DE2750944A1

DE2750944A1 - Kokille mit im kuehlmantel angeordnetem elektromagnetischen induktor

Info

Publication number: DE2750944A1
Application number: DE19772750944
Authority: DE
Inventors: Jacques Ruer; Louis Vedda
Original assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Current assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Priority date: 1976-11-17
Filing date: 1977-11-15
Publication date: 1978-05-18
Also published as: AT358757B; US4164974A; SE7712514L; ATA820877A; FR2371258A1; BE860848A; SE433315B; JPS619103B2; FR2371258B1; DE2750944C2; IT1087241B; GB1571737A; JPS5388631A

Description

27509AA

DR.-ING. EUGEN MAIER DR.-ING. ECKHARD WOLF PATENTANWÄLTE

DRESONtER EJANK AG

T t LE FON: (O711) 24 J761/2 STUTTGART NR. 193O934

TELEGRAMME: MENTOR 7 STUTTGART 1, PISCHEKSTR. 19 POSTSCHECK STOT. 3SJOOJO8

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7.11.1977
i - kt

INSTITUT DE RECIIEHCHES DE LA SIDERURGIE FRAiTCAISE

105, run President Roosevelt
Saint-Geritiain-en-Laye, Yvelines (Frankreich)

Kokille wit im Kühlmantel angeordnetem
elektromagnetischem Induktor

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Die Erfindung betrifft eine Kokille zum kontinuierlichen Gießen von Halbzeug, insbesondere von einen verhältnismäßig großen, vorzugsweise rechteckigen Querschnitt aufweisendem plattenförmigem Halbzeug, mit einem den Gießkanal umgebenden, von einem Kühlmittel durchströmten Kühlmantel und einem auf die Fließbewegung des die Kokille durchfließenden schmelzflüssigen Strangs eine Kraft ausübenden elektromagnetischen Induktor.

Es ist bekannt, daß durch die Einwirkung eines von einem Induktor erzeugten Magnetfeldes auf das die Kokille durchsetzende schmelzflüssige Metall zahlreiche metallurgische Vorteile, insbesondere bezüglich der Verhinderung von Einschlüssen in der Oberflächenschicht der Gußerzeugnisse, erzielt werden.

Diese Vorteile wurden jedoch bislang nur beim Gießen von Halbzeug mit verhältnismäßig kleinem Querschnitt, wie z.B. von Knüppeln, erzielt, nicht jedoch beim kontinuierlichen Gießen von großem Halbzeug, wie z.B. Brammen oder dicken Bioomen. Um bei solchen Gußerzeugnissen eine ausreichende Einwirkung auf das schmelzflüssige Metall, insbesondere eine Durchwirbelung des Metalls zu erzielen, sind Induktoren großer Leistung notwendig, die ihrerseits wieder gekühlt werden müssen, ohne dadurch die auf den schmelz-

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flüssigen Gießstrang auszuübende Kühlwirkung zu beeinträchtigen. Eine insbesondere zum Gießen von Brammen dienende Kokille dieser Art, bei der der ein magnetisches V/anderfeld erzeugende elektromagnetische Induktor in einer vom Kühlmittel durchflossenen Kammer angeordnet ist,die von dom den Gießkanal kühlenden Kühlmittel durchflossen wird, ist Gegenstand der älteren Anmeldung P 26 41 261.3. Dei dieser Kokille umspült das Kühlmittel, das zuerst zur Kühlung des Gießkanals an dessen- Wänden entlanggeführt und in eine oberhalb des Induktors gelegene Kammer eingeleitet wurde, den Induktor und wird im unteren Bereich der den Induktor aufnehmenden Kammer abgeleitet. Auf diese Weise wird der gesamte primäre Kühlmittelstrom zur Kühlung des Induktors verwendet, was im Einzelfall zur notwendigen Kühlung der Induktorspulen nicht notwendig erscheint. Da der Induktor meist verhältnismäßig große Abmessungen und damit einen großen Raumbedarf aufweist, kann dies in der Kühlmittelleitung zu erheblichen Druckverlusten führen, die im Hinblick auf die Möglichkeiten, die bei der Installation der für das Kühlmittel vorgesehenen Druckleitungen bestehen, nur schwer zu kompensieren sind.

Unter "primärem Kühlrnittelstrom¹¹ wird der Kühlmittelstrom verstanden, der zur Kühlung der Wände des Gießkanals und

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danit zum Wärmeaustausch mit dem zuerst schmelzflüssigen und dann erstarrenden Gießstrang dient.

Die vorgenannten Verhältnisse des im Kühlmittelstrom sich ausbildenden Druckabfalls und die aus installationstechnischen Gründen notwendige Begrenzung des Drucks des Kühlmittels in der Zuflußleitung führt zu einer Verminderung des Kühlmitteldurchsatzes, die nicht so sehr für das thermische Verhalten des Induktors als für den Betrieb der Kokille sich äußerst nachteilig auswirken kann. Die Ausbildung der vorgenannten Kokille führt des weiteren dazu, daß die Durchströmung des Induktors im wesentlichen nicht in senkrechter Richtung erfolgt, sondern in Richtung auf den im unteren Bereich der Induktorknmmer vorgesehenen Abfluß. Es ergeben sich hieraus unterschiedliche Druckverluste in den verschiedenen Bereichen der Induktorkammer, je nachdem der Zufluß des Kühlmittels an Stellen oberhalb des Induktors erfolgt, die mehr oder weniger von der Stelle des Abflusses entfernt sind. Diese unterschiedlichen Druckverluste können insbesondere bei Kokillen mit senkrecht angeordneten Kühlmittelkanälen zu Verbrennungen der Gießkanalwände führen, die auf einen ungleichen Durchsatz der einzelnen Kanäle zurückzuführen sind, der einen Überschuß des primären Kühl-

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rnittelstroirs in den weniger belasteten Kanälen zum Nachteil der stärker belasteten Kanäle zur Folge hat, so daß die Kokille unbrauchbar wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Kokille der vorgenannten Art den Kühlmittelstrom so zu leiten, daß die vorgenannten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Konstruktion gelöst, wie sie den Gegenstand des Patentanspruchs 1 bildet.

Um die Menge des aus dem primären Kühlmittelstrom abgezweigten, unmittelbar der Abflußleitung zugeführten Stroms .beliebig ändern zu können, ist das zur Unterteilung des primären Kühlmittelstroms vorgesehene Organ als Regelorgan ausgebildet.

Die Ausbildung der Kokille nach der Lehre des Unteranspruchs 3 hat den weiteren Vorteil, daß das Kühlmittel in den einzelnen Kammern eine im wesentlichen parallele Strömung aufweist.

Die Ausbildung des Organs zur Unterteilung des primären

Kühlmittelstroms als Absperrorgan hat den Vorteil, daß

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notwendigenfalls auch der gesamte primäre Kühlmittelstrom zur Kühlung des Induktors verwendet wird, wobei aufgrund der über die Breite der die Induktorkammer begrenzenden Wände verteilten Durchlässe ebenfalls eine im wesentlichen parallele Strömung erzielt wird.

Das Wesen der Erfindung besteht somit darin, von dem primären, an der Gießkanalwand entlanggeführten Kühlmittelstrom einen Strom abzuzweigen, so daß dem die Induktorkainmer durchsetzenden Reststrom ein Strom parallelgeschaltet wird, der nur verhältnismäßig geringe Druckverluste aufweist. Dieser abgezweigte Kühlmittelstrom übt keinerlei Kühlwirkung aus und kann als Leckstrom aufgefaßt werden, der dazu dient, die Druckverluste in den einzelnen Kühlmittelkanälen auszugleichen, so daß die einzelnen Kanäle und Teilbereiche der Kammern von gleichgroßen Kühlmittelmengen durchsetzt werden.

In Analogie zu einem elektrischen Stromkreis kann der zusätzliche, abgezweigte Teilstrom als ein Nebenschluß zu dem Strom aufgefaßt werden, der die den Induktor aufnehmende Kammer durchfließt. Dies ist auch deshalb möglich, weil der Kühlmittelstrom, der zur Kühlung des Induktors benötigt wird, nur einen geringen Teil von der Größenordnung von etwa 10% des die Gießkanalwand kühlenden

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PrimärStroms beträgt.

Dieser "Nebenschluß" erlaubt es aufgrund seiner Organe zur Einstellung des Druckverlustes, den die Gießkanalwand kühlenden Primärstrorn im beliebigen Verhältnis aufzuteilen und damit den Kühlmittelstrom des Induktors nach den gegebenen Erfordernissen ohne eine Beeinträchtigung des Primärstroms einzustellen, der im allgemeir-en eine bestimmte, aus dem Aufbau und dem Betrieb der Kokille und den Eigenschaften des zu vergießenden Metlls sich ergebende Größe darstellt.

Der "Nebenschluß" ist verstandlxcherweise kein vollständiger und man kann den abgezweigten, die äußere Auslaßkammer durchfließenden Strom auch nicht gänzlich unterbinden. Die Größe des abgezweigten Stroms richtet sich nach den Gegebenheiten für die Kühlung des Gießmantels einerseits und die Kühlung des Induktors andererseits, wobei das Teilungsverhältnis in erster Linie von dem Druck des Kühlmittels am Einlaß abhängt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Weise dargestellt. Es zeigen:

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Fig. 1 einen senkrechten ΊΥ,-ilschnitt durch eine Kokille nach der Schnittlinie D-B der Fig. 2;

Fig. 2 einen waagerechten Teilschnitt durch die Kokille nach der Schnittlinie A-A der Fig. 1.

Der Kokillenaufbau weist eine den Gießkanal begrenzende Wandung 1 und einen Kühlmantel 2 auf, der mittels den Kühlmantel durchsetzender Schraubenbolzen 3 an die Gießkanalwand angeschraubt ist. Die die Gießkanalwand 1 bildenden Platten weisen auf ihrer Rückseite Längsnuten 4 auf, die Kanäle bilden, die von dem Primärstrom des den Kühlmantel 2 durchfließenden Kühlmittels durchströmt werden.

Der Kühlmantel 2 besteht aus zwei übereinander angeordneten aneinander angrenzenden Kammern 5 und 6, von denen die untere Kammer 5 die mit einer Zuleitung 7 versehene 2inlaßkammer bildet, während in der darüberliegenden Karmer ein Auslaß 8 vorgesehen ist. Diese beiden Kammern haben eine gemeinsame waagerechte Trennwand 9. Beide Kammern weisen eine Mehrzahl von Durchlässen 10 und 11 auf, über die die beiden Kammern mit den Längskanälen 4 der Giei.-kanalwand 1 verbunden sind.

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In dor Aus] aß?ianimer G ist pin elektromagnetischer Mehrphaseninouktor 12 angeordnet, der sich im wesentlichen über die genze Höhe dieser Kanrnor erstreckt, jedoch an seinem olxa-en und unteren Ende kleinere Räume 13 und 14 dieser Kan^r:.er freiläßt. Der Induktor 12 stellt den Stator eines Lir.earmotors dar und erzeugt ein magnetisches VJanderfeld, das sicli in dem Gießstrang bzw. in dem erstarrenden Halbzeug in Richtung des absinkenden Gießstrangs bowegt. Der Induktor besteht zu diesem Zweck aus sechs Stromleitern 15. die in zu diesem Zweck in dem Magnetjoch 16 vorgesehenen Aussparungen angeordnet und an eine Drehstrom-

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quelle in bekannter Weise/angeschlossen sind, daß das vorgenannte magnetische Wanderfeld erzeugt wird. Dieses magnetische Wanderfeld erzeugt in dem schmelzflüssigen Gießstrang Induktionsströme, deren Magnetfelder ihrerseits mit dem vom Induktor erzeugten Magnetfeld zusammenwirken, woraus eine Kraft resultiert, die in der Masse des schmelzflüssigen Metalls und insbesondere in der Nähe der erstarrenden Randzone eine Konvektionsströmung in Richtung des von dem Induktor erzeugten magnetischen Wanderfeldes hervorruft.

Um in dem Magnetjoch 16 Wirbelstromverluste zu vermeiden, besteht dieses aus einem Paket senkrecht zu der Achse der

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Stromleiter 15 angeordneter Bleche.

Die Stromleiter 15 bestellen vorteilhafterweise aus Kupferstäben, deren Zahl je Aussparung in Abhängigkeit von der gewünschten maximalen Leistung des Induktors gewählt wird. Diese Kupferstabe sind so in den Aussparungen angeordnet, daß sie zwischen einander und auch zwischen einzelnen Gruppen von Stäben Zwischenräume aufweisen, durch die das Kühlmittel, gegebenenfalls der primäre Kühlmittelstrom fließt.

Die Anordnung der Stromleiter in den Aussparungen des Magnetjoches, für die es in der einschlägigen Technik zahlreiche Vorschläge gibt, bildet keinen Gegenstand der Erfindung.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß das magnetische Joch 16 nicht einstückig ausgebildet ist, sondern aus mehreren, in Längsrichtung voneinander getrennten Blöcken besteht, zwischen denen das Kühlmittel Zutritt zu freiliegenden Teilen der Stromleiter 15 hat.

Eine innerhalb der AuslaiJkammer 6 vorgesehene Längstrennwand 19 ist so angeordnet, daß sie gegen das Magnetjoch anliegt. Diese Trennwand begrenzt zusammen mit der Außen-

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wand 20 der Auslaßkammor eine wasserdichte seitliche Außenkammer 21, durch deren Auslaß 8 das Kühlmittel aus dem Kühlmantel austritt.

Die Trennwand 19 weist auf ihrer dem Induktor zugewandten Seite Vorsprung«» 27 auf, die zwischen sich breite Rinnen begrenzen, die cion Blöcken ces Magnet Joches 16 als Anlageflschen dienen. Dor mechanische Zusammenhalt der einzelnen Teile des Kühlmantels wird mittels Gewindebolzen 3 und gewährleistet, Jie die seitliche Außenkammer 21 durchsetzen und in die Trennwand 19 bzw. die Gießkanalwand 1 eingeschraubt sind.

Die Stromleiter 15 liegen gegen die Vorsprünge 27 nicht unmittelbar, sondern gegen vor diesen angeordnete . Leisten 17 on, die sich über die ganze Höhe des Induktors erstrecken. In gleicher Weise sind solche Leisten 17· zwischen den Stromleitern 15 und der Innenwand 29 des Kühlmantels angeordnet.

Diese Leisten 17 und 17· dienen nicht nur der sicheren Halterung der unter dem Einfluß von Schwingungen stehenden Stromleiter 15, die durch die Speisung des Induktors mit einer niedrigen Frequenz von beispielsweise 3 bis 15 Hz

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verursacht werden, sondern auch der elektrischen Isolierung der Stromleiter gegenüber der netallischon Trennwand 19 und dor Innenwand 29 des Kühlmantels. Demzufolge bestehen die Leisten 17 und 17' aus einem gut isolierenden und eine gegenüber auftretenden Temperaturen von 150 bis 200 C eine ausreichende ',,'iclors tandskraf t auf v/eisenden V.'erkstof f. £in soldier Werkstoff ist beispielsweise* glasfaserverstärktes Epoxyharz.

Wie man aus Fig. 2 ersieht, sind die Rinnen 28 etwas breiter als die einzelnen Blöcke des MagnetJoches 16, so daß zwischen diesen Blöcken einerseits und den Vorsprüngen 27 mit den Leisten 17 bzw. den Leisten 17' andererseits zusätzliche Durchlässe 30 und 30' gebildet werden, die jeweils mit den Hohlräumen 10 und 10' in Verbindung stehen, die mittels der Vorsprünge 27 einerseits und der Leisten 17' andererseits am Boden und am Beginn der Aussparung in den Blöcken des Joches 18 gebildet werden.

Die Längstrennwand 19 weist an ihrem oberen und ihrem unteren Ende je eine Reihe von Durchlässen auf, die eine Verbindung zwischen der Außcnkatnmer 21 und den unterhalb und oberhalb des Induktors 12 gelegenen freien Räumen 13 und 14 herstellen.

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In dor Aufienkninmer ist an einer zwischen dem Auslaß ε und den o>>eren Durchlässen 22 gelegenen Stelle ein Organ 2^. angeordnet, mittels dessen unterschiedliche Druckverluste eingestellt werden können. Dieses Organ 24 ist in dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel eine starre Klappe 25, die um eine Achse 26 schwenkbar angeordnet ist, die senkrecht zu der Zeichenebene der Fig. verläuft. In der in Fig. 1 dargestellten Stellung der Klapp« 25 verursacht diese nur einen verhältnismäßig geringen Druckverlust, während sie in einer um 90 geschwenkten Stellung den Durchfluß durch diese Außenkammer vollständig absperrt.

Im Betrieb der Kokille wird in den Gießkanal kontinuierlich schmelzflüssiges Metall eingeleitet, der Induktor 12 angeschlossen und Kühlwasser mit einem Druck von ungefähr 0 bar in die Einlaßkammer 5 eingeleitet, von der es durch die Durchlässe 10 in die senkrechten Kanäle 4 strömt. Bei einem Gesamtdurchsatz von etwa 180 m Kühlmittel je Stunde betrug die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in diesen Kanälen infolge ihres kleinen Querschnitts zwischen 8 und 12 m/s. Hierbei wurde dem Gießstrang eine sehr große Wärmemenge entzogen, ohne daß sich die Temperatur des Kühlmittels infolge dieses Wärmeaustausches um mehr als

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10 C erhöht hätte. Aufgrund dieser nur geringfügigen Temperaturerhöhung kann dieser primäre Kühlmittelstrom anschließend auch noch zur Kühlung des Induktors 12 verwendet werden. Am oberen Ende der Kanäle 4 fließt das Kühlwasser durch die Durchlässe 11 in den oberhalb des Induktors 12 gelegenen Raum 13 der Auslaßkammer Hier teilt sich der primäre Kühlmittelstrom in zwei getrennte und parallel zueinander verlaufende Teilströme. Der eine durchströmt den ganzen, den Induktor 12 aufnehmenden Raum von oben bis unten zu dem Teilraum 14, aus dem das Kühlmittel durch die Durchlässe 23 in die seitliche Außenkammer 21 fließt. Der andere Teilstrom fließt durch die Durchlässe 22 in die seitliche Außenkammer 21, ohne irgendweöche Strömungswiderstände überwinden zu müssen.

Unter diesen Verhältnissen wählt verständlicherweise nur ein kleiner Teil des insgesamt in die seitliche Außenkammer 21 mündenden Kühlmittels den einen erheblichen Strömungswiderstand aufweisenden Weg durch den den Induktor 12 aufnehmenden Teil der Auslaßkammer 6. Bei einer zu Versuchszwecken gebauten Kokille hat es sich gezeigt, daß nur etwa ein Zehntel der zur Kühlung des Gießkanals erforderlichen Kühlmittelmenge zur Kühlung des bei Hochleistung betriebenen Induktors benötigt wird.

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Reicht die den Induktorraum durchströmende Kühlmittelr.ienge nicht aus, um eine ausreichende Kühlung des Induktors zu gewährleisten, so betätigt man die Ventilklappe 25, um don den Induktor kühlenden Teilstrom zu erhöhen.

Anstelle der in der Zeichnung dargestellten Drehklappe kann auch jedes andere Organ verwendet werden, das den Querschnitt der Außenkammer 21 verändert. Auch durch die Anordnung eines einfachen Hahns in der Abflußleitung 8 können die Strömungsverhältnisse im Sinne der Erfindung beeinflußt werden.

Die Verwirklichung des erfindungsgemäßen Gedankens ist selbstverständlich unabhängig von den konstruktiven Gegebenheiten des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels, also beispielsweise unabhängig vom Querschnitt der an die Gießkanalwand angrenzenden Kühlmittelleitung, von der Strömungsrichtung in den Kanälen 4 und auch unabhängig von der Art des zu gießenden Halbzeugs. Die Erfindung kommt vielmehr bei allen solchen Anordnungen zum Tragen, bei denen ein in den Kühlmittelkreislauf eingebauter Induktor oder auch eine andere Vorrichtung die für die Kühlung des Gießstrangs bzw. des Gießkanals vorgesehenen Bedingungen zu beeinträchtigen geeignet ist.

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Claims

27509A4 Λ 12 120 7.11.1977 -Jf- i - kt Patentansprüche

1. Kokille zum kontinuierlichen Gießen von Halbzeug mit einem den Gießkanal umgebenden, eine Einlaß- und eine Auslaßkamiaer für ein Kühlmittel aufweisenden Kühlmantel und einem in der Auslaßkammer angeordneten, die Fließ-, bewegung des Metalls unterstützenden elektromagnetischen Induktor, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auslaßkammer (6) ein Organ (24) zur Unterteilung des primären, den Gießkanal (1) kühlenden Kühl-Tiittelstroms in zwei Teilströme vorgesehen sind, von denen der eine nach Kühlung des Induktors (12) und der andere unmittelbar aus der Auslaßkammer (6) austritt.

2. Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Organ (24) zur Unterteilung des primären Kühlmittelstroms als Regelorgan (25) ausgebildet ist.

3. Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Auslaßkammer (6) eine Längstrennwand (19) aufweist, die die Kammer in eine den Induktor (12) aufnehmende Innenkammer und eine einen

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Auslaß (8) aufweisende Außenkammer (21) teilt, und in deren oberem und unterem Ende Durchlässe (22,23) zur Verbindung dieser beiden Teilkammern vorgesehen sind.

4. Kokille nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Organ (24) zur Unterteilung des primären Kühlmittelstroms als Absperrorgan (25) ausgebildet ist, das in der Außenkammer (21) zwischen dem Auslaß (8) und den in der Längstrennwand (19) in der Nähe des Einlasses des Kühlmittels in die Innenkammer vorgesehenen Durchlässen (22) angeordnet ist.

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