende Feldstärke im Stahl zu erzielen, hätte es eines Induktors mit sehr hoher Feldstärke im Vakuum bedurft, dessen Abmessungen in kaum realisierbarer Weise so groß gewesen wären, dass er an eine Kokille üblicher Bauart nur schwer anzupassen gewesen wäre.

Auch bei einer wesentlich geringeren Winkelgeschwindigkeit, beispielsweise einer Erregerstromfrequenz von 20 Hz hätte kein Induktor mit geeigneten Abmessungen zur Verfügung gestanden, der in der Lage gewesen wäre, im Gießstrang ein ausreichend starkes Magnetfeld zu erzeugen. Äußerstenfalls wären für sehr kleine Winkelgeschwindigkeiten Induktoren herkömmlicher Bauart, die im Vakuum ein Magnetfeld von der Größenordnung von etwa 1500 Gauss erzeugen, in Frage gekommen. Wie jedoch schon ausgeführt wurde, besteht zwischen der Winkelgeschwindigkeit des magnetischen Drehfeldes und der Intensität der Durchwirbelung eine lineare Proportion und diese Intensität wäre nicht ausreichend gewesen, um die Erzielung des angestrebten metallurgischen Effektes zu gewährleisten.

Wie schon ausgeführt wurde, ist es von ausschlaggebender Bedeutung, im flüssigen Gießstrang eine wirksame Durchwirbelung zu gewährleisten und dementsprechend das auf den Gießstrang einwirkende Magnetfeld und einen diesem Zweck dienenden Aufbau der Kokille zu wählen. Hierbei darf jedoch nicht unberücksichtigt bleiben, dass es eine wesentliche Voraussetzung für die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, im Bereich der Kokille eine sehr gute Wärmeableitung vorzusehen, um eine genügend dicke und gleichmäßige Haut zu erzielen, die einen raschen Abzug des teilweise erstarrten Gießstrangs ermöglicht. Gleichzeitig ist es in Anbetracht der strengen bezüglich der Temperatur, der auftretenden Spannungen und der im Kokillenbereich auftretenden mechanischen Kräfte herrschenden Betriebsbedingungen unerlässlich, einen den hohen Beanspruchungen entsprechenden festen mechanischen Aufbau der Kokille sicherzustellen, um zu vermeiden, dass diese schon nach verhältnismäßig kurzer Zeit gebrauchsunfähig wird. Damit eine solche Gießvorrichtung im industriellen Betrieb rentiert, müssen bei der Auslegung dieser Vorrichtung mehrere in gegenseitiger Abhängigkeit stehende und damit einzeln nicht optimal zu bemessende Faktoren eine zu einem Kompromiss zwingende Berücksichtigung finden. Will man daher eine zu starke Schwächung des magnetischen Fel- des durch das Gußrohr der Kokille vermeiden, muß man für dieses ein Material hoher mechanischer Festigkeit verwenden. Da sich jedoch die elektrische und die Wärmeleitfähigkeit im gleichen Sinne ändern, besteht die Gefahr einer zu starken Erhitzung der Kokillenwandung, die zu einer dauernden Verformung führen kann. Es ist daher praktisch unmöglich, für die Kokille ein Material mit nur sehr geringem Abschirmeffekt zu verwenden, so dass man, um eine allzu große Schwächung zu vermeiden, ein magnetisches Drehfeld mit nur geringer Rotationsfrequenz anlegen muß.

Für das Gießrohr der Kokille werden gemäß der Erfindung Kupfer-Verbindungen vorgeschlagen, die eine etwas geringere elektrische Leitfähigkeit als das reine Metall, aber keine zu niedrige Wärmeleitfähigkeit und zudem gute mechanische Festigkeitseigenschaften aufweisen. Dies sind sogenannte strukturgehärtete Verbindungen, worunter man solche Kupfer-Verbindungen versteht, deren Legierungsbestandteile, oder auch nur ein Legierungsbestandteil, bei hoher Temperatur eine große Löslichkeit und bei niedrigeren Temperaturen eine wesentlich geringere Löslichkeit in Kupfer aufweisen. Durch eine Härtung bei üblicher Temperatur erhält man hierbei eine übersättigte feste Lösung, bei der nach dem Anlassen eine feine härtende Ausschei- dung erfolgt. Es empfiehlt sich, zwischen dem Härten und dem Anlassen eine Kaltverformung durchzuführen, durch die die Ausscheidung begünstigt und die Festigkeitseigenschaften noch erhöht werden. Unter diesen Verbindungen hat sich eine Kupfer-Chrom-Legierung mit einem Anteil von 0,5-0,9% Cr, eine Kupfer-Silber-Legierung mit einem Anteil von 0,003 bis 0,1% Ag, eine Kupfer-Beryllium-Legierung mit einem Anteil von 0,8 bis 2% Be, eine Kupfer-Zirkonium-Legierung als besonders vorteilhaft erwiesen, deren wesentliche Eigenschaften in der Tabelle 1 wiedergegeben sind, in der R[tief]r die Bruchlast, R[tief]e die Elastizitätsgrenze und die übrigen Symbole die schon im Vorstehenden erwähnten Größen bedeuten. Die in der Tabelle angegebenen Werte sind Mittelwerte, da die gemessenen Werte bei verschiedenen Bedingungen der thermischen Behandlung etwas streuen. Zur Herstellung des Kokillenmantels eignen sich auch Kupferverbindungen mit zwei zusätzlichen Bestandteilen, wie z. B. Verbindungen mit einem Anteil an Chrom und Zirkonium, an Beryllium und Kobalt, an Beryllium und Nickel, die alle den vorgenannten Bedingungen genügen. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass die Kupfer-Chrom-Verbindung und die Kupfer-Silber-Verbindung eine sehr hohe elektrische und auch Wärmeleitfähigkeit, wie auch gute mechanische Festigkeitseigenschaften aufweisen, während die Kupfer-Beryllium-Verbindung geringere Leitfähigkeiten und dafür bessere Festigkeitseigenschaf- ten aufweist. Alle diese Verbindungen sind jedoch für die Herstellung von Kokillenmänteln zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.

Liegt die Wahl des Werkstoffs für das Gießrohr fest, so muß die Wandstärke des Gießrohrs so gewählt werden, dass die Gefahr einer Verformung des Rohrs unter der Einwirkung der durch die hohe Temperatur auftretenden Kräfte vermieden, mindestens aber klein gehalten wird. Diese thermisch bedingten Kräfte wachsen mit der Wandstärke, so dass eine möglichst geringe Wandstärke anzustreben ist. Die Größe der thermisch bedingten, auf die Innenwand des Gießrohrs im Meniskus-Bereich - das ist der Bereich, der der höchsten Spannung ausgesetzt ist, - wirkenden Spannung lässt sich aus der folgenden Gleichung errechnen:

In dieser Gleichung bedeuten

d den Außendurchmesser der Kokille,

e die Wandstärke,

E den Elastizitätsmodul,

kleines Alpha den Ausdehnungskoeffizient, kleines Lambda die Wärmeleitfähigkeit,

kleines My die Poisson´sche Konstante und jeweils für das betreffende Material;

großes Phi den Wärmefluß im Meniskusbereich.

In der Tabelle 2 sind die für die angegebenen Verbindungen errechneten Werte bei verschiedenen Durchmessern und verschiedenen Wandstärken angegeben. Die Werte wurden für einen Wärmefluß von 75 cal/cm[hoch]2 sec errechnet, was nach den gemachten Erfahrungen angemessen erscheint. Es wurde des weiteren davon ausgegangen, dass zur Vermeidung einer dauernden Verformung der Kokille die auftretenden thermisch bedingten, nach der vorstehenden Gleichung errechneten Kräfte unter einem Wert von etwa 60% der Kräfte beim Erreichen der Elastizitätsgrenze des betreffenden Materials liegen. Die maximale Wandstärke der Kokille kann nach der folgenden Formel errechnet werden:

Aufgrund der in den beiden Tabellen 1 und 2 angegebenen Werte ist ersichtlich, dass bei Verwendung von Kupfer-Chrom-Verbindungen die maximale Wandstärke 12 mm, bei Verwendung einer Kupfer-Silber-Verbindung 11 mm beträgt, während bei Verwendung von Kupfer-Beryllium-Verbindungen, die eine etwas höhere Elastizitätsgrenze aufweisen, die Wandstärke größer sein kann, jedoch in keinem Fall den Wert von 15 mm überschreiten soll. Man braucht somit nicht mehr darauf zu achten, dass die Kokille eine zu geringe Wandstärke aufweist, was jedoch nicht der Fall ist, wenn man die auftretenden Spannungen mechanischen Ursprungs, die auf den Kühlwasserdruck und die Abzugskräfte zurückzuführen sind, nicht vernachlässigen will. Die günstigste Wandstärke liegt hierbei bei etwa 8 mm.

Die Eindringtiefe des magnetischen Feldes ist auch bei Verwendung der vorgenannten, eine hohe mechanische Festigkeit aufweisenden Materialien verhältnismäßig gering, wenn man als Rotationsfrequenz des magnetischen Drehfeldes die Netzstromfrequenz verwendet. Man muß daher eine verhältnismäßig niedrige Frequenz verwenden, bei deren Wahl man jedoch durch die Tatsache eingeengt ist, dass die Rotationsgeschwindigkeit des flüssigen Gießstrahls geringer als diejenige des magnetischen Drehfeldes ist und dass sie nicht zu gering sein darf, wenn man eine wirksame Durchwirbelung erzielen will. Versuche haben ergeben, dass mit einer Frequenz zwischen 4 und 15 Hz zufriedenstellend gearbeitet werden kann, dass aber die besten Ergebnisse bei einer Frequenz zwischen 6 und 12 Hz erzielt wurden. Im allgemeinen wird das magnetische Drehfeld durch mehrphasige Induktoren hervorgerufen, die in unmittelbarer Nähe der Außenwand des Kokillenrohrs in einer Kühlkammer angeordnet sind und je Phase eine Mehrzahl von Polpaaren aufweisen, um so mit einem Netzstrom von 50 Hz eine niedrige Drehfeldfrequenz zu erzielen. Um jedoch ein gleichmäßiges magnetisches Drehfeld zu erhalten, das sich bis in die Mitte des Gießstrahls erstreckt, empfiehlt es sich, einen Induktor mit nur einem Polpaar je Phase zu verwenden. In diesem Fall ist die Winkelgeschwindigkeit des magnetischen Drehfeldes gleich der Frequenz des Erregerstroms.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit besonderem Vorteil mit einer Kokillenanordnung durchgeführt, wie sie den Gegenstand der Patentanmeldung P 26 28 293.9 bildet. Das Verfahren eignet sich mit Vorteil zum Stranggießen von runden Knüppeln, kann jedoch ohne Schwierigkeit auch zum Gießen von Halbzeug mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt verwendet werden, wenn das Verhältnis der Seitenkanten nicht größer als etwa 1:3 ist. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wirken sich insbesondere bei solchem Halbzeug aus, dessen Weiterverarbeitung eine weitgehende Porenfreiheit und gleichmäßige Gefügestruktur in der Kernzone erfordert.

Tabelle 1

Tabelle 2

Thermische Spannung (kg/mm[hoch]2)

Claims (7)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Vergießen von schmelzflüssigen Metallen, die in einer gekühlten Kokille der Wirkung eines zur Kokillenachse konzentrischen magnetischen Drehfeldes unterworfen werden, das von einem in unmittelbarer Nähe des Gießstrahls angeordneten Mehrphaseninduktor erzeugt wird, worauf das halberstarrte Halbzeug von der Kokille abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer größtmöglichen Durchmischung die Rotationsfrequenz des magnetischen Drehfeldes zwischen 4 und 15 Hz beträgt, die Kokille aus einer strukturgehärteten Kupfer-Verbindung besteht, und die Wandstärke der Kokille kleiner ist als der Wert, der sich aus der Gleichung errechnet, in der e die Wandstärke und d den Durchmesser der Kokille;

kleines Alpha den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten,

kleines Lambda die Wärmeleitzahl in cal/cm sec°C,

E den Elastizitätsmodul in kg/mm[hoch]2,

kleines My die Poisson´sche Konstante und

R[tief]e die Elastizitätsgrenze in kg/mm[hoch]2 des Kokillenwerkstoffs;

großes Phi den Wärmefluß in der Meniskusebene in cal/cm[hoch]2 sec bedeuten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsfrequenz des magnetischen Drehfeldes zwischen 6 und 12 Hz beträgt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Drehfeld von einem ein Polpaar je Phase aufweisenden Mehrphasen-Induktor erzeugt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Feldstärke mindestens 800 Gauss beträgt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Feldstärke zwischen 1000 und 2000 Gauss beträgt.

6. Kokille mit einem einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Gußrohr zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Gußrohrs kleiner als 15 mm ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Gußrohrs 8 mm beträgt.