DE2704918A1 - Verfahren zum kontinuierlichen vergiessen von schmelzfluessigen metallen im magnetischen drehfeld - Google Patents
Verfahren zum kontinuierlichen vergiessen von schmelzfluessigen metallen im magnetischen drehfeldInfo
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Description
PATENTANWÄLTE 9 7 Π A Q 1
A 12 007
i - kt
19. Januar 1977
INSTITUT DE RECHERCHES DE LA SIDERURGIE FRANCAISE
185, rue President Roosevelt Saint-Germain-en-Laye, Yvelines (Frankreich)
Verfahren zum kontinuierlichen Vergießen von schmelzflüssigen Metallen im magnetischen Drehfeld
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen
Vergießen von schmelzflUssigen Metallen, die in einer gekühlten Kokille der Wirkung eines zur Kokillenachse konzentrischen
magnetischen Drehfeldes unterworfen und als halberstarrtes Halbzeug am unteren Ende der Kokille abgezogen
werden.
Es ist bekannt, daß Verfahren der vorgenannten Art zahlreiche Vorteile insbesondere hinsichtlich der Qualität
der so gegossenen Erzeugnisse bieten. Die so erzielte
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Qualitätsverbesserung wirkt sich insbesondere in einer
gleichmäßigen, eine hohe Druckdichtigkeit und bessere Festigkeitseigenschaften ergebenden Gefügestruktur, in
der erzielten Reinheit und Porenfreiheit sowie in einer glatten Oberfläche aus. Eine solche Qualitätsverbesserung
kann auch dadurch erzielt werden, daß die Kokille als Ganzes eine Rotationsbewegung ausführt, die sich auf das
echmelzflüseige Metall überträgt; auf einfachere Weise
kann eine solche rotierende Bewegung des flüssigen Metalle dadurch erzielt werden, daß dieses der Einwirkung eines
magnetischen Drehfeldes unterworfen wird, wobei das Gießrohr fest mit dem Kokillengestell verbunden ist.
Dieses letztere Verfahren, das insbesondere hinsichtlich des einfacheren mechanischen Kokillenaufbaus Vorteile
bietet, wirft jedoch auf elektromagnetischem Gebiet Probleme auf, zu deren Lösung von der Anmelderin schon
verschiedene Vorschläge gemacht wurden, wie sie z.B. den Gegenstand der Patentanmeldung P 26 28 293.9 bilden.
Eines dieser Probleme besteht darin, rasch und auf Anhieb auf die Ausbildung des magnetischen Drehfeldes
einwirken zu können, um ohne lange und kostspielige Versuche und Probegüsse zu einem industriell verwertbaren Erzeugnis zu gelangen. Der Erfindung liegt daher
die Aufgabe zugrunde, eine Methode zur Steuerung solcher Gießverfahren zu entwickeln, mit der die aufgezeigten
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Schwierigkeiten in einfacher Weise überwunden werden und bei deren Anwendung das vom magnetischen Drehfeld auf das
schmelzflüssige Metall übertragene Drehmoment bei gegebener magnetischer Feldstärke einen größtmöglichen Wert
erreicht.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Rotationsfrequenz des magnetischen Drehfeldes
unter Berücksichtigung des Querschnitts des Gießkanals, der Wandstärke und der elektrischen Leitfähigkeit des
Gießrohrs so gewählt wird, daß sie einen möglichst großen Wert zwischen 4 und 15 Hz annimmt, bei dessen Überschreitung
eine Schwächung des Magnetfeldes in der Gießrohrwand erfolgt, die zwangsläufig zu einer Verringerung der von
dem magnetischen Drehfeld auf das Metall ausgeübten Kraft führt.
Eine Möglichkeit, die Rotationsfrequenz des Magnetfeldes
in Abhängigkeit von dem Querschnitt des Gießkanals, der Wandstärke und der elektrischen Leitfähigkeit des Gießrohrs
auf den optimalen Wert einzustellen, besteht darin, daß dieser optimale Wert mittels einer Kurve bestimmt
wird, wie sie in Fig. 1 abgebildet sind.
Eine weitere Möglichkeit, die richtige Wahl für diese optimale Rotationsfrequenz zu treffen, besteht darin,
daß man sie mittels der Formel 100
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AX2 + BX + C
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errechnet, in der X das Produkt aus der Wand-
108 stärke e (in mm) und der elektrischen Leitfähigkeit
(in Siemens/m), A, B und C vom Radius des Gießkanals R (in cm) und damit vom Querschnitt des Halbzeugs nach den
angenäherten Beziehungen
A « 0,011 R3 - 0,226 R2 + 1,494 R - 3,409
B=- 0,03673 R2 + 0,956 R + 1,687 C = 0,1585 R2 - 1,534 R + 1,192
abhängige Parameter bedeuten.
Eine zusätzliche Möglichkeit zur Steuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Feldstärke des
Magnetfeldes so eingestellt wird, daß sie in der Achse der Kokille einen Wert annimmt, der zwischen einem unteren
Grenzwert B. und einem oberen Grenzwert B liegt, die eich
nach den Formeln
j ·» 4 exp
und Bfl ■ 4 exp
L- Wü
. (270 - 17 N) . (400 - 25 N)
in Gauss errechnen, in denen N die Rotationsfrequenz dee
magnetischen Drehfeldes in Hz bedeutet.
Das erfindungsgemaße Verfahren wird an Hand der beiden in
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der Zeichnung dargestellten Diagramme näher beschrieben, von denen
Fig. 1 eine Schar von Kurven zeigt, denen die für die Durchmischung des flüssigen Metalle optimale
Drehfeldfrequenz in Abhängigkeit des Radius R des Gießkanals sowie der Wandstärke und der
elektrischen Leitfähigkeit des Gießrohrs entnommen werden kann, und
Fig. 2 eine Kurve zeigt, aus der das ein Maß für die Auswirkung des magnetischen Drehfeldes auf die Rotation
des flüssigen Metalls bildende Moment in Abhängigkeit der Frequenz des magnetischen Drehfeldes
ersichtlich ist.
Eine der entscheidendsten Fragen, die das vorgenannte Problem aufwirft, ist die Wahl der Winkelgeschwindigkeit dee magnetischen
Drehfeldes - im folgenden "Rotationsfrequenz" genannt - , die, wenn das Drehfeld von einem statischen Mehrphaseninduktor
erzeugt wird, wie dies im allgemeinen der Fall ist, von der Frequenz des Erregerstroms abhängt.
Bezüglich dieser Frage herrschte bislang noch immer eine gewisse Unsicherheit. Ein Teil der Fachleute hält eine hohe
Stromfrequenz, 50 Hz und mehr, für unbedingt erforderlich.
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- i - dm
während andere verhältnismäßig niedrige Frequenzen, unterhalb 20 oder sogar 10 Hz , empfehlen. Untersuchungen der Anmelderin
haben jedoch ergeben, daß Frequenzen im Bereich zwischen 1 und 20 Hz, im allgemeinen vorzugsweise zwischen
4 und 15 Hz zu den besten Ergebnissen führen. Die Untersuchungen der Anmelderin haben darüberhinaus zu der Erkenntnis
geführt, daß in diesem Bereich eine optimale Frequenz besteht, bei der die Auswirkung des magnetischen Drehfeldes
auf die dadurch hervorgerufene Rotationsbewegung des flüssigen Metalls am größten ist. Wird das magnetische Feld
durch das aus leitendem Material bestehende Gießrohr der Kokille nicht geschwächt, so muß erwartet werden, daß die
auf das flüssige Metall wirkende Kraft desto größer ist, je höher die Rotationsfrequenz des magnetischen Drehfeldee
ist. Die durch die in der Wand des Kokillenrohrs auftretenden Induktionsströme hervorgerufene Schwächung nimmt
mit höherer Frequenz jedoch größere Werte an, so daß für die Frequenz ein optimaler Wert besteht, der vom lichten
Querschnitt des Gießrohrs sowie der Wandstärke und der elektrischen Leitfähigkeit des Gießrohrs abhängig ist,
oberhalb dessen die Schwächung des Magnetfelds überwiegt, und die auf das flüssige Metall wirkende Bewegungskraft
zunehmend abnimmt.
Dies wurde durch Versuche der Anmelderin bestätigt, die
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aufgrund dieser Überlegungen Diagramme entwickelt hat, anhand deren ohne weiteres die für die jeweiligen Gegebenheiten
und Betriebsbedingungen der Kokille günstigste Rotationsfrequenz ermittelt werden kann. Darüberhinaus ist es
der Anmelderin gelungen, eine mathematische Formel aufzustellen, die dem Verlauf dieser Kurve entspricht.
Aufgrund dieser Feststellungen ist es darüberhinaus umge-
i kehrt möglich, für einen bestimmten Induktor und eine be- ,
stimmte Erregung des Induktors die Wandstärke und die elektrische Leitfähigkeit einer Kokille in Abhängigkeit
der Abmessungen des Gußerzeugnisses zu bestimmen. l
Die Untersuchungen der Anmelderin haben darüberhinaus zu der interessanten Feststellung geführt, daß die Wandstärke
und die elektrische Leitfähigkeit des Kokillenrohrs sich im gleichen Sinne auswirken, d.h. in die Formel für die
optimale Drehfeldfrequenz als Produkt eingehen.
Die Kurven der Fig. 1 zeigen für verschiedene, einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisende Gußerzeugnisse
die für die Durchmischung des flüssigen Metalls optimale Drehfrequenz N in Abhängigkeit von dem Produkt aus Wandstärke
und elektrischer Leitfähigkeit der Kokille (e · Y1) ·
Der Wert R stellt den Radius des die Innen-
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fi.
wände der Kokille berührenden Kreises in einer zur Kokillenachse senkrechten Ebene dar. Im Falle einer runden Kokille
stellt R den Innenradius dar. Die Werte R = 40 mm und R = 120 mm begrenzen den vollständigen Bereich von
Gußerzeugnissen, die üblicherweise im Stranggußverfahren hergestellt werden.
Die mathematische Formel, der die Kurven dieses Diagramme gehorchen, läßt sich in der Form
100
Opt AX2 + BX + C
schreiben, in der X das Produkt aus der Wandstärke
101*
e (in mm) und der elektrischen Leitfähigkeit Jf (in Siemens/m)
und A,B und C vom Innenradius R des Gießkanals (in cm) und
damit vom Querschnitt des jeweiligen Gußerzeugnisses nach den Beziehungen
A « 0,011 R3 - 0,226 R2 + 1,494 R - 3,409
B = 0,03673 R2 + 0,956 R + 1,687
C = 0,1585 R2 - 1,534 R + 1,192
abhängige Parameter bedeuten.
Hat man einmal für die betreffende Kokille die günstigste
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Frequenz ermittelt, so braucht man nur noch die Stärke des magnetischen Feldes einzustellen, um auf Anhieb zu dem
besten Ergebnis zu gelangen, wobei die absolute Rotationsgeschwindigkeit des flüssigen Metalls von der Stärke des
angelegten magnetischen Drehfeldes abhängt.
Es ist bekannt, daß die freie Oberfläche des flüssigen Metalls unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft einen
konkaven Meniskus bildet, der etwa die Form eines Paraboloids annimmt. Die Ausbildung dieses Meniskus führt in
Verbindung mit der Tatsache, daß das Gekrätz eine geringere Dichte als das Metall aufweist, dazu, daß dieses
sich im wesentlichen in der Mitte dieses Meniskus an dessen Sohle ansammelt, wenn die Rotationsgeschwindigkeit
genügend groß ist. Aus diesem Grund ist es erforderlich,, daß die Rotationsgeschwindigkeit oberhalb eines unteren
Grenzwertes liegt, jedoch unterhalb eines oberen Grenzwertes bleibt, um zu verhindern, daß sich ein zu großer
Meniskus ausbildet, der es unmöglich machen würde, daß das Gekrätz an dem tiefliegenden Scheitel des Meniskus
abgeschöpft wird. Eine zu große Geschwindigkeit der Rotationsbewegung würde auch zur Folge haben, daß das
Gekrätz infolge eines sich ausbildenden Strudels in das flüssige Metall hineingesogen wird. Ein weiterer Ge-
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sichtspunkt, den unteren Grenzwert der Rotationsgeschwindigkeit
nicht zu unterschreiten, ist durch die Notwendigkeit gegeben, im Inneren des flüssigen Metalls
eine ausreichende Durchwirbelung aufrecht zu erhalten, um sich bildende Dendriten basaltischer Gefügestruktur
zu brechen und im Achsenbereich der Gußerzeugnisse eine inhomogene Erstarrung und die Bildung von Lunkern zu
vermeiden. Dieser Grenzwert liegt jedoch tiefer als der, bei dem gewährleistet ist, daß das Gekrätz sich in der
Mitte des Meniskus ansammelt, und bedarf daher keiner vorrangigen Berücksichtigung. Die Anmelderin ging davon
aus, daß es möglich sein muß, diese Grenzwerte und damit den Bereich eines einwandfreien zuverlässigen
Betriebs durch Angaben bezüglich der Feldstärke B (in Gauss)- bei gegebener Kokille und gegebenem Induktor
durch Angaben bezüglich der Stärke des Erregerstroms in Abhängigkeit der Rotationsfrequenz N (in Hz) des
Drehfeldes zu definieren. Hierin wurde die Anmelderin durch die Ergebnisse durchgeführter Versuche bestätigt,
so daß die vorgenannten Grenzwerte wie folgt bestimmt werden können:
Ein unterer Grenzwert der Feldstärke in der Kokillenachse, die die Ansammlung des Gekrätzes
im Mittelpunkt des Meniskus gewährleistet, entsprechend der Formel
B. = 4 exp
. (27P - 17 N) - 11
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Ein oberer Grenzwert für die Feldstärke in der Kokillenachse, oberhalb deren die Abschöpfung des
Gekrätzes auf Schwierigkeiten stößt, entsprechend der Formel
B = 4 exp
(N ' 2 10
. (400 - 25 N)
wobei B. und B Grenzwerte in Gauss darstellen und ι s
N die Rotationsfrequenz des magnetischen Drehfeldes in Hz darstellt.
Im folgenden ist an Hand eines Beispiels erläutert, wie das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird.
Eine Anlage zum kontinuierlichen Gießen von runden Stahlknüppeln von einem Durchmesser von 120 mm weist eine
Kokille auf, an deren Umfang ein Zweiphaseninduktor mit einem Polpaar je Phase angeordnet ist, der von einem
ruhenden Thyristor-Umformer bekannter Art gespeist wird, der bei einer Spannung von 55 Volt je Phase und einer
Frequenz zwischen 3,5 und 13 Hz einen Strom von maximal 350 A liefert. Eine Kokille, wie sie z.B. den Gegenstand
der Patentanmeldung P 26 28 293.9 bildet, deren aus einer Kupfer-Chrom-Zirkonium-Verbindung bestehende strukturgehärtete
Wand eine Stärke von 11 mm aufweist, weist eine elektrische Leitfähigkeit von 3,87 . 10 Siemens/m
auf.
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Beträgt der Innenradius dieser Kokille 6 cm, so ergibt
sich aus Fig. 1 eine optimale Rotationsfrequenz des magnetischen Drehfeldes von 5,3 Hz. Die experimentell
bestimmte optimale Frequenz, die durch Messung des elektromagnetischen Momentes mittels eines in der Kokille
aufgehängten, mit einem Torsionswinkelmeßgerät verbundenen magnetischen Probekörpers durchgeführt wurde, ergibt
5,3 Hz, wie dies die Fig. 2 zeigt. Wie man feststellt, ist die Übereinstimmung mit dem analytisch errechneten
Wert der Frequenz, der für die optimale Frequenz 5 Hz ergibt, eine nicht ganz vollständige.
Eine ausreichende Ansammlung des Gekrätzes in der Mitte des Meniskus und die Möglichkeit der Abschöpfung ergeben
sich bei dieser optimalen Frequenz beispielsweise mit einem Magnetfeld im flüssigen Metall von der Stärke
von 400 und 570 Gauss. Die angegebenen Gleichungen ergeben Näherungswerte mit einer Abweichung von nur 10%,
die ohne weiteres hingenommen werden kann.
Die Gleichungen für die magnetische Feldstärke in Abhängigkeit der Frequenz sind auch dann gültig, wenn man
mit Frequenzen arbeiten muß, die von der optimalen Frequenz abweichen, was der Fall sein kann, wenn mit dem
zur Verfugung stehenden Generator die optimale Frequenz nicht erhalten werden kann.
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Claims (4)
1. Verfahren zum kontinuierlichen Vergießen von schmelzflüssigen Metallen, die in einer gekühlten Kokille der
Wirkung eines zur Kokillenachse konzentrischen magnetischen Drehfeldes unterworfen und in halberstarrtem Zustand am
unteren Ende der Kokille abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet , daß die Rotationsfrequenz
des magnetischen Drehfeldes unter Berücksichtigung des Querschnitts des Gießkanals, der Wandstärke und der
elektrischen Leitfähigkeit des Gießrohrs so gewählt wird/ daß sie einen größtmöglichen Wert zwischen 4 und 15 Hz
annimmt, bei dessen Überschreitung eine Schwächung des Magnetfeldes in der Gießrohrwand erfolgt, die zwangsläufig
zu einer erheblichen Verringerung der von dem magnetischen Drehfeld auf das schmelzflüssige Metall
ausgeübten Kraft führt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die optimale Rotationsfrequenz
des Magnetfeldes in Abhängigkeit von dem Querschnitt des Gießkanals, der Wandstärke und der elektrischen Leitfähigkeit
des Gießrohrs mittels Kurven bestimmt wird« wie sie in Fig. 1 abgebildet sind.
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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die optimale Rotationsfrequenz
sich nach der Gleichung
°pt AX2 + BX + C
errechnet, in der X das Produkt aus der Wand-
108 stärke e (in mm) und der elektrischen Leitfähigkeit V
(in Siemens/m) und
A1 B und C vom Radius R des Gießkanals (in cm) und damit
vom Querschnitt des Halbzeugs nach den angenäherten Beziehungen
A = 0.011 R3 - 0,226 R2 + 1,494 R - 3,409
B=- 0,03673 R2 + 0.956 R + 1,687 C = 0,1585 R2 - 1,534 R + 1,192
abhängige Parameter bedeuten.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die wirksame Feldstärke
des magnetischen Drehfeldes derart geregelt wird, daß sie in der Kokillenachse zwischen einem unteren Wert B. und
einem oberen Wert Be (in Gauss) liegt, die sich aus den
Beziehungen ι— • ^2"!
B4 - 4 exp -fc) . (270 - 17 N)
und B3 = 4 exp | -(Τη/ I · ί400 - 25 N)
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ergeben, in denen N die Frequenz des magnetxschen Drehfeldes
in Hz bedeutet.
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