DE2830284A1

DE2830284A1 - Verfahren und vorrichtung zum leiten von fluessigen metallstroemen ohne wandungen, insbesondere zur zentrierung, leitung oder erzeugung bzw. erhaltung ihrer kreisfoermigen form

Info

Publication number: DE2830284A1
Application number: DE19782830284
Authority: DE
Inventors: Marcel Garnier; Rene Jean Moreau
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1977-07-12
Filing date: 1978-07-10
Publication date: 1979-01-25
Also published as: US4216800A; SE431410B; GB2001883A; FR2397251A1; JPS5418425A; JPS6215856U; DE2830284C2; GB2001883B; SE7807720L; CA1123896A; FR2397251B1

Description

PATENTANWÄLTE RUFF und BEIER STUTTGART

Dipl.-Chem. Dr. Ruft Neckarstraße so

D i ρ ..-I η ₀. J. B e i e r

h Tel.: CO711}

Τθϊθχ Ο7-23412 erub d

10. Juli 1978 JB/Sb

A 17 360

Anmelderin: AGENCE NATIONALE DE VALORISATION DE LA RECHERCHE (ANVAR ) 13, rue Madeleine Michelis F-92522 Neuilly sur Seine

Verfahren und Vorrichtung zum Leiten von flüssigen Metallströmen ohne Wandungen, insbesondere zur Zentrierung, Leitung oder Erzeugung bzw. Erhaltung ihrer kreisförmigen Form

Die Erfindung bezieht sich auf die Leitung von Strömungen oder Strömen von flüssigem Metall, insbesondere zur Zentrierung, Leitung oder Korrektur ihrer zylindrischen Form, wobei dieses ohne Wandungen zur Kanalisation dieser Ströme geschehen soll.

Sie ist bei allen flüssigen Metallen anzuwenden, insbesondere Aluminium, Stahl, Kupfer, Uran und Edelmetallen sowie bei ihren Legierungen.

Durch das Fehlen von Wandungen werden die Probleme, die gewöhnlich bei dem Kontakt zwischen dem Metall oder der flüssigen Legierung und diesen Wänden auftreten, beseitigt. Ein solcher Kontakt bringt einerseits eine chemische Verschmutzung des flüssigen Metalls von den die Wände bildenden hitzebeständigen Materialen mit sich und andererseits eine physische Verschmutzung durch die in ihrer Umgebung stattfindende Bildung von Dendriten oder Körnern mit bedeutender Größe, die stark die Qualität des erhaltenen Metalls verändern. Die Gefahren der Verstopfung oder der Erosion der Wandungen sind ebenso beseitigt. Wenn man es wünscht, kann man die Leitung oder die Kanalisation der flüssigen Ströme auch unter einer kontrollierten Atmosphere durchführen,

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Die Erfindung bietet sich für zahlreiche Anwendungen an: unterbrochenes, halbkontinuierliches oder kontinuierliches Fließen, kontinuierliche Bildung von Knüppeln oder Barren geringen Durchmessers oder von Metalldrähten, Ablösung eines flüssigen Metallstromes von den ihn umgebenden Wänden.

Sie besteht darin, daß in Bezug auf das Verfahren ein flüssiger Metallstrom zumindest einem mehrpoligen, drehenden, hochfrequenten Magnetfeld ausgesetzt ist zur Erzeugung von Induktionsströmen in dem Oberflächenbereich (Haut) des Stromes, wobei die Geometrie dieses Feldes derart ausgebildet ist, daß seine Amplitude von einer Linie bzw. Zone mit minimaler Amplitude zur Ausrichtung der Längsachse des Stromes auf diese:Linie bzw. Zone stark ansteigt. Es kann ferner eine Einrichtung vorgesehen sein, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine geradzahlige Serie von elektrischen Leitern enthält, die im allgemeinen nach den Mantellinien eines Prismas oder Zylinders angeordnet sind, dessen gerad- oder krummlinige Achse mit der dem flüssigen Metallstrom zu gebenden Längsachse übereinstimmt, und Einrichtungen, um zu einem bestimmten Zeitpunkt entlang von zwei am Umfang des Prismas oder Zylinders aufeinanderfolgenden Leitern hochfrequente Wechselströme in entgegengesetzter Richtung durchzuleiten. Man kann weiterhin vorsehen, daß die Einrichtung eine zweite geradzahlige Serie von elektrischen Leitern enthält, die alternierend mit den Leitern der ersten Serie auf den Mantellinien des genannten Prismas oder Zylinders angebracht sind, und Einrichtungen, um zu einem bestimmten Zeitpunkt entlang von zwei am Umfang des Prismas oder Zylinders aufeinanderfolgenden Leitern der zweiten Serie hochfrequente Wechselströme in entgegengesetzter Richtung durchzuleiten. In dem Falle, wo zwei Leiterserien gerader Anzahl vorhanden sind, kann man vorsehen, daß die Frequenzen der entlang der Leiter der zwei Serien durchlaufenden Ströme verschieden sind.

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Die Erfindung betrifft also das Zentrieren, Leiten und die Forrakorrektur von flüssigen Strömen verschiedener Metalle. Eine Serie von elektrischen Leitern A, B, C, D in gerader Anzahl sind nach den Mantellinien eines Prismas angeordnet, dessen Achse X mit der dem Strom V auferlegten Achse kongruiert. Durch je zwei aufeinanderfolgende Leiter werden hochfrequente Wechselströme in jeweils entgegengesetzter Richtung geleitet. Die Erfindung ist bei verschiedenen Fließarten anwendbar.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.

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Fig. 1 und 2 sind zwei Schnittschemata, jeweils senkrecht zu der dem Metallstrom aufzuzwingenden Bahn und entlang dieser angenommenen Bahn geradlinig. Sie stellen die Erfindung im Falle einer einzigen Leiterserie dar.

Fig. 3 bis 6 stellen die Erfindung im Falle zweier Leiterserien dar, und die Figuren, die im Schnitt senkrecht zu der Achse sind, entsprechen den vier aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, die durch Viertelperioden (des Wechselstroms mit Hochfrequenz, der die Leiter der zwei Serien durchläuft) getrennt werden.

Fig. 7 ist ein Schnitt durch die genannte Achse und wird im Falle von zwei LeiterSerien angewandt und wenn die Frequenzen der Wechselströme, die die Leiter der zwei Serien durchlaufen, unterschiedlich sind.

Fig. 8 bis 11 sind senkrechte Schnitte zu der Achse in dem Falle, wie in Fig. 7 dargestellt, und entsprechen den vier aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, die durch eine Zeitdauer in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den zwei vorhergenannten Frequenzen getrennt sind.

Fig. 12 zeigt im zu der Achse senkrechten Schnitt den Zustand einer großen Anzahl von Leitern, die in zwei Serien verteilt sind.

Fig. 13 stellt perspektivisch eine Ausführungsform einer Leiterserie dar, die dazu geeignet ist, von einer einzigen Hochfrequenz-Wechselstromquelle gespeist zu werden, so daß die am Umfang aufeinanderfolgenden Leiter in jedem gegebenen Zeitpunkt von Strömen mit entgegengesetzter Richtung durchflossen sind.

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Fig. 14 schließlich stellt im Schnitt entlang der Strömungsachse eine Einrichtung zum Vermindern des Querschnitts eines flüssigen Metallstroms und zum Ablösen desselben von den Wänden, die diesen stromaufwärts leiten, dar.

Um einen flüssigen Metallstrom zu leiten und insbesondere zu zentrieren, ihn zu leiten oder seine Form zu verändern, wird nach einer besonders vorteilhaften beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung wie folgt vorgegangen:

Es ist zu beachten, daß in jeder elektrisch leitenden Flüssigkeit, insbesondere einem flüssigen Metallstrom, der einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist, elektrische Induktionsströme erzeugt werden, deren Geometrie der der Induktionsströme ähnlich ist, die das Magnetfeld erzeugen, und die eine entgegengesetzte Phase zu diesen haben. Wenn die Frequenz des Magnetfeldes hoch ist, befinden sich die Induktionsströme am Umfang des flüssigen Bereiches. In dieser oberflächlichen "Haut", die umso kleiner ist als die Frequenz hoch ist, entstehen durch die gegenseitige Wirkung zwischen Induktionsströmen und dem diese kreuzenden Magnetfeld LaPlacesche Kräfte, die ständig ins Innere des flüssigen Bereiches gerichtet sind; sie sind im Falle eines Zylinders also zentripetal. Die Größe der LaPlaceschen Kräfte ist der zweiten Potenz der Intensität des Magnetfeldes, das an der freien Oberfläche des flüssigen Metalls besteht, proportional.

Diese wichtige Tatsache benutzt die Erfindung, um einen Metallstrom in völliger Abwesenheit von Wänden zu zentrieren oder zu leiten. Um auf einen Metallstrom einzuwirken, sich nicht aus einer bestimmten Position zu entfernen, schafft man ein System von Rückholkräften, die ihn wieder in die gewünschte Position zu bringen suchen, wenn er sich aus dieser entfernt.Man schafft also ein System von Kräften, deren Größe mit zunehmender Entfernung aus dieser Position zunimmt. Man sucht also, ein Magnetfeld zu schaffen, dessen Amplitude (also die zweite Potenz

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der Amplitude) von einer einzelnen Linie, wo sie minimal ist, stark ansteigt: jeder Auslenkung, die die Achse des Stromes oder des flüssigen Metallstromes von dieser einen Linie zu entfernen sucht, würden also die elektromagnetischen Kräfte stark entgegenwirken. Wenn diese eine Linie geradlinig ist, ist die Zentrierung erreicht. Um eine Führung zu erreichen, gibt man dieser einen Linie die Form der gewünschten Achse des Metallstromes. Der Bereich, in dem das Magnetfeld von der einen Linie an stark anwächst, wird später "Potentialsenke" genannt.

In Bezug auf Fig. 1 bis 12 wird jetzt dargelegt, wie man nach der Erfindung "Potentialsenken" erzeugt, um ein Zentrieren oder ein Leiten des flüssigen Metallstromes durchzuführen.

Angenommen wird ein System mit vier geradlinigen Leitern A, B, C, D, die nach den Hauptmantellinien eines Zylinders (oder Prismas) mit quadratischer Basis angeordnet und von Hochfrequenz-Wechselströmen mit entgegengesetzter Phase in zwei aufeinanderfolgenden Leitern durchströmt sind, wie in Fig. 1 gezeigt. In dieser Fig. sind die durch die Zeichenebene in einem bestimmten Zeitpunkt nach unten hindurch laufenden Ströme durch ein Kreuz und die im gleichen Zeitpunkt auf den Betrachter zulaufenden Ströme durch einen Punkt gekennzeichnet.

Das Magnetfeld, das auf dem Vorhandensein der vier Leiter A, B, C, D beruht, ist entlang der Achse X des Zylinders Null und wächst stark an in dem Maße, wie man sich den Leitern nähert, also wenn man sich von dieser einen Linie entfernt. In Fig. 1 ist durch Pfeile die Richtung des Magnetfeldes auf Linien gleicher zweiter Potenz der Magnetfeldamplitude dargestellt.

Es sei angenommen, daß ein flüssiger Metallstrom V mit kreisförmigem Querschnitt im Inneren der "Potentialsenke" mit der Achse χ strömt; wenn die Achse des Flüssigkeitsstromes nicht derjenigen der Potentialsenke entspricht, weicht die Resultie-

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rende der elektromagnetischen Kräfte, die auf die elektromagnetische "Haut" des Stroms einwirkt, von Null ab und sucht, die beiden Achsen wieder in Kongruenz zurückzuführen und dadurch eine Zentrierung des Metallstromes herbeizuführen. Dies ist in Fig.2 dargestellt, in der man sehen kann, daß alles so abläuft, als ob der flüssige Metallstrom V in einer elastischen Hülle, d.h. der elektromagnetischen Haut, eingeschlossen wäre, die sich jeder Auslenkung und jeder Verformung widersetzt, die die Symmetrie in Bezug auf die Achse X der "Potentialsenke" stören würde. In Fig. 2 sind die Rückholkräfte durch die Pfeile F, f, F₁, F¹ .j dargestellt, wobei dei Größe jedes Pfeils die Größe der entsprechenden Kraft darstellt.

Tatsächlich bestehen zusätzlich zu der Achse X des Zylinders am Umfang P des Metallstromes vier andere einzelne Linien m mit dem Magnetfeld Null, die dem Schnittpunkt der freien Oberfläche P des flüssigen Metalls mit den Mittelebenen M der Seiten des Zylinders entsprechen. Entlang dieser Linien m kann sich keine elektromagnetische Kraft eventuellen Verschiebungen des flüssigen Metalles entgegenstellen.

Mit der Gestaltung des Magnetfeldes nach Fig. 1 ist es nicht möglich, diese einzelnen Linien m vollständig verschwinden zu lassen. Jedoch erlaubt es die Hinzufügung von vier neuen Leitern a, b, c, d, die den Leitern A, B, C, D ähnlich sind und die geometrisch durch eine 45°-Drehung um die Achse des Zylinders X und elektrisch durch eine Phasenverschiebung von einer Viertelperiode abweichen, zweimal in einer Periode Bereiche, in denen die Rückholkräfte maximal sind, durch Bereiche, in denen diese Kräfte nicht vorhanden sind, zu ersetzen. Dies ist in den Fig. 3 bis 6 dargestellt, entsprechend

T Φ 3Φ
den Zeitpunkten O, j, j und ^-( wobei T die Periode des durch

die Leiter fließenden Wechselstroms ist). Die Bedeutung der Punkte und Kreuze ist die gleiche wie in Fig. 1; die Schraffierungen stellen Nullströme dar. In Anbetracht der Hochfrequenz der Ströme, die in der Größenordnung mehrerer 10 KHz liegt,

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und der Trägheit des flüssigen Metalls, kommt das sehr schnelle Wandern der einzelnen Linien auf der Oberfläche des flüssigen Metalls wieder dazu, an jedem Punkt dieser Oberfläche eine im Durchschnitt konstante Rückholkraft zu schaffen, die befähigt ist, die zylindrische Form des metallischen Querschnittes zu erhalten. Diese Einrichtung erlaubt es nicht nur, eine Zentrierung oder Führung vorzunehmen, sondern hat ebenso den Vorteil, eventuelle Fehler der Oberfläche zu korrigieren, die sich als Abweichungen in Bezug auf die kreisförmige, auf die Achse X zentrierte Stellung der Potentialsenke durch die Aufeinanderfolge der Differentialkräfte dieses Rückholsystems darstellen.

In Fig. 7 , die zu Fig. 2 analog ist, aber zwei Leiterserien A, B, c, D und a, b, c, d entspricht, sieht man die verschiedenen Rückholkräfte F, F und f mit einer Intensität, die der Größe der sie darstellenden Pfeile proportional ist; der wirksame Umfang P des Stromes V ist durch Vollstriche dargestellt, während der ideale Umfang P¹ durch unterbrochene Striche dargestellt wird.

Bezüglich der Metallstrahlen oder -ströme mit geringer Geschwindigkeit kann das vorher beschriebene System in Bezug auf die Fig. 3 bis 6, das auf der Oberfläche des flüssigen Metallstromes die einzelnen Linien des Magnetfeldes umdreht, den Metallstrom in Rotation setzen, wobei dieser flüssiger Rotor in dem von den acht Leitern A, B, C, D, a, b, c, d gebildeten Stator wird.

Es ist möglich, diesen Nachteil dadurch zu vermeiden, indem man jede der zwei von den vier Leitern A, B, C, D und a, b, c, d geformten Serien mit unterschiedlichen Frequenzen f^ und f₂ (z.B. mit f, > f.) speist, wobei die Induktionsströme die gleiche Amplitude haben. Die Rotation der einzelnen Linien wird also reversibel. An einer mit dem Magnetfeld mit der Frequenz f₁ verbundenen Markierung beträgt die Frequenz der Umkehrung

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der Drehrichtung der Spannungssenke f_r = 2(f~ - f-) = = . Bei einer solchen Markierung ist 1/8 der Umdrehung während

~2 ausgeführt, wodurch man die Zahl η für die durchgeführten Umdrehungen an einer festen Markierung erhält:

_n _ ^f1 ^{+ f}2

In den Fig. 8 bis 11 sind in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten 0, ^j, Tr, —g— die Richtung der Ströme in den zwei Leiterserien A, B, C, D (erste Serie) und a, b, c, d (zweite Serie) und die Richtungen der Magnetfelder dargestellt. Eine geeignete Wahl der Frequenzen f- und f- erlaubt es einerseits, eine elektromagnetische "Haut" mit einer gegenüber dem Radius des Metallstromes geringen maximalen Dicke cfmax und andererseits, eine Zahl η von Umdrehungen festzulegen, die vor der Umkehrung der Drehrichtung der Spannungssenke ausgeführt werden.

Zum Beispiel:

f₁ = 15000 Hz f₂ = 25000 Hz f = 20000 Hz η = j

cTmax = (2/Tt^Tf₁)^1//2 = 5'10"³m für einen Stahl,für den 160·10~ mho/m, wobei/( die magnetische Permeabilität des flüssigen Metalls ist, die gleich der des leeren Raums let

Eine solche Einrichtung erlaubt es also, jede Drehneigung des flüssigen Metallstromes in dem Falle auszuschalten, in dem die Durchgangszeit der flüssigen Partikel im Inneren der Sapnnungssenke nicht klein ist.

Eine andere Lösung, das In-Drehung-Setzen des flüssigen Metallstromes zu vermeiden, besteht darin, jede der beiden durch die vier Leiter A, B, C, D und a, b, c, d gebildeten Leiter mittels elektrischer "Zerhacker" in der folgenden Weise zu speisen: der elektrische Strom wird während einer Zeitdauer T-

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der Serie A, B, C, D zugeführt; am Ende dieser Zeitdauer wird der Strom der Serie a, b, c, d während einer Zeitdauer T₂ zugeführt. Dann wird dieser Strom von neuem während einer Zeitdauer T₁ der Serie A, B, C, D und so weiter zugeführt. Eine Rotation um eine 1/8 Umdrehung der Gestaltung des Magnetfeldes wird somit mit einer Umkehrungsfrequenz f = ^- oder T_Q = T- +T,. Die Zeitdauer T₁ und T₃ müssen derart gewählt werden, daß die Dicke der "Haut", die der Frequenz f_Q entspricht,gegenüber dem Radius des flüssigen Metallstroms sehr gering ist.

Diese elektrische Einrichtung, die es erlaubt, die Rotation, ob nun reversibel oder nicht, der einzelnen Linien des Magnetfeldes zu erhalten, bietet den großen Vorteil, kein bewegliches Teil aufzuweisen. Mechanische Verfahren, die einen solchen Vorteil nicht bieten, können jedoch in Betracht gezogen werden, um die gleiche Wirkung zu erzeugen: in diesem Falle muß die Einrichtung, um die "Potentialsenke¹⁵ zu schaffen, die aus einer einzigen Leiterserie besteht, in ihrem Ganzen in einer Rotationsbewegung oder in einer Oszillationsbewegung um ihre Achse durch eine äußere geei-gnete Einrichtung (z.B. Motor, Torsionsstab, ...) geführt sein.

In jedem der vorstehend beschriebenen Einrichtungsbeispiele wird die ursprüngliche Potentialsenke mit einer Serie von vier parallelen geradlinigen Leitern ausgeführt, die von einem Hochfrequenz-Wechselstrom durchflossen werden und eine zweite Serie von vier Leitern, die von einem Strom mit der gleichen Frequenz oder mit einer unterschiedlichen Frequenz durchflossen werden, was dazu dient, in bestimmten Fällen die Wirkungsweise zu verbessern.

Bei flüssigen Metallströmen mit großen Durchmessern kann eine solche Einrichtung die Rollen des Zentrierens, Leitens und/oder der Formkorrektur auf Grund der notwendigen Entfernung der Leiter nicht vollkommen erfüllen. Die Wirkung, die auf den ursprünglich kreisförmigen Strom mit großem Durchmesser ausgeübt wird,

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würde zu einer Gestalt ähnlich der der Feldlinien führen und folgich würde sich der Strom in Richtung auf einen Querschnitt verwandeln, der im Falle eines Systems aus vier Leitern (Fig. 1 u. 2) quadratisch oder im Falle von zwei Serien von vier Leitern achteckig sein würde (Fig. 3 bis 11). Um den Querschnitt des Stromes kreisförmig zu halten, muß die Anzahl der Leiter vervielfacht werden, die die Potentialsenke bilden, unter Berücksichtigung der entgegengesetzten Phase der elektrischen Ströme und den beiden aufeinanderfolgenden Leitern des die Potentialsenke bildenden Systems. Im übrigen kann für ein System mit ursprünglich 2N Leitern (N ist eine ganze Zahl) eine Rotation der Potentialsenke, ob nun reversibel oder nicht, durch die Beiordnung eines dem ersten identischen Systems, das von diesem durch eine Winkeldrehung von ^t um die Achse der Potentialsenke abgeleitet ist, erreicht werden. Die kontinuierliche oder reversible Drehung der Gestalt des Magnetfeldes kann durch den Gebrauch elektrischer oder mechanischer Einrichtungen, wie sie vorher beschrieben worden sind, erreicht werden.

In Fig. 12 ist somit ein System mit acht Leitern A, B, C, D, B, F, G, H dargestellt, um die Potentialsenke zu bilden (erste Leiterserie),und acht Leitern a, b, c, d, e, f, g, h, die die zweite Serie bilden.

In Fig. 13 ist dargestellt, wie man eine Serie mit vier Leitern, die zur Schaffung einer Potentialsenke bestimmt sind und die vorher durch einen Wechselstrom mit gleicher Hochfrequenz durchflossen werden, ausführen kann, wobei die Richtung des Stromes von einem Leiter zu demjenigen Leiter wechseln muß, der in ümfangsrichtung folgt. In dieser Figur sieht man die vier Leiter A, B, C, D, und man stellt fest, daß der Zustand der wechselnden Richtung der Ströme, die diese durchlaufen, ständig aufrechterhalten wird. Die Speisung mit Wechselstrom wird an den Enden R, S. der Leiterserie vorgenommen.

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Man versteht leicht, daß eine analoge Struktur mit acht Leitern leicht verwirklicht werden kann. Ebenso können sechs/ zehn, zwölf oder mehr Leiter vorgesehen sein, wobei die Anzahl der Leiter immer gerade ist.

In analoger Weise können die Leiter der eventuellen zweiten Serie angebracht sein.

Es wird jetzt eine Einordnung der verschiedenen Potentialsenken gemäß der untersuchten Wirkung gegeben.

Die Potentialsenken, die durch die parallelen Leiter gebildet werden, die mit Wechselstrom mit einer ausreichenden Hochfrequenz gespeist werden, um eine elektromagnetische "Haut" mit geringer Dicke gegenüber dem Radius des Metallstromes sicherzustellen, auf der sie tätig sein müssen, können die folgenden Aufgaben erfüllen:

a) Zentrierung eines flüssigen Metallstromes in vertikaler Strömungsrichtung.

Wenn der Durchmesser eines flüssigen Metallstromes verringert wird, wird diese Wirkung durch ein System mit vier Leitern erzielt, die so gespeist werden, daß die elektrischen Ströme in zwei aufeinanderfolgenden Leitern entgegengesetzt sind. Die notwendigerweise gerade Anzahl von Leitern wird erhöht, um die Zentrierung von Metallströmen mit größerem Durchmesser zu erreichen.

b) Leitung und Formkorrektur eines flüssigen Metallstromes.

Die elektromagnetischen Kräfte müssen sich jeder Bewegung widersetzen, die darauf gerichtet ist, die Achse des Metallstromes von der Achse der Potentialsenke zu entfernen, die den Weg vorschreibt, den das flüssige Metall nehmen soll. Um den Bestand dieser Kräfte auf der ganzen Oberfläche des Metallstromes zu sichern, ist es notwendig, eine zweite Leiterserie derjenigen hinzuzufügen, die für die Zentrierung benötigt wird. Dieses Hinzufügen erlaubt es, durch Rotation den Standort der einzelnen Linien zu

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verändern. Eine Phasenverschiebung einer Viertelperiode zwischen den beiden mit der gleichen Frequenz gespeisten Serien ist ausreichend, um Metallströme mit erhöhter Geschwindigkeit zu leiten, die durch die Rotation nicht beeinflußt werden können. Dagegen schafft eine Speisung der zwei Serien mit unterschiedlichen Frequenzen eine reversible Rotation, die unumgänglich ist, um jede Drehneigung eines Metallstromes mit geringer Geschwindigkeit oder eines flüssigen Metallstromes,der über bedeutende Längen geleitet werden soll, zu vermeiden. Zusätzlich zu dem Leiten erlaubt es die Einrichtung nach der Erfindung, die Verformungen der freien Oberfläche zu verringern, die die Symmetrie der ganzen Umdrehung um die Achse der Potentialsenke zu unterdrücken suchten.

c) Zentrierung eines flüssigen Metallstromes in vertikaler Strömungsrichtung.

Es handelt sich tatsächlich um ein besonderes Leiten, gekennzeichnet durch eine Potentialsenke mit horizontaler Achse. Die elektromagnetischen Kräfte, die in dem unteren Teil des Metallstromes erzeugt werden, wirken also der Schwerkraft entgegen, damit das flüssige Metall nur noch den horizontalen Trägheitskräften unterworfen ist.

Im übrigen wird man feststellen, daß es das Vorhandensein von Induktionsströmen in der elektromagnetischen Haut erlaubt, indem dem Metallstrom zusätzliche Energie zugeführt wird, das Metall aufzuwärmen und es während des ganzen Durchgangs durch die Potentialsenke in flüssigem Zustand zu halten.

Das Feld der industriellen Anwendungsgebiete des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung ist sehr groß, da sie es erlauben, alle Handlungen des Zentrierens, Leitens oder der Formkorrektur eines flüssigen Metallstroms ohne irgendeinen Kontakt zwischem dem flüssigen Metall und den üblicherweise bei der Ausführung dieser Handlungen unumgänglichen Wänden auszuführen. Die Probleme des Verstopfens, der Erosion, der Verschmutzung des flüssigen Metalls.oder"seiner Verunreinigung von den hitzebeständigen Wänden sind somit völlig ausgeschaltet. Dies

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macht die Erfindung in der Metallurgie der Edelmetalle sehr nützlich, da das Fehlen von Wänden einerseits und von beweglichen Teilen andererseits es erlaubt, sehr einfach das Fließen unter kontrollierter Atmosphäre durchzuführen, was die Angriffsgefahren des flüssigen Metalls durch seine Umgebung vollständig ausschaltet und den Erhalt eines Metalls mit großer Reinheit ermöglicht, das keine Behandlung nach dem Fließen benötigt.

Die Erfindung kann als Anwendungsbeispiel eine Verbesserung in den Vorgängen des diskontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Fließens νο,η Mengen kleiner Teile bringen.

Die Handlung wird herkömmlich in der folgenden Weise ausgeführt: Verschiedene Gußformen, die auf derselben Kette stehen, laufen nacheinander unter einer Gießpfanne durch, wo sie mit flüssigem Metall aufgefüllt werden. Eine Absperrungseinrichtung der Öffnung der Gießpfanne erlaubt es im allgemeinen, den Fluß während der Zeit zwischen dem Abzug einer Gießform und dem Aufstellen der nächsten zu unterbrechen. Das präzise Aufstellen der Gußform unter der Gießpfanne und die geometrische Qualität des flüssigen Metallstrahls sind schwer zu erlangen und führen sehr häufig zu einem Verlust an flüssigem Metall, das außen an der Pfanne überläuft. Die teilweise Verstopfung der Gießöffnung (die im allgemeinen auf Grund eines Erstarrens oder einer Akkumulation der Einschlüsse entlang der Wand der Öffnung entsteht) oder auch seine schnelle Erosion zerstören tatsächlich sehr schnell die Rotationssymmetrie des Metallstrahls, der dann die Form eines Vorhangs annimmt, der in einer Richtung gestreckt und eine bedeutende Abweichung in Bezug auf die Vertikale darstellen kann, auf die die zu füllende Gießform ausgerichtet ist.

Eine Einrichtung zum Leiten oder Zentrieren nach der Erfindung, die am Ausgang der Gießpfanne angebracht ist, erlaubt es einerseits, dem Metallstrahl die zylindrische, dem Eingang der Gußform angepaßte Form wiederzugeben und andererseits, seine Achse in vollständiger Kongruenz mit der der zu füllenden Gußform zu

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stellen, wodurch also jedes ungeordnete Fließen des Metalls außerhalb der Gußform vermieden wird.

Jedesmal, wenn es unmöglich ist, eine Gießpfanne und eine Gußform oder eine Ausgußpfanne in Kontakt zu bringen, erlaubt es die Einrichtung nach der Erfindung, jedes Risiko des Ansetzens von Metall an den Wänden und jeden Verlust an flüssigem Metall auf Grund seiner Zentrierungs- und Formkorrekturfunktion zu vermeiden.

Das Zentrieren, Leiten und die Wiederherstellung oder Erhaltung der kreisförmigen zylindrischen Form durch die Erfindung finden ebenso eine bedeutende Anwendung bei dem kontinuierlichen Gießen von Knüppeln oder Barren mit kleinen Durchmessern oder bei dem Gießen von Drähten direkt aus flüssigem Metall ohne Hilfe von irgendwelchen Wänden. Das Erstarren des in der gewünschten zylindrischen Form gehaltenen flüssigen Metalls erlaubt es ebenso, die herkömmlichen Handlungen des Ziehens oder des Drahtziehens zu vereinfachen und die mit diesen verbundenen Probleme, insbesondere die Verstopfung, zu vermeiden.

Eine andere Anwendung der Erfindung ist die Verbesserung der Einrichtung nach der französischen Patentanmeldung Nr. 75 21075 vom 4. Juli 1975. Die in dieser Anmeldung beschriebene Einrichtung erlaubt es, einen flüssigen Metallstrom von den Wänden, die ihn enthielten, loskommen zu lassen oder plötzlich den Durchmesser eines freien Stroms auf Grund der kombinierten Einwirkung einer mit Wechselstrom mit Hochfrequenz gespeisten Spule und einem Kupferschirm zu verringern.

In dieser Einrichtung ist der Metallstrom, nachdem er einmal zusammengezogen ist, keiner Kraft mit elektromagnetischen Ursprung, die der Schirm verschwinden lassen soll, mehr ausgesetzt. Folglich wird weder die Leitung noch die Zentrierung des zusammengezogenen Stromes ausgeführt, da dies nicht die Aufgabe der Erfindung nach der oben genannten Patentanmeldung ist; das oberhalb des Schirms

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durch die Spule geschaffene Magnetfeld ist gleichmäßig und kann folglich nicht die Rückholkräfte erzeugen, die für das Zentrieren oder Leiten eines flüssigen Metallstromes unumgänglich sind.

Die in der "Haut" des eine Potentialsenke durchlaufenden Metallstromes erscheinenden elektromagnetischen Kräfte sind radial und zentripetal und erzeugen am Beginn einen inneren überdruck auf das flüssige Metall der demjenigen gleich ist, der zur Zeit des Durchlaufs der Spule der Einrichtung nach der genannten Patentanmeldung besteht. Das Ersetzen der Spule dieser Einrichtung durch eine Führungs-Potentialsenke, was mit einer Einrichtung nach der Erfindung ausgeführt wird, erlaubt es also, mit Hilfe eines Schirms mit guter elektrischer Leitfähigkeit, wie das Kupfer, einen freien Metallstrom zusammenzuziehen, wobei dessen Zentrieren oder Leiten oberhalb des Zusammenziehens gewährleistet ist, das am Austritt des Kupferschirms erscheint.

Folglich ist es von einem flüssigen Metallstrom 3, der in Richtung der Pfeile R¹ in einem Kanal mit Wänden 2 läuft, in der gleichen Weise möglich, wie in Fig. 14 gezeigt, von der Wand 2 den an der Stelle 4 zusammengezogenenoder gelösten Metallstrom 7 durch eine Einrichtung 1 nach der Erfindung zu zentrieren oder zu leiten; dafür genügt es, um einen Kupferschirm 5 eine neue Leiteinrichtung 6 nach der Erfindung aufzustellen, die durch Wechselströme mit einer solchen Frequenz gespeist werden, die so ist, daß das gebildete Magnetfeld die Dicke des Kupfers durchläuft und in den abgelösten Strom 7 auf eine geringe Dicke der "Haut" eindringt. So ist im Inneren des Schirmes der Metallstrom einem System von Rückholkräften unterworfen, die das Zentrieren oder Leiten in irgendeiner, sogar horizontalen Stellung erlauben. Die auf das flüssige Metall in diesem Bereich einwirkenden elektromagnetischen Kräfte erzeugen notwendigerweise am Beginn einen inneren überdruck. Dieser überdruck vermindert nicht, wie man denken könnte, die Wirksamkeit, da die Einheit der beiden Einrichtungen 1 und 6 bei einer gegebenen Speisung der Einrichtung 1 es erlauben, den gleichen Koeffizienten der Zusammenziehung zu erhalten, sei die Einrichtung 6 nun vorhanden oder nicht.

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SuO

Tatsächlich, wenn B₁ die Amplitude des Magnetfeldes an der Oberfläche des flüssigen Metalls in der Einrichtung 1 ist, dann ist

B²

der hervorgehende überdruck °± , der, wenn die Einrichtung 6

2/U _d
fehlt, eine Zusammenziehung von °<i = ^

gibt, wobei^ und r die gleichen Bedeutungen haben wie oben und d und D die Durchmesser des flüssigen Stromes nach und vor der Zusammenziehung (s. Fig. 14) sind. Die Frequenz der Speisung der Einrichtung 6 ist so, daß der Kupferschirm 5 gegenüber dem durch die Einrichtung 6 gebildeten Magnetfeld B- durchlässig ist, wenn er gegenüber B^ undurchlässig ist. Wenn also die Einrichtung 6 in Betrieb ist, regt das Magnetfeld B₂ nicht nur den zum Schirm inneren Bereich an, sondern ebenso ein begrenztes Gebiet, das stumaufwärts des Schirmes 5 liegt. Die Einrichtung 6 trägt somit dazu bei, den inneren überdruck auf das flüssige Metall stromaufwährts des Schirms 5 in einer Größenordnung zu erhöhen, die dem überdruck gleich ist, den er unterhalb des Ablösungspunktes 4 schafft. Da der Koeffizient der Zusammenziehung nur von dem Unterschied des Drucks innerhalb des flüssigen Metalls zwischen der Ober- und der Unterhälfte des Kupferschirms 5 abhängt, ist der globale Anteil der Einrichtung 6 gleich Null und der Koeffizient der Zusammenziehung wird in seiner Anwesenheit nicht verändert.

Die Einrichtung nach Fig. 14 erlaubt die gleichen Leistungen wie die Einrichtung nach der genannten Patentanmeldung. Darüber hinaus läßt sie das Zentrieren oder das Leiten des flüssigen Metallstromes nicht nur stromaufwärts des Ablösungspunktes, wenn der Strom frei ist, zu, sondern stromabwärts dieses Punktes in der durch den Kupferschirm geschützten Zone. Eine solche Einrichtung besitzt den großen Vorteil, daß sie in einer schrägen oder horizontalen Stellung arbeiten kann. Wenn weiter das Fehlen eines Kontaktes zwischen Metall und der Wand gewünscht wird, ist ein sehr kleiner Koeffizient der Zusammenziehung durch die Leitung

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des zusammengezogenen Stromes ausreichend, der jede Gefahr einer stromabwärts des Ablösungspunktes störenden Berührung ausschaltet und die folglich die von den Vorrichtungen 1 und 6 erzeugte
Wirkung beschränken würde.

Es versteht sich von selbst und geht aus dem vorher Gesagten hervor, daß sich die Erfindung nicht auf die Anwendungs- und Ausführungsformen beschränkt, die im einzelnen beschrieben sind;
sie schließt im Gegenteil alle Varianten ein.

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Leerseite

Claims

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Verfahren und Vorrichtung zum Leiten von flüssigen Metallströmen ohne Wandungen, insbesondere zur Zentrierung, Leitung oder Erzeugung bzw. Erhaltung ihrer kreisförmigen Form

Ansprüche

1. Verfahren zum Leiten von flüssigen Metallströmen, insbesondere zur Zentrierung, zur Leitung oder Erzeugung einer kreisförmigen Form derselben, dadurch gekennzeichnet, daß ein flüssiger Metallstrom zumindest einem mehrpoligen, drehenden, hochfrequenten Magnetfeld ausgesetzt ist zur Erzeugung von Induktionsströmen in dem Oberflächenbereich (Haut) des Stromes, wobei die Geometrie dieses Feldes derart ausgebildet ist, daß seine Amplitude von einer Linie bzw. Zone mit minimaler Amplitude zur Ausrichtung der Längsachse des Stromes auf dieser Linie bzw. Zone stark ansteigt.

2. Einrichtung zum Leiten von flüssigen Metallströmen, insbesondere zur Zentrierung, zur Leitung oder Erzeugung einer kreisförmigen Form derselben zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine geradzahlige Serie von elektrischen Leitern (A, B, C, D) enthält, die im allgemeinen nach den Mantellinien eines Prismas oder Zylinders angeordnet sind, dessen gerad- oder krummlinige Achse (X) mit der dem flüssigen Metallstrom zu gebenden Längs-

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ORIGINAL INSPECTED

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achse übereinstimmt, und Einrichtungen, um zu einem bestimmten Zeitpunkt entlang von zwei am Umfang des Prismas oder Zylinders aufeinanderfolgenden Leitern hochfrequente Wechselströme in entgegengesetzter Richtung durchzuleiten.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zweite geradzahlige Serie von elektrischen Leitern (a, b, c, d) enthält, die alternierend mit den Leitern der ersten Serie (A, B, C, D) auf den Mantellinien des genannten Prismas oder Zylinders angebracht sind, und Einrichtungen, um zu einem bestimmten Zeitpunkt entlang von zwei am Umfang des Prismas oder Zylinders aufeinanderfolgenden Leitern der zweiten Serie hochfrequente Wechselströme in entgegengesetzter Richtung durchzuleiten.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen der entlang der Leiter der zwei Serien durchlaufenden Ströme verschieden sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen aufweist, um während Zeitperioden T₁ und T₂ die Leiter der ersten (A, B, C, D) und der zweiten Serie (a, b, c, d) abwechselnd zu speisen.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste oder einzige Leiterserie (A,B,C,D) die Kanten eines geraden Prismas bildet, dessen Basis durch ein regelmäßiges Vieleck mit einer geraden Anzahl von Seiten gebildet wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Vieleck ein Quadrat ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Vieleck ein Achteck ist.

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9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit der Leiter der beiden Serien (A, B, C, D, a, b, c, d) die Kanten eines geraden Prismas bilden, dessen Basis durch ein regelmäßiges Vieleck mit einer durch vier teilbaren Anzahl von Seiten gebildet wird.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter wenigstens einer Serie (A, B, C, D) von einem einzigen Leitungselement gebildet sind, das zu einer ungeraden Anzahl von haarnadelförmigen Bögen zwischen zwei eigentlich auf dem Umfang aufeinanderfolgenden Leitern gebogen sind.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Zusammenziehen eines flüssigen Metallstromes einen rohrförmigen Schirm (5) mit guter elektrischer Leitfähigkeit, z.B. aus Kupfer, aufweist, der auf die Einrichtung (1) folgend an der Stelle (4), an der die Zusammenziehung erfolgen soll, beginnend und koaxial zu dieser angeordnet ist. ·

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zweite Einrichtung (6) nach einem der Ansprüche 2 bis aufweist, die um den rohrförmigen Schirm (5) angeordnet ist.

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