DE2850307C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Vergießen von Metallen in einer Kokille zu Barren, bei dem dem flüssigen Gießstrang mittels einer um die Achse des Gießstrangs im Bereich der sekundären Abkühlungszone rotierenden magnetischen Drehfeldes eine Drehbewegung um seine Achse erteilt wird.

Es ist schon seit langem bekannt, daß man beim Stranggußverfahren Stahlbarren von besserer Qualität erhält, wenn man dem flüssigen Metallstrang eine Drehbewegung um seine Achse erteilt. Es ist auch bekannt, daß eine solche Drehbewegung auf elektromagnetischem Weg erzielt werden kann, und zwar mittels eines magnetischen Drehfeldes, dessen Kraftlinien senkrecht zur Achse des Strangs verlaufen. Das Magnetfeld wird hierbei im allgemeinen mittels eines statischen Mehrphaseninduktors erzeugt, der in unmittelbarer Nähe des Strangs angeordnet ist und den Stator eines Asynchronmotors darstellt, dessen Rotor durch das flüssige Metall gebildet wird. Hierbei konnte festgestellt werden, daß die elektromagnetische Einwirkung selbst bei einer Begrenzung auf die Länge des Induktorspaltes von üblicherweise ungefähr 1 m zu einer wesentlichen Verbesserung der Qualität der Gußerzeugnisse führt. Es konnte jedoch beobachtet werden, daß der Grad dieser Verbesserung davon abhängt, in welcher metallurgischen Höhe diese Einwirkung erfolgt.

Unter "metallurgischer Höhe" wird die Strecke verstanden, die zwischen der Ebene der freien Metalloberfläche in der Kokille und der Ebene liegt, in der der gegossene Barren in seinem ganzen Querschnitt erstarrt ist.

Aus der DE-AS 24 24 610 und der DE-OS 23 62 720 kann beispielsweise entnommen werden, den Induktor in einiger Entfernung vom Kokillenrohr im Bereich der sekundären Abkühlungszone an einer Stelle anzuordnen, die im wesentlichen der halben metallurgischen Höhe entspricht, genauer gesagt an der Stelle, an der das Verhältnis der Stärke der erstarrten Randschicht zu der halben Barrenstärke etwa 1/ beträgt. Mit einer solchen Anordnung kann die Ausbildung einer Erstarrungszone mit Basaltcharakter frühzeitig zugunsten der Ausbildung einer breiten zentralen feinkristallinen und daher kompakten Erstarrungszone äquiaxialer Kristalle unterbrochen werden, deren günstige Auswirkungen auf die Beschaffenheit der Gußerzeugnisse in ihrem Inneren, insbesondere auf eine wesentliche Verringerung der inneren Absonderungserscheinungen und der axialen Porosität, allgemein bekannt sind. Die FR-PS 22 11 305 beschreibt im einzelnen einen für einen solchen Zweck geeigneten elektromagnetischen Induktor. Ein anderes, im Prinzip schon in der FR-PS 29 63 758 offenbartes, nunmehr unter "Magnetogyr"-Verfahren bekanntes Verfahren besteht darin, das elektromagnetische Feld schon im Bereich der Kokille auf den Gießstrang wirken zu lassen. Die FR-PS 23 15 344 beschreibt eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Kokille, bei der der elektromagnetische Induktor in der Kammer angeordnet ist, die von dem von der primären Abkühlungszone zurückfließenden Kühlwasser durchflossen ist. Die Drehbewegung des flüssigen Metalls in der Kokille erzeugt an der freien Oberfläche des Metalls eine konkave Einwölbung, in deren Mitte sich die Krätze ansammelt. Auf diese Weise ist eine Absonderung von Krätze und Schlacke zwischen der Kokilleninnenwand und dem Gießstrang vermieden. Auch die übliche Abschöpfung bereitet auf diese Weise keinerlei Schwierigkeiten.

Diesem Verfahren sind alle Vorteile des erstgenannten Verfahrens eigen, zu denen noch weitere hinzutreten, wie z. B. die Qualitätsverbesserung der Gußerzeugnisse insbesondere hinsichtlich sauberer Oberfläche und Vermeidung von Einschlüssen in der Oberflächenschicht, und Verbesserung der Durchführung des Verfahrens, insbesondere hinsichtlich einer höheren Durchflußgeschwindigkeit und hinsichtlich einer weniger strengen Einhaltung der Temperatur des im Verteiler befindlichen flüssigen Metalls.

Beiden Verfahren haften jedoch Nachteile an, die zu den im folgenden beschriebenen Erscheinungen Anlaß geben. Die Anordnung eines elektromagnetischen Induktors etwa in halber metallurgischer Höhe hat weder auf die Oberflächenreinheit der Gußerzeugnisse noch auf die Vermeidung von Einschlüssen in der Oberflächenschicht oberhalb der Einwirkungszone des Induktors einen wesentlichen Einfluß.

Demgegenüber erfordert das "Magnetogyr"-Verfahren verhältnismäßig höhere Investitionen und wirft auch bezüglich der Anpassung des Induktors an die Kokille technologische Probleme auf, die meist nur schwierig zu lösen sind. Es kommt hinzu, daß das erzeugte Magnetfeld sich vor dem Eindringen in den Gießstrang dadurch abschwächt, daß es die im allgemeinen aus Kupfer oder einer Kupferverbindung bestehende Innenwand der Kokille durchsetzt. Um im Inneren des Gießstrangs eine ausreichende elektromagnetische Wirkung zu erreichen, ist es daher notwendig, den Induktor mit übermäßiger Leistung auszulegen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art zu entwickeln, das eine hohe Oberflächenreinheit bei zugleich gutem innerem Gütezustand der Gußerzeugnisse trotz großer Durchflußgeschwindigkeit und geringer Schwächung des Magnetfelds mit verhältnismäßig einfachen Mitteln gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die Intensität des von einem unmittelbar unterhalb des Kokillenrohrs angeordneten Induktor erzeugten magnetischen Drehfeldes so gesteuert wird, daß die sich in der Kokille ausbildende freie Oberfläche des Metalls - wie bei einem auf der Höhe des Kokillenrohrs angeordneten Induktor - eine konkave Wölbung aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf folgenden Feststellungen und Überlegungen:

Zunächst konnte festgestellt werden, daß bei dem im vorstehenden an erster Stelle genannten Verfahren die vorteilhaften Auswirkungen des elektromagnetischen Feldes an der Stelle auftreten, an der es auf den Gießstrang einwirkt. Es wurde darüber hinaus festgestellt, daß die auf diesen Beobachtungen beruhende Lehre gemäß dem "Magnetogyr"- Verfahren einer Korrektur bzw. einer Ergänzung bedurfte, die auf der Erkenntnis beruhte, daß die Auswirkungen des elektromagnetischen Feldes nicht nur am Ort des Feldes selbst, sondern weit unterhalb, in Richtung der Strangbewegung gesehen, auftreten.

Aufgrund von durch diese Beobachtungen veranlaßten Untersuchungen, die dem Zweck dienten, von dem magneto-hydrodynamischen Erscheinungen im Inneren eines schmelzflüssigen Metalls eine bessere Kenntnis zu erhalten, konnte festgestellt werden, daß sich die Rotationsbewegung des Metalls in Bereichen außerhalb der Einwirkungszone des elektromagnetischen Feldes, und zwar zu beiden Seiten dieser Zone, fortsetzt.

Diese über die Einwirkungszone des Magnetfeldes hinausreichende Rotationsbewegung ist eine Folge der inneren Reibung im Inneren des eine viskose Masse darstellenden flüssigen Metalls; ihre Geschwindigkeit nimmt daher mit der Entfernung von der Einwirkungszone des Magnetfeldes ab. Sie weist zu beiden Seiten der Einwirkungszone keine Symmetrie auf, sie ist vielmehr in Richtung der Gießstrangbewegung wesentlich ausgeprägter als in der entgegengesetzten Richtung. Diese Unsymmetrie ist offensichtlich der Grund für den Unterschied zwischen den bei dem "Magnetogyr"- Verfahren erhaltenen Gußerzeugnissen und den Erzeugnissen, die bei dem Verfahren erhalten werden, bei dem die Einwirkung des elektromagnetischen Feldes im wesentlichen in der halben metallurgischen Höhe erfolgt. Dieses Verfahren soll im folgenden kurz mit "B.E.M." - als Abkürzung für die Worte "Brassage Elektro-Magn´tique dans le refroidissement secondaire" - bezeichnet werden.

Im Verlaufe der Untersuchungen, die zu der Erfindung geführt haben, erfolgte eine systematische und gründliche Erforschung der Kriterien, die für die Erzielung eines bestimmten angestrebten metallurgischen Resultates maßgebend sind.

Das Ergebnis dieser Nachforschung ist, daß

• 1. bei den untersuchten metallurgischen Resultaten in Abhängigkeit der Schwierigkeit, unter der sie erhalten werden, eine bestimmte Rangordnung besteht. Diese Rangordnung kann mit steigendem Schwierigkeitsgrad in der folgenden Weise angegeben werden: Innerer Gütezustand → Reinheit der Randschicht → Oberflächenreinheit.Diese Reihenfolge bedeutet, daß, wenn eine dieser Stufen den Anforderungen genügt, dies auch für die vorhergehenden Stufen zutrifft. Wenn beispielsweise eine gute Oberflächenreinheit erzielt wurde, von Mängeln wie z. B. Poren oder Schlackeneinschlüssen abgesehen, so weist das betreffende Erzeugnis zwangsläufig auch eine von Einschlüssen freie Randschicht und ebenfalls eine gute Innenschicht auf. Wenn andererseits dem Kriterium einer einschlußfreien Randschicht Genüge getan wurde, so weist auch die Innenschicht einen guten Zustand auf, während dies keinerlei Schluß auf den Zustand der Metalloberfläche zuläßt.
• 2. der Einfluß der Rotationsbewegung auf die erzielten metallurgischen Resultate von zwei komplementären Faktoren abhängt, nämlich von dem Ort der elektromagnetischen Einwirkung, somit der Stellung des Induktors einerseits und von der Intensität der elektromagnetischen Einwirkung andererseits.

Hieraus folgt, daß bei einer bestimmten Stellung des Induktors eine Verstärkung der elektromagnetischen Einwirkung zu einer Verbesserung der Resultate in der vorgenannten Reihenfolge führt, während bei einer gegebenen Stärke der elektromagnetischen Einwirkung eine Veränderung der Stellung des Induktors nach oben die erhaltenen metallurgischen Resultate in der vorgenannten Reihenfolge beeinflußt.

Hieraus ergibt sich, daß die Erzielung des besten Resultates, nämlich einer hohen Oberflächenreinheit, die alle anderen Resultate mit einschließt, mit einer minimalen elektromagnetischen Einwirkung verwirklicht wird, wenn der Induktor sich in seiner höchstmöglichen Stellung befindet, d. h. in Übereinstimmung mit dem "Magnetogyr"-Verfahren innerhalb der Wasserkammer der Kokille. Dementsprechend könnte dasselbe Resultat nur mit einer maximalen elektromagnetischen Einwirkung erzielt werden, wenn der Induktor weit im unteren Bereich der Kokille, etwa auf halber metallurgischer Höhe angeordnet ist, wie dies bei dem B.E.M.-Verfahren der Fall ist. Zwischen diesen beiden extremen Stellungen sind alle Zwischenstellungen möglich, wobei eine Verlagerung des Induktors nach oben im Sinne einer Verminderung der notwendigen Intensität der Einwirkung des magnetischen Feldes wirkt.

Die Leistung des Induktors hängt in erster Linie von seinen Abmessungen ab. Es ist verständlich, daß ein Stranggußverfahren mit einer elektromagnetisch erzeugten Drehbewegung des Gießstranges desto mehr Anwendung findet, in je kleinerem Verhältnis die Abmessungen des Induktors zu seiner abgegebenen elektromagnetischen Leistung steht.

Unter diesem Gesichtspunkt ist eine der ungünstigsten Stellungen des Induktors diejenige, die bei dem B.E.M.- Verfahren vorgesehen ist. Die Erfahrung zeigt in der Tat einerseits, daß die bei diesem Verfahren erfolgende elektromagnetische Einwirkung ohne einen merkbaren Einfluß im Bereich der Kokille bleibt. Andererseits haben Berechnungen ergeben, daß man, um dies zu erreichen, ein solches elektromagnetisches Feld vorsehen müßte, das sich aus Gründen der Abmessungen des Induktors verbietet oder mindestens mit dessen Anbau an eine übliche Stranggußkokille nicht verträglich ist.

Es ist leicht verständlich, daß es für einen Fachmann von vornherein naheliegend ist, als Ort der Anordnung des Induktors die Kokille selbst zu wählen, wie es bei dem "Magnetogyr"-Verfahren der Fall ist. Es wurde jedoch im vorstehenden dargelegt, daß dies im Hinblick auf die Schwächung des Magnetfeldes beim Durchgang durch die Innenwand der Kokille keinesfalls notwendigerweise die vorteilhafteste Stellung für den Induktor ist.

Die Lehre der Erfindung stellt somit eine Kompromißlösung dar, die darin besteht, den Induktor in der Nähe des unteren Kokillenendes, also weder im Höhenbereich der Kokille noch wesentlich unterhalb dieser und vorzugsweise unmittelbar am unteren Ende der Kokille anzuordnen, wenn dies die baulichen Gegebenheiten ermöglichen.

Auf diese Weise räumt man das auf elektromagnetischer Ebene bestehende Hindernis aus dem Wege, das darin besteht, daß zwischen dem zu beeinflussenden flüssigen Metall und dem Induktor die aus Kupfer bestehende Wandung der Kokille vorhanden ist. Hieraus resultiert in erster Linie eine Verstärkung der wirksamen Intensität des magnetischen Feldes im Inneren des Metalls. Diese Verstärkung ist nicht unbedeutend; Versuche haben ergeben, daß diese aus Kupfer bestehende Wandung in der Ebene des Induktors einen Intensitätsverlust von 20-30% verursacht. In zweiter Linie bestehen keine Hindernisse mehr, die Rotationsfrequenz des Magnetfeldes zu erhöhen. Da diese Frequenz in bekannter Weise mit der Frequenz des Speisestroms zusammenhängt, ist es möglich, verhältnismäßig hohe Frequenzen zu verwenden, beispielsweise eine Frequenz von 50 Hz, wie sie das elektrische Netz aufweist.

Es ist bekannt, daß die Intensität der elektromagnetischen Einwirkung gleichzeitig von der wirksamen Intensität des Magnetfeldes und seiner Drehfrequenz abhängt. Aufgrund der durch die Kokillenwandung verursachten Abschwächung ist die wirksame Intensität des magnetischen Feldes ihrerseits umgekehrt proportional der Rotationsfrequenz. Es konnte so ein optimaler Wert für die Frequenz ermittelt werden, der im allgemeinen zwischen 1 und 20 Hz liegt, der in erster Linie von der elektrischen Leitfähigkeit und der Wandstärke der Kokille abhängt und oberhalb dessen die Intensität der elektromagnetischen Einwirkung infolge der entscheidenden Schwächung des magnetischen Feldes abnimmt.

Diese Schwierigkeit kann mittels der Erfindung überwunden werden. Wie schon ausgeführt wurde, ist die auszuwählende Steuerung der elektromagnetischen Einwirkung eine Funktion der Bedeutung des angestrebten metallurgischen Resultates. Diese Wahl liegt somit im Ermessen dessen, der eine solche Anlage benützt. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß, wenn man das beste Ergebnis, also eine vollkommene Oberflächenreinheit anstrebt, ein einfaches Mittel, dies festzustellen, in der visuellen Beobachtung der freien Oberfläche des Metalls in der Kokille besteht. Diese Beobachtung erlaubt es, die elektrischen Parameter des Induktors - Stromstärke und/oder Stromfrequenz - so zu steuern, daß die Oberfläche ein Profil annimmt, das demjenigen entspricht, das bei dem "Magnetogyr"- Verfahren erhalten wird, bei dem sich eine ausreichend konkav gewölbte Oberfläche ausbildet, in deren Senke sich die Krätze ansammelt. Bei dem "Magnetogyr"-Verfahren wird ein solcher Zustand bei einer linearen Umfangsgeschwindigkeit der freien Oberfläche von etwa 0,5 bis 0,8 m/s erhalten.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Ansprechzeit, d. h. die Zeit, innerhalb der die Rotationsbewegung sich bis an die freie Metalloberfläche fortsetzt, in der Größenordnung von etwa 10 s.

Um sich die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber den beiden vorgenannten Verfahren erzielten Vorteile zu vergegenwärtigen, wurden die Vergleichswerte in anschaulicher Weise in der folgenden Tabelle einander gegenübergestellt. Den Angaben "Ja" und "Nein" kommt nur eine relative Bedeutung im Vergleich der verschiedenen Kriterien jedes einzelnen Verfahrens zu.

Hierzu erscheinen folgende Bemerkungen notwendig:

Bei dem Kriterium 2 muß noch bezüglich der nichtmetallischen Einschlüsse die beobachtete Verringerung der Anisotropie dieser Einschlüsse in der oberen und der unteren Oberfläche eines in einer gekrümmten Kokille gegossenen Barrens berücksichtigt werden. Ebenso muß hierbei die Verringerung, ja sogar die vollständige Vermeidung von Fehlern erwähnt werden, die durch Blasenbildung bei der Entgasung im Verlauf der Erstarrung des Gießstrangs entstehen.

Bezüglich des Kriteriums 5 sei bemerkt, daß eine bessere Ableitung der Überhitzung die Möglichkeit eröffnet, die Kokille mit einer größeren Abzugsgeschwindigkeit und/oder einer größeren Überhitzung des Metalls zu betreiben, was eine strenge Überwachung der im Verteiler herrschenden Temperatur unnötig macht.

Wie man sieht, sind die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Vorteile, entsprechend der vorgenannten Rangordnung, beachtlich. Sie sind eine Folge einer derartigen Steuerung des Induktors, daß seine Einwirkung auf das flüssige Metall eine größtmögliche ist, d. h. daß sie bewirkt, daß die freie Oberfläche des Metalls wie bei dem "Magnetogyr"-Verfahren eine konkave Wölbung aufweist. Es versteht sich, daß, wenn man sich mit etwas geringeren Ergebnissen zufriedengibt, das Maß der Einwirkung des Induktors auf das flüssige Metall entsprechend verringert werden kann. Wenn man sich z. B. damit begnügt, daß der innere Gütezustand des Gußerzeugnisses zufriedenstellend ist - Kriterium Nr. 3 -, so ist die Einwirkung des Induktors erfahrungsgemäß im wesentlichen dieselbe wie diejenige, die üblicherweise bei dem Verfahren B.E.M. erzielt wird, dessen genaue Angaben in der Beschreibung der FR-PS 22 36 584 enthalten sind.

Es ergibt sich des weiteren, und die Erfahrung hat es bestätigt, daß aufgrund der sich mit der Entfernung von der Einwirkungszone abschwächenden Rotationsbewegung, die sich insbesondere in der der Abzugsrichtung des Gießstrangs entgegengesetzten Richtung bemerkbar macht, die Wirkung des Induktors, um ein vorgegebenes metallurgisches Resultat zu erzielen, im Verhältnis zu dem dem "Magnetogyr"-Verfahren entsprechenden Niveau verstärkt werden muß.

Indessen ist es im allgemeinen nicht in gleichem Maße notwendig, die Abmessungen des Induktors, wie er bei den bekannten Verfahren und insbesondere bei dem B.E.M.-Verfahren ausgelegt wird, in Betracht zu ziehen. Der Notwendigkeit einer zusätzlichen Leistung kann auf zweifache Weise Genüge getan werden: Einerseits durch eine Verminderung der Wandstärke der Kupferwandung der Kokille und andererseits durch eine mögliche Erhöhung der Frequenz des Speisestroms. Wenn diese beiden Maßnahmen sich als ungenügend erweisen sollten, kann man in erlaubten Grenzen die Stärke des Speisestroms höher einstellen.

Das Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dasselbe wie bei den beiden vorbekannten Verfahren. Man kann das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur beim Gießen runder Barren anwenden, sondern auch beim Gießen von Halbzeug mit nicht kreisförmigem Querschnitt, beispielsweise von Halbzeug mit rechteckigem Querschnitt wie z. B. von Knüppeln oder rechteckigen Bloomen oder anderem Halbzeug, sofern dieses keine Abmessungen aufweist, die mit der Verwendung einer Kokille mit einem ein Drehfeld erzeugenden elektromagnetischen Induktor der vorgenannten Art nicht verträglich sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann nicht nur beim Vergießen der verschiedensten Stahlsorten, sondern auch beim Vergießen von beliebigem, im Stranggußverfahren vergießbarem Metall Anwendung finden.

Claims (1)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Vergießen von Metallen in einer Kokille zu Barren, bei dem dem flüssigen Gießstrang mittels eines um die Achse des Gießstrangs rotierenden magnetischen Drehfeldes eine Drehbewegung um seine Achse erteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des von einem unmittelbar unterhalb des Kokillenrohres angeordneten Induktor erzeugten magnetischen Drehfeldes so gesteuert wird, daß die sich in der Kokille ausbildende freie Oberfläche des Metalls, wie bei einem auf der Höhe des Kokillenrohres angeordneten Induktor, eine konkave Wölbung aufweist.