DE2819160A1

DE2819160A1 - Verfahren und vorrichtung zum kontinuierlichen vergiessen von in einer kokille rotierendem schmelzfluessigem metall

Info

Publication number: DE2819160A1
Application number: DE19782819160
Authority: DE
Inventors: Robert Alberny; Jean-Pierre Birat; Bernard Trentini
Original assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Current assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Priority date: 1977-05-18
Filing date: 1978-05-02
Publication date: 1978-11-30
Also published as: LU79676A1; IT7823555A0; DE2819160C2; IT1097255B; JPS53142924A; US4155398A; FR2391015B1; FR2391015A1; BE866998A

Description

DR.-ING. EUGEN MAIER

DR₁-ING. ECKHARD WOLF

TELEFON! (0711)24 27 61/2 TELEGRAMME: MENTOR

P ATE NTAN WALTE

7 STUTTGART 1, PISCHEKSTR, 19

DRESDNER BANK AG STUTTGART NR. 1920534 POSTSCHECK STQT. 252OO-7O8

A 12 175
24.4.1978
i - kt

INSTITUT DE RECHERCHES DE LA SIDERURGIE FRANCAISE

185, rue President Roosevelt Saint-Germain-en-Laye, Yvelines (Prankreich)

Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Vergießen von in einer Kokille rotierendem schmelzflüssigem Metall

ORIGINAL INSPECTED

609848/0631

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

PATENTANWÄLTE 9fi 1 Q 1

STUTTGART

A 12 24.4.1978 - 5" - i - kt

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Vergießen von in einer Kokille rotierendem schmelzflüssigen Metall sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist beispielsweise beim Stahlguß bekannt, daß kontinuierliche Gießverfahren, bei denen das schmelzflüssige Metall in einer Kokille um deren Achse rotiert, gegenüber den klassischen kontinuierlichen Gießverfahren zu einer Verbesserung der Qualität der Gußerzeugnisse, sowohl hinsichtlich ihrer Oberflächenreinheit als auch ihrer Beschaffenheit im Inneren führen. Die größere Oberflächenreinheit ist einerseits darauf zurückzuführen, daß sich auf der Oberfläche keine Schlackenkruste bildet, weil Schlacke und Kratze sich auf der freien Oberfläche des Metalls ansammelt, die infolge der Rotation des Gießstrangs eine konkave Wölbung aufweist, und andererseits darauf, daß beim Erstarren der äußersten Schicht in dieser die Zahl der nichtmetallischen Einschlüsse sich verringert, was auf eine Verlagerung dieser Einschlüsse in Richtung auf die Gießstrangachse zurückzuführen ist. Die Güteverbesserung im Inneren des Gießstrangs ist insbesondere auf eine Verringerung der Porosität und auf eine Unterdrückung der

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axialen Absonderung von Makrokristallen zurückzuführen, da sich eine breite Erstarrungszone äquiaxialer Kristalle auf Kosten einer geringeren peripheren Erstarrungszone mit Basaltcharakter ausbildet.

An kontinuierlichen Gießverfahren unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft sind zwei unterschiedliche Verfahren bekannt. Bei dem einen resultiert die zentrifugale Beschleunigung des schmelzflüssigen Metalls aus einer Rotation der Gesamtheit der einzelnen Elemente einer Gießvorrichtung einschließlich der Kokille selbst; bei dem anderen Verfahren wird die zentrifugale Beschleunigung des schmelzflüssigen Metalls mittels eines magnetischen Drehfeldes hervorgerufen, das von einem stationären Mehrphaseninduktor erzeugt wird, der im Kühlmantel der Kokille angeordnet ist. Dieses letztere Verfahren hat den Vorteil einer größeren Einfachheit, weil keines der mechanischen Teile der Vorrichtung eine Drehbewegung auszuführen braucht. Solche Verfahren können daher auch auf Gießvorrichtungen mit gekrümmten Teilen durchgeführt und zum Gießen von Gußstücken der verschiedensten Querschnitte verwendet werden. Bei der derzeitigen Entwicklung dieser beiden Verfahren bestehen zwischen den Erzeugnissen der beiden Verfahren keine Qualitätsunterschiede. Beiden Verfahren haftet jedoch der Nachteil an, daß sich nichtmetallische

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Einschlüsse in der axialen Zone der Gußerzeugnisse anreichern. Dies kann der Grund für Fehler sein, die an Walzerzeugnissen festgestellt werden, und insbesondere auch für Gußfehler im Innengefüge von Stahlrohren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden, was gemäß der Erfindung dadurch erfolgt, daß der in seinem Inneren noch flüssige Gießstrang am Ausgang der Kokille der Rotation entgegenwirkenden Kräften unterworfen wird. Die der Rotation entgegenwirkenden Kräfte werden vorteilhafterweise mittels eines Magnetfeldes erzeugt, dessen Kraftlinien den Gießstrang in einer zur Achse des Gießstrangs senkrechten Richtung verlaufen. Das Magnetfeld kann entweder stationär oder auch ein Drehfeld mit einem der Rotation des Gießstrangs entgegengesetzten Drehsinn sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch mittels eines magnetischen Feldes durchgeführt werden, dessen Kraftlinien eine Komponente in Richtung der Achse des Gießstrangs aufweisen. Das magnetische Drehfeld kann auch ein Wanderfeld sein, das sich in Richtung der Achse des Gießstrangs,vorzugsweise in Richtung des absinkenden Gießstrangs verschiebt.

Eine bevorzugte Durchführung des erfindungsgemäßen Ver-

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fahrens besteht darin, daß die auf den Gießstrang einwirkenden Kräfte an einer Stelle des Gießstrangs wirken, an der die Ausbildung einer Erstarrungsstruktur mit äguiaxialen Kristallen schon eingesetzt hat.

Wenn die Rotation des Gießstrangs auf mechanischem Weg hervorgerufen wurde, so werden die der Rotation des Gießstrangs entgegenwirkenden Kräfte an einer Stelle zur Wirkung gebracht, an der im Inneren des Gießstrangs sich noch keine ausreichend pastöse'Zone ausgebildet hat, die sich in ihrer Bewegung mit der äußeren bereits erstarrten Schicht des Gießstrangs verbindet.

Gegenstand der Erfindung ist des weiteren eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die der Drehbewegung des Gießstrangs entgegenwxrkenden Kräfte unterhalb der Kokille auf den Gießstrang einwirken. Diese Kräfte werden durch mindestens einen Elektromagnet mit einem stationären Magnetfeld erzeugt, dessen Kraftlinien senkrecht zur Achse des Gießstrangs verlaufen, und dessen Spalt vom Gießstrang durchflossen wird.

Die auf den Gießstrang in entgegengesetztem Drehsinn wirkenden Kräfte können auch durch einen stationären, den Gießstrang ringförmig umgebenden Induktor erzeugt werden,

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JiO

der von einem Mehrphasenstrom gespeist wird und ein Drehfeld mit senkrecht zu der Achse des Gießstrangs verlaufenden Kraftlinien erzeugt. Diese der Drehbewegung des Gießstrangs entgegenwirkenden Kräfte können auch von einem den Gießstrang umgebenden Solenoid hervorgerufen werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die der Drehbewegung des Gießstrangs entgegenwirkenden Kräfte durch einen stationären, den Gießstrang umgebenden Induktor erzeugt werden, der eine Mehrzahl gleichachsig übereinander angeordneter Spulen aufweist, die derart von einem Mehrphasenstrom gespeist werden, daß ein sich in Richtung der Achse des Gießstrangs bewegendes Wanderfeld erzeugt wird.

Alle diese Vorrichtungen dienen dem Zweck, die Drehbewegung des schmelzflüssigen Metalls des Gießstrangs am Ausgang der Kokille zu verringern bzw. ganz zu unterdrücken. Es soll damit weniger angestrebt werden, die Gesamtheit der Einschlüsse zu verringern, als ihre allzu starke Anreicherung im axialen Bereich des Gießstrangs zu vermeiden und sie auf ein größeres Volumen des flüssigen Metalls zu verteilen. Hierbei geht man von folgender Überlegung aus: Die Anhäufung der Einschlüsse im Inneren des Gießstrangs ist

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τ c 10 1 en ²⁴·⁴·¹⁹⁷⁸ ■-ie-- i 8 1 9 1 6 Q i-kt

eine unmittelbare Folge der Rotatxonsbewegung des Gießstrangs, die dem flüssigen Metall schon beim Eingießen in die Kokille erteilt wird und die sich beim Absinken des Gießstrangs in der Kokille erhält. Diese Überlegung stützt sich auf die Tatsache, daß bei mechanischer Erzeugung der Drehbewegung die Rotation des flüssigen Metalls unterhalb der Kokille durch das Verfahren selbst hervorgerufen wird, da sich der. gesamte Gießstrang um seine Achse dreht. Bei der auf elektrischem Weg hervorgerufenen Drehbewegung wird jedoch ausschließlich das in der Kokille vorhandene flüssige Metall einer zentrifugalen Beschleunigung unterworfen. Die in der Kokille hervorgerufene zentrifugale Beschleunigung setzt sich verständlicherweise bei absinkendem Gießstrang fort. Das Vorhandensein dieser sekundären, oder auch restlichen zentrifugalen Beschleunigung unterhalb der Kokille ergibt sich aus der Tatsache, daß die Erstarrungsstruktur der Gußerzeugnisse gleich derjenigen ist, die man bei bekannten Verfahren mit einer elektromagnetisch hervorgerufenen Durchwirbelung in der sekundären Abkühlungszone einer kontinuierlichen Gießvorrichtung erhält. Jede Einwirkung auf das flüssige Metall, die < der Drehbewegung unterhalb der Kokille entgegenwirkt, führt somit bezüglich der Verteilung der Einschlüsse zu einer größeren Homogenität im weiter innen gelegenen Bereich eines Gußerzeugnisses infolge einer Dispergierung der nichtmetallischen Einschlüsse

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in dem ganzen zur Verfugung stehenden, von flüssigem Metall erfüllten Volumen an der Stelle, an der die der Drehbewegung entgegenwirkenden Kräfte wirksam sind. Es leuchtet ein, daß diese dispergierende Wirkung um so nachhaltiger ist, je größer das diese Dispergierung ermöglichende Volumen flüssigen Metalls ist. Hieraus ergibt sich des weiteren, daß die Wirkung der die Drehbewegung hemmenden Kräfte um so größer ist, je höher die Stelle der Einwirkung unterhalb der Kokille, vorteilhafterweise somit unmittelbar unter der Kokille, gelegen ist. Es können jedoch, wie im folgenden ausgeführt wird, auch Gründe dafür sprechen, diese Stelle etwas weiter nach unten zu verlagern.

Die Erreichung desmit dem erfindungsgemäßen Verfahren angestrebten Zwecks könnte praktisch auch mit anderen, an sich bekannten speziellen Mitteln verwirklicht werden, wie beispielsweise mittels einer mechanischen oder auch durch Hindurchleiten von Gas bewirkten Durchwirbelung. Dem Einsatz elektromagnetischer· Mittel ist jedoch im Hinblick auf deren bekannte Vorteile der Vorzug zu geben, die in der einfacheren Durchführung des Verfahrens, in der Unterhaltung der diesbezüglichen Vorrichtungen und auch in der einfachen Anpassung bestehender, kontinuierlich arbeitender Gießvorrichtungen liegen. Die einzige notwendige Bedingung, die bei Anwendung dieses Verfahrens zu beachten ist, ist die-

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jenige, daß die Richtung des magnetischen Feldes nicht parallel zu der Richtung der Relatiwerschiebung zwischen Magnetfeld und Gießstrang verläuft. Wie schon ausgeführt wurde, wird bei einem der beiden vorbekannten Verfahren die Rotation des flüssigen Metalls mittels eines Magnetfeldes bewirkt, das sich senkrecht zur Achse des Gießstrangs erstreckt und sich um diese Achse dreht. Im Gegensatz hierzu dient das Magnetfeld bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dazu, die Drehbewegung des flüssigen Metalls aufzuheben oder mindestens ihr entgegenzuwirken. Die Eigenschaften des magnetischen Feldes können hierbei verschieden sein, sofern nur die eine vorgenannte Bedingung erfüllt wird, daß das Magnetfeld nicht parallel zu der Richtung der Relativverschiebung zwischen dem Gießstrang und dem Magnetfeld selbst verläuft, also, mit anderen Worten, daß die Kraftlinien des magnetischen Feldes keine Drehbewegung um die Achse des Gießstrangs ausführen dürfen. Das Magnetfeld kann somit den Gießstrang durchsetzen, sei es in einer Richtung senkrecht zur Achse des Gießstrangs oder auch in einer Richtung parallel zu dieser Achse oder sei es, allgemein gesprochen, in einer Richtung, die eine von Null verschiedene Komponente in einer in radialer Richtung sich erstreckenden Achsenebene aufweist.. Andererseits braucht das Magnetfeld nicht unbedingt beweglich zu sein, da die Relativverschiebung zwischen dem Gießstrang und ihm selbst automatisch durch die dem flüssigen Metall schon vorher

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in der Kokille erteilte Drehbewegung gewährleistet ist. Das Magnetfeld kann daher stationär sein. Als solches kann es sowohl ein Feld mit wechselnder als auch gleichbleibender Magnetstärke sein. Einem Magnetfeld mit gleichbleibender Stärke wird jedoch der Vorzug gegeben, da dieses die Möglichkeit bietet, einerseits unerwünschte Schwingungserscheinungen des flüssigen Metalls und andererseits eine nicht erwünschte Erhöhung der Blindleistung im Speisenetz zu vermeiden.

Die Verwendung eines beweglichen Magnetfeldes, beispielsweise eines sich um die Achse des Gießstrangs in einem der Rotation des flüssigen Metalls entgegengesetztem Drehsinn rotierenden Magnetfeldes trägt bekanntlich zu einer

Verstärkung der elektromagnetischen Bremskraft bei. Unter diesem Gesichtspunkt erscheint eine solche Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft. Man weiß jedoch, daß in diesem Fall die bereits erstarrte Gußhaut eine das Magnetfeld um so nachhaltiger abschirmende Wirkung hat, je größer die Drehgeschwindigkeit des magnetischen Feldes ist. Die Überlagerung dieser beiden einanderentgegenwirkenden Effekte führt somit unter bestimmten Bedingungen zu einer Abschwächung der von der elektromagnetischen Kraft auf das flüssige Metall ausgeübten Wirkung.

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In der nachstehenden Tabelle sind die verschiedenen Ein— satzmöglichkeiten des magnetischen Feldes dargestellt.

>w Art des	Beweglich	Stationär
^v Feldes
Richtung^^^	Um die Achse des	Wechselnde oder
des Feldes x.	Gießstranges	konstante Feld
Senkrecht zur	rotierend	stärke
Achse des Gieß	ω
stranges	In Richtung der	Wechselnde oder
	Achse des Gieß	konstante Feld
Parallel zur	stranges sich be-	stärke
Achse des Gieß	*lnf ^^ ^j ^SS Jl%tfL** M	M
stranges

Die in Klammern gesetzten Zahlen bezeichnen die jeweils verwendeten Vorrichtungen.

Diese Vorrichtungen sind in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stranggußanlage;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Gießstrang mit einer ein magnetisches Drehfeld mit zur Gießstrangachse

senkrechten Kraftlinien erzeugenden Vorrichtung; 80984S/0631

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4*- -1 Q 1 Q 1 C Π i-kt

281916Q

Fig. 3 einen waagerechten Schnitt nach der Schnittlinie A-A der Fig. 2;

Fig. 4 einen waagerechten Schnitt durch den Gießstrang mit einem ein stationäres magnetisches Feld senkrecht zur Achse des GießStrangs erzeugenden Elektromagnet;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch den Gießstrang mit von zwei Elektromagneten senkrecht zur Achse des Gießstrangs erzeugten Magnetfeldern;

Fig. 6 einen Längsschnitt durch den Gießstrang mit einer den Gießstrang umschließenden, ein stationäres Magnetfeld in Richtung der Gießstrangachse erzeugenden Spule;

Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen von mehreren, ein in Richtung der Gießstrangachse wanderndes Magnetfeld erzeugenden Spulen umschlossenen Gießstrang.

Die in Fig. 1 dargestellte Stranggußanlage weist eine wassergekühlte Kokille 1 auf, die aus einer Düse 2 mit schmelzflüssigem Metall gespeist wird. Innerhalb eines vom Kühlwasser durchflossenen Ringraums ist ein elektromagnetischer Induktor 3 angeordnet, der ein magnetisches Drehfeld mit senkrecht zur Kokillenachse verlaufenden Kraftlinien erzeugt. Dieses Drehfeld bewirkt eine Rotations-

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bewegung des flüssigen Metalls, deren Geschwindigkeit mit absinkendem Gießstrang 5 zunimmt. Unterhalb der Kokille sind Stützrollen 6 angeordnet. Im Bereich dieser Stützrollen 6 wird der Gießstrang 5 mittels aus Sprühdüsen 8 einer Kühlwasserzuleitung 7 austretendem Wasser gekühlt, so daß er in einer als metallurgische Länge bezeichneten Entfernung L von der Metalloberfläche 9 in seinem ganzen Querschnitt erstarrt ist. Innerhalb dieses Bereichs L bildet das flüssige Metall 11 einen langgestreckten konischen Schacht. Unter der Kokille 1 und oberhalb der Sprühdüsen ist in unmittelbarer Nähe des Gießstrangs ein elektromagnetischer Induktor 10 angeordnet, der, wie in den Figuren 2 bis 7 dargestellt, unterschiedlich aufgebaut sein kann.

Die der Ziff. JjLj der vorstehenden Tabelle entsprechende Ausbildung des Induktors 10 ist in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Dieser Induktor erzeugt ein magnetisches Drehfeld senkrecht zur Achse 4 des Gießstrangs mit einem Drehsinn, der der Richtung der dem Gießstrang in der Kokille aufgezwungenen Drehbewegung entgegengesetzt ist. Ein solcher Induktor ist in der FR-PS 2 211 305 beschrieben. Der Induktor ist in einem von Kühlwasser durchflossenen ringförmigen Behälter 12 angeordnet. Er weist in Längsaussparungen 14 eines Pakets 15 aus magnetischen Blechen

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angeordnete Wicklungen 13 auf, deren untere und obere Wicklungsköpfe 18 und 21 vom Kühlwasser gekühlt werden, das durch einen Stutzen 16 in den Ringbehälter 12 einströmt, zwischen der Außenwandung 17 und dem Blechpaket nach unten strömt, dann nach innen umgelenkt wird, durch den von der Innenwandung 20 und dem Blechpaket 15 gebildeten Ringraum 19 nach oben strömt und durch den Stutzen 22 abfließt. Der Anschluß der Windungen 13 an ein Dreiphasennetz 24 erfolgt in dem Kasten 23.

Die beiden in den Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiele entsprechen einer Ausbildung des Induktors nach Ziff. £2J der Tabelle. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird das senkrecht zur Achse 4 des Gießstrangs sich erstreckende Magnetfeld mittels eines einen U-förmigen Kern 26 aufweisenden Elektromagneten 25 erzeugt, auf dessen Steg eine Wicklung 27 aufgebracht ist. Der Gießstrang 5 durchläuft den Magnetspalt, um den magnetischen Kreis möglichst vollständig zu schließen.

Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel hat gegenüber dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel den Vorteil einer gedrängteren Bauweise. Der Induktor 28 besteht aus zwei gleichen Elektromagneten 29 und 29·, die zu beiden

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Seiten des Gießstrangs 5 angeordnet sind, deren magnetische Kerne jedoch im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 in Längsrichtung des Gießstrangs angeordnet sind. Diese Anordnung erlaubt es, zwischen den Schenkeln der U-förmigen Kerne Stützrollen 6 anzuordnen. Infolge der gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 doppelten Anzahl der Magnetpole wirkt sich das Magnetfeld besonders stark auf den Gießstrang aus.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 entspricht einer Ausbildung des Induktors nach Ziff. £4~[ der Tabelle. Der elektromagnetische Induktor 30 besteht aus einem den Gießstrang 5 umschließenden, aus einem flachen Leiter gebildeten Solenoid, das an den mit Pfeilen angedeuteten Enden an eine Stromquelle angeschlossen ist.

Das in Fig. 7 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht einer Ausbildung des Induktors nach Ziff. £V] der Tabelle. Die hierbei verwendete elektromagnetische Einrichtung stimmt mit derjenigen überein, die in der DAS 2 448 275 beschrieben ist. Der Induktor 32 stellt den Stator eines Linearmotors dar und besteht aus 6 gleichachsig übereinander angeordneten Spulen 33. Jede Spule besteht aus einer Vielzahl von um die Achse 4 des Gießstrangs gewickelten Windungen, die in einem Kabelkasten 34 an ein Dreiphasen-Stromnetz angeschlossen sind. Der Induktor besteht aus

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drei Gruppen zu je zwei Spulen, die paarweise in Gegenschaltung in Serie miteinander verbunden sind, wobei jede Gruppe an eine Phase des Netzes angeschlossen ist, so daß sich im Spalt des Induktors ein Magnetfeld ausbildet, das sich in Richtung der Achse des Gießstrangs verschiebt. Die Verschieberichtung des magnetischen Wanderfeldes kann durch eine einfache Vertauschung der Reihenfolge der Phasen umgekehrt werden. Vorteilhafterweise werden die Spulen so geschaltet, daß sich das magnetische Wanderfeld in Richtung des absinkenden Gießstrangs bewegt, da auf diese Weise zusätzlich zu der die Rotationsbewegung des flüssigen Metalls hemmenden Wirkung das abwärtsgleitende Magnetfeld auf das flüssige Metall, das sich in der an die bereits erstarrte Außenschicht angrenzenden Zone befindet, eine die Absinkbewegung fordernde Wirkung ausübt. Es entsteht hierbei in dem der Wirkung des Magnetfelds ausgesetzten Volumen des flüssigen Metalls ein dauernder Kreisstrom, wobei das flüssige Metall in der äußeren Zone absinkt und in der achsennahen Zone aufsteigt. Auf diese Weise werden die nichtmetallischen Einschlüsse, die sonst das Bestreben haben, sich in der Mitte des Gießstrangs anzusammeln, über das ganze von flüssigem Metall erfüllte Volumen verteilt. Der durch diese in der Nähe der erstarrten Stranghaut auftretenden Konvektionsstromungen hervorgerufene Effekt der Abscherung wirkt darüber hinaus der Bildung einer dentri·

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tischen Erstarrungszone mit Basaltcharakter entgegen. Diese Art von Induktor eignet sich daher für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens am besten. Bezüglich der Wahl der elektromagnetischen Parameter ist festzustellen, daß die Dispergierung der nichtmetallischen Einschlüsse um so wirksamer ist, je größer die magnetische Feldstärke ist, was sich in der folgenden Gleichung ausdrücken läßt:

_B2 _β ζ χ In [( V₁ - K) / (V_f - K)J

In dieser Formel bedeuten:

B =s die Stärke der magnetischen Induktion in Tesla

ζ = die spezifische Masse des flüssigen Metalls ^ bei der jeweiligen Temperatur (etwa 7000 kg/m )

Y* = die elektrische Leitfähigkeit des flüssigen ,-

Metalls, in Siemens je Meter (etwa 6,25 χ 10 S/m)

V. und V_f = die Rotationsgeschwindigkeit des flüssigen ¹ Metalls im Zeitpunkt des Eintritts in die Wirkungszone des Induktors bzw. des Austritts aus dieser Zone, in Umdrehungen/s,

K = die Rotationsbeschwindxgkeit des magnetischen Feldes, in Umdrehungen/s, wobei die Geschwindigkeitswerte im Drehsinn des Metalls positiv gewertet werden,

s Die Aufenthaltsdauer des flüssigen Metalls in der Wirkzone des Induktors, in Sekunden.

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Im folgenden sollen zwei Fälle in Betracht gezogen werden. Das Magnetfeld kann entweder stationär, mit konstanter oder wechselnder Feldstärke, oder in einer Richtung senkrecht zu der dem flüssigen Metall aufgezwungenen Rotationsbewegung, also in Richtung der Achse des Gießstrangs, beweglich sein. In diesem Fall ist k = Null und die der dem Metall aufgezwungenen Drehbewegung entgegenwirkende elektromagnetische Kraft kann für sich allein die restliche Drehbewegung nicht unterdrücken (V_f = Null), es sei denn, daß die Stärke des magnetischen Feldes oder die Aufenthaltsdauer des flüssigen Metalls in der Wirkzone des Induktors sehr groß ist, was in den beiden vorgenannten Fällen praktisch nicht zu verwirklichen ist. Versuche haben gezeigt, daß eine zufriedenstellende Dispergierung der nichtmetallischen Einschlüsse erreicht wird, wenn die restliche Drehbewegung auf einen Wert vermindert wurde, der etwa 30 Umdrehungen/Minute nicht übersteigt. Man kann also davon ausgehen, daß der Wert für V_f etwa bei 0,5 Umdrehungen/s liegt. Andererseits muß man bei rotierendem Magnetfeld die Überlagerung der tatsächlichen Rotationsgeschwindigkeit des flüssigen Metalls und die Rotationsgeschwindigkeit des magnetischen Drehfelds selbst berücksichtigen. Wenn man vorteilhafterweise den Drehsinn des rotierenden Magnetfeldes entgegengesetzt demjenigen der Rotationsbewegung des flüssigen Metalls wählt, so summieren sich die betreffenden Modul der Geschwindigkeiten des magnetischen Feldes und des flüssigen Metalls.

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Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen im folgenden zwei Zahlenbeispiele für die Durchführung des Verfahrens mit einem stationären und einem eine Drehbewegung ausführenden Magnetfeld beschrieben werden. Die Absinkgeschwindigkeit des Gießstrangs betrage etwa 4 m/min. Die Länge der innerhalb des Induktors gelegenen Wirkzone beträgt etwa 50 cm, was der Größe eines Induktors entspricht, wie er zu Zwecken der magnetischen Durchwirbelung bei Stranggußverfahren in der Sekundär-Kühlzone verwendet wird. Die Verweilzeit des flüssigen Metalls in der Wirkzone des Induktors beträgt somit etwa 7,5 see. Die Rotationsgeschwindigkeit des flüssigen Metalls beträgt beim Eintritt in diese Zone ungefähr 120 Umdrehungen/min.

Setzt man diese Werte in die vorgenannte Formel ein, so sieht man, daß sich im Falle eines stationären Magnetfeldes eine Magnetische Induktion B von etwa 500 Gauss ergibt.

Im Fall eines magnetischen Drehfeldes mit einem der Drehbewegung des flüssigen Metalls entgegengesetzten Drehsinn erhält man für die magnetische Induktion B bei einer Umdrehungszahl des magnetischen Drehfeldes von 50 Umdrehungen/sec etwa 70 Gauss. Dieser Wert entspricht der Stärke des Magnetfeldes in dem flüssigen Metall. Es ist bekannt, daß das Magnetfeld sich beim Durchgang durch die erstarrte Haut

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des Gießstrangs abschwächt. Bei Rotationsgeschwindigkeiten von etwa 50 Umdrehungen/sec kann diese Abschwächung etwa zu 30% veranschlagt werden. Hieraus ergibt sich,,daß die magnetische Induktion an den Polen des Induktors etwa 100 Gauss betragen muß. Hieraus sieht man, daß der Vorteil der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem magnetischen Drehfeld darin besteht, daß Magnetfelder von einer wesentlich geringeren Stärke als im Falle eines stationären Feldes verwendet werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mit einer solchen Anordnung die restliche Rotationsgeschwindigkeit vollkommen aufgehoben werden kann (V-= Null).

Diese Überlegungen betrafen die Stärke der elektromagnetischen Einwirkung auf den Jießstrang im Verhältnis zu der Dauer dieser Einwirkung. Nunmehr soll der Einfluß der Lage der Einwirkungszone innerhalb des metallurgisch wirksamen Bereichs untersucht werden.

Es leuchtet ein, daß die Verteilung der nichtmetallischen Einschlüsse in dem Gießstrang um so wirksamer ist, je früher, d.h. je näher an der Kokille gelegen das magnetische Feld zur Wirkung gelangt, da an dieser Stelle der zur Verfugung stehende Querschnitt flüssigen Metalls am größten ist.

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Es wurde jedoch schon darauf hingewiesen, daß mit Stranggußverfahren unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft, wie überhaupt mit allen Stranggußverfahren mit einer Durchwirbelung des flüssigen Metalls in erster Linie der Zweck erreicht werden soll, im mittleren Bereich des Gießstrangs die Erstarrungszone mit Basaltstruktur zu unterdrücken .und sie durch eine Zone zu ersetzen, in der die Erstarrungsstruktur einen sogen, äquiaxialen Charakter aufweist. Man geht hierbei allgemein von der Annahme aus, daß die dem Metall aufgezwungenen, auf einer Konvektionsströmung beruhenden Bewegungen eine entscheidende Rolle unter den für diesen Effekt verantwortlichen Faktoren spielen. Unter diesem Gesichtspunkt erscheint es wünschenswert, das flüssige Metall möglichst lange in rotierender Bewegung zu halten.

Es besteht somit im Grunde eine Unverträglichkeit zwischen zwei der Durchführung solcher Stranggußverfahren bzw. ihrer Beeinflussung mittels eines Magnetfeldes zugrundeliegenden Aufgaben,nämlich der Erzielung einer möglichst weitgehenden Freiheit von nichtmetallischen Einschlüssen einerseits und der Erzielung einer metallurgisch optimalen Erstarrungsstruktur andererseits. Es verbleibt somit eine gewisse Zwiespältigkeit hinsichtlich der Wahl der Stelle für die Einwirkung des Magnetfeldes auf den Gießstrang.

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Diese Unverträglichkeit ist jedoch nur eine scheinbare, da Untersuchungen gezeigt haben, daß, von Ausnahmefällen abgesehen, wenn die Bildung einer Zone mit Basaltstruktur einmal zugunsten einer Erstarrungszone mit äquiaxialer Struktur unterbrochen ist, die Ausbildung der erstgenannten Zone nicht wieder einsetzt, und zwar unabhängig von den in dem flüssigen Metall von dem Magnetfeld hervorgerufenen Konvektionsströmungen.

Es ergibt sich somit, daß eine vorteilhafte Lösung dieses Problems darin besteht, die Einwirkung des Magnetfeldes an einer Stelle des erstarrenden Gießstrangs vorzunehmen, an der die Ausbildung der äquiaxialen Erstarrungsstruktur schon begonnen hat. Dies setzt jedoch voraus, festzustellen, in welcher Höhe des erstarrenden Gießstrangs die Ausbildung der Zone mit basaltischer Erstarrungsstruktur aufhört und die Ausbildung der Zone mit äquiaxialer Erstarrungsstruktur beginnt, was um so weniger einfach ist, als diese Höhe im

Verlauf eines und desselben Gusses aufgrund unvermeidlicher Änderungen bestimmter Parameter schwankt, wie beispielsweise Geschwindigkeit des Gusses, Überhitzung des in die Kokille eingeleiteten Metalls, oder aufgrund von Parametern, die sich beim Übergang vom Gießen eines bestimmten Erzeugnisses auf ein anderes, abweichende Abmessungen aufweisendes Erzeugnis verändern.

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Eine weitere günstigere Lösung dieses Problems besteht darin, die Rotationsbewegungen des flüssigen Metalls um die Achse des Gießstrangs durch kreisförmige Bewegungen des Metalls längs der Achse des Gießstrangs zu ersetzen, indem man beispielsweise auf den Gießstrang ein magnetisches Wanderfeld wirken läßt, das mit einem Induktor gemäß der Fig. 7 erzeugt wird. Die Durchführung dieses Verfahrens läßt unter dem Gesichtspunkt der dem flüssigen Metall aufgezwungenen Konvektionsströmungen im Verlauf des Erstarrens des Gießstrangs die Ausbildung einer breiten Zone mit äquiaxialer Erstarrungsstruktur zu.

Es ist ersichtlich, daß diese Lösung des Problems den Vorteil bietet, die Stelle der Einwirkung des Magnetfeldes auf den Gießstrang innerhalb der gesamten gewünschten Breite zu wählen und insbesondere unmittelbar unter der Kokille, wo das zur Verfügung stehende Volumen das flüssigen Metalls am größten ist.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht auf die angegebenen Beispiele beschränkt, sie umfaßt vielmehr jedwede Einwirkung auf das flüssige Metall, die der dem Gießstrang in der Kokille aufgezwungenen Rotationsbewegung entgegenwirkt. Auch die zu diesem Zweck verwendeten elektromagnetischen Vorrichtungen können von den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen abweichen, sofern die das

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flüssige Metall durchsetzenden Kraftlinien des Magnetfeldes eine von Null verschiedene Komponente in einer Ebene senkrecht zur Richtung der verbleibenden Rotationsbewegung des flüssigen Metalls aufweisen. Die Erfindung umfaßt des weiteren jede Vorrichtung zur Durchführung eines Stranggußverfahrens unter Ausnutzung der mechanisch oder elektromagnetisch hervorgerufenen Zentrifugalkraft, unabhängig von der Querschnittsform der jeweiligen Gußerzeugnisse.

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Bei Vorrichtung mit mechanisch hervorgerufener Zentrifugalkraft empfiehlt es sich, den das auf den Gießstrang einwirkende Magnetfeld erzeugenden Induktor nicht zu tief in der sekundären Kühlzone anzuordnen, da hierbei die Gefahr besteht, daß die der Einwirkung des Magnetfeldes ausgesetzte metallische Masse schon einigermaßen pastös ist und somit eine ausreichende Konsistenz aufweist, um trotz der Beeinflussung durch das Magnetfeld während ihrer Rotation in Haftverbindung mit der bereits erstarrten Außenhaut des Gießstrangs zu bleiben bzw. an dieser zu erstarren.

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Claims

DR.-ING. EUGEN MAIER DR.-ING. ECKHARD WOLF PATENTANWÄLTE STUTTGART A 12 175 24.4.1978 i - kt Patentansprüche

1. Verfahren zum kontinuierlichen Vergießen von in einer Kokille rotierendem schmelzflüssigem Metall, dadurch gekennzeichnet , daß der in seinem Inneren noch flüssige Gießstrang am Ausgang der Kokille der Rotation des Gießstranges entgegenwirkenden Kräften unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die der Rotation entgegenwirkenden Kräfte von einem Magnetfeld erzeugt werden, dessen Kraftlinien den Gießstrang in einer Richtung durchsetzen, die in mindestens einer zur Rotationsbewegung des flüssigen Metalls senkrechten Ebene eine von Null verschiedene Komponente aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kraftlinien des Magnetfeldes den Gießstrang in einer Richtung senkrecht zur Achse des Gießstrangs durchsetzen.

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A 12 175 24.4.1978 - 2 - i - kt

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kraftlinien des Magnetfeldes in der Achse des Gießstrangs eine mit dieser übereinstimmende Richtung aufweisen.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Magnetfeld stationär ist.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Magnetfeld um die Achse des Gießstrangs in einem der Rotation des Gießstrangs entgegengesetzten Drehsinn rotiert.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Magnetfeld durch ein in Richtung der Achse des Gießstrangs sich verschiebendes Vanderfeld ausgebildet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das magnetische Wanderfeld sich in Absinkrichtung des Gießstrangs bewegt.

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9. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Magnetfeld auf den Gießstrang beim Verlassen der Kokille an einer Stelle vor der Bildung einer aquiaxialen Kristallstruktur einwirkt.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, mit mechanisch bewirkter Rotation des Gießstrangs, dadurch gekennzeichnet , daß die Einwirkung der der Rotation entgegenwirkenden Kräfte an einer Stelle erfolgt, an der im Inneren des Gießstrangs sich noch keine zu einer Verfestigung mit der bereits erstarrten Außenzone ausreichend pastose Zone gebildet hat.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Kokille (1) Teilvorrichtungen angeordnet sind, mittels derer das im Inneren des Gießstrangs (5) noch flüssige Metall Kräften unterworfen wird, die der Drehung des Gießstrangs (5) entgegenwirken.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Teilvorrichtungen durch mindestens einen Elektromagnet (25,29) gebildet werden, der ein stationäres Magnetfeld mit senkrecht zur Achse (4) des Gießstrangs (5) verlaufenden Kraftlinien erzeugt und

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A 12 175 24.4.1978 - 4 - 1 - kt

dessen Spalt vom Gießstrang (5) durchflossen wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Teilvorrichtungen durch einen stationären, den Gießstrang (5) umschließenden, von einem Mehrphasenstrom gespeisten Induktor (12) gebildet werden, der ein Drehfeld mit senkrecht zur Achse (4) des Gießstrahls (5) verlaufenden Kraftlinien erzeugt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Teilvorrichtungen durch ein den Gießstrang (5) umgebendes Solenoid (30) gebildet werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Teilvorrichttmgen durch einen stationären, den Gießstrang (5) umschließenden Induktor (32) gebildet werden, der eine Anzahl koaxial übereinander angeordneter, von einem Mehrphasenstrom gespeister Spulen (33) aufweist und ein in Richtung der Gießstrangachse (4) sich verschiebendes Wanderfeld erzeugt.

16. Gußerzeugnis, das nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt wurde.

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