DE2851071A1

DE2851071A1 - Elektromagnetische stranggiesskokille

Info

Publication number: DE2851071A1
Application number: DE19782851071
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Haller
Original assignee: Alusuisse Holdings AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1977-12-05
Filing date: 1978-11-25
Publication date: 1979-06-13
Also published as: HU174849B; NL7811547A; JPS5486435A; PL211463A1; GB2009003A; SE7812451L; FR2410520A1; NO784059L; IT7830338A0; BE872522A; ZA786806B

Description

SCHi¹JEIZERISCHE ALUMINIUM AG, Chippis Elektromagnetische Stranggiesskokille

Die Erfindung bezieht sich auf einen Induktor für eine elektromagnetische Stranggiesskokille.

Das vertikale Stranggiessen von Metallen im inittelfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld beruht darauf, dass auf ein Element der Seitenfläche der flüssigen Zone des Gussstückes eine ponderomotcrische (elektrodynamische) Kraft·K ausgeübt wird, welche der auf dieses Element ausgeübten metallostatischen Kraft K entgegengesetzt und im Betrag gleich ist. Dieses Gleichgewicht der beiden Kräfte zwingt das flüssige Metall in die gewünschte Form, in v/elcher es anschliessend erstarrt.

Setzt man anstelle der Kräfte die auf ein Element der Seitenfläche F wirkenden Drücke p, so lässt sich dieses Gleichgewicht folgendermassen beschreiben: Zur Berechnung des metallostatischen Drucks ist davon auszugehen, dass auf ein beliebig gerichtetes Wandelement einer Flüssigkeit derselbe Druck wirkt wie in der angrenzenden horizontalen Schicht der Flüssigkeit, und dass der Druckunterschied zweier horizontaler Schichten mit dem Abstand h

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(1) P₂ - P₁ = χ g h

beträgt, wobei

'·' die Dichte der homogenen Flüssigkeit, g die ^ ^beschleunigung bedeutet.

Berücksichtigt man ferner, dass an der Oberfläche einer Metallschmelze ρ =0 beträgt, so ergibt sich der hydrostatische bzw. metallostatische Druck ρ auf ein

Wandelement der Metallschmelze im Abstand h von deren Oberfläche zu

(2) P_m = r g h.

Der auf ein Wandelement gleicher Fläche im gleichen Abstand h von der Schinelzeoberf lache wirkende elektromagnetische Druck ρ beträgt demgegenüber (3) p_e = K_e/F = k H_y2

wobei k einen Proportional!tätsfaktor bedeutet, durch den die Geometrie des Systems, die magnetischen und elektrischen Eigenschaften der Metallschmelze und die Frequenz des das Magnetfeld erzeugenden mittelfrequenten Wechselstroms in die Rechnung eingehen.

Das für das vertikale Stranggiessen grundlegende Gleichgewicht zwischen metallostatischem und elektromagnetischem Druck muss daher in jedem Punkt der Seitenfläche der Metallschmelze der Bedingung

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P ⁼ P
¹ in ^ι e

und damit

(4) ^gh = k.H genügen.

Diese Bedingung wird im Stand der Technik dadurch erfüllt, dass in das homogene Magnetfeld H zwischen die Leiterschleife·des Induktors und die Metallschmelze ein elektromagnetischer Schirm verbracht wird, dessen Querschnitt sieh nach oben verstärkt und damit das Magnetfeld H ander Schmelzeoberfläche nach Massgabe des in vertikaler Richtung nach oben abnehmenden metallostatischen Drucks abschwächt. Derartige Schirme werden aus einem nichtmagnetischen Metall hergestellt, dessen elektrische Eigenschaften in Abhängigkeit von der Stromfrequenz ausgewählt werden. So wurde der Schirm bei einer Stromfrequenz des das Magnetfeld erzeugenden Wechselstroms von 1000 - 3000 Hz aus einem nicht magnetischen Stahl von hohem spez. Widerstand und bei einer Stromfrequenz von 50 - 1000 Hz aus Aluminium, Kupfer oder Bronzelegierung hergestellt. (DT-OS I¹960'707). Derartige elektromagnetische Schirme sind jedoch konstruktiv aufwendig und bei komplizierten Kokillenformen schwierig zu berechnen und zu fertigen. Daneben muss ein Teil der in das Magnetfeld H eingeführten Energie in Form von Wärme aus dem Schirm abgeführt werden. Dies wiederum erfordert eine spezielle Kühlung des Schirmes und führt zu einer Verteuerung des

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Verfahrens insgesamt.

Autgabe der vorliegender. Erfindung war es, eine Vorrichtung zur Recinilussuna des Magnetfeldes beim vertikalen elektromagnetischen Stranggiessen zu konstruieren, welche es gestattet, in der flüssigen Zone des Metallstranges einen elektromagnetischen Druck zu erzeugen, der den in vertikaler Richtung linear zunehmenden metallostatischen Druck betragsmässig kompensiert, und dabei die genannten Nachteile elektromagnetischer Abschirmungen su beseitigen bzw. auf solche gänzlich "-:u verzichten.

Die Aufgäre wurde durch einen Induktor für eine elektromagnetische Stranggießkokille gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine metallische Leiterschleife (1) mit in vertikaler Richtung nach oben abnehmender Querschnitts:" lache und Kühlmittelleitungssysteme aufweist, welche einerseits zu Kühlung der Leiterschleife (1), andererseits zur Kühlung des Metallstranges (9,10) dienen.

Die Erfindung macht von der lieber legung Gebrauch, dass die lokale magnetische Feldstärke H _h im Abstand h von der Schmelzeoberfläche von der lokalen Stromstärke J, abhängt, welche an dieser Stelle in dem das Feld erzeugenden Induktor herrscht. Setzt man vorqus, dass die Stromdichte über den ganzen Leiterquerschnitt homogen verteilt ist, so kann

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die angestrebte Wirkung dadurch erreicht werden, dass man die Querschnittsfäche der Leiterschleife des Induktors und damit die lokale Stromstärke J, mit deren vertikalem Abstand h

verändert. Um den mit steigendem Vertika!abstand h von der Schmelzeoberfläche linear steigenden metallostatischen Druck ρ zu kompensieren, muss der Leiterquerschnitt in Abhängigkeit von diesem h vergrössert werden.

Bei der üblichen Verwendung mitteIfrequonter Wechselströme ist jedoch die Stromdichte im Innern des Leiters nicht überall gleich, sondern niinrat auf Grund des SkirEffektzes nach dem Leiterinnern hin ab. Für die Erzeugung des Magnetfeldes II fallen dadurch rlie Leiteroberfläche und die oberflächennahen Teile desselben mehr ins Gewicht als die im Zentrum liegenden Teile. Um daher einen linear mit dem Abstand h von dor Flüssigkeitsoberfläche ansteigenden elektrodynamischen Druck p_o = k J^z' zu erzielen, welcher ρ kompensiert, muss der Leiterquerschnitt q überproportional ansteigen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nachstehend drei Ausführungsbeispiele der Vorrichtung beschrieben und an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt Fig.l einen Querschnitt durch eine Leiterschleife eines InduKtors mit stufenförmig verändertem Lciterquer-ischnj tt,

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Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Leiterschleife eines Induktors mit kontinuierlich verändertem Leiterquerschnitt,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Leiterschleife eines Induktors mit getrenntem Kühlmittelleitsystem für den Metallstrang und für die Leiterschleife.

In allen drei Figuren ist ein Induktor, bestehend aus der Leiterschleife (1), die Kühlmittelleitungssysteme (4) und (7) sowie der durch das elektromagnetische Feld dieses Induktors geformte Metallstrang, bestehend aus flüssiger Zone (9) und erstarrter Zone 10 abgebildet. Durch die einen geschlossenen Grundriss aufweisende Leiterschleife (1) wird rund um das geschmolzene, in die Strangformzone geleitete Metall ein, elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, welches an der Oberfläche des flüssigen Metalls den elektromagnetischen Druck ρ und die ponderomotorischen Kräfte K erzeugt, die ins Innere der Metallschmelze gerichtet sind und diese formen. Hierbei erhält das Metall die vorgegebenen und durch die Stromstärke in der Loiterschleife J, im Abstand h von der Oberfläche bestimmte Form und Ouerschnittsmasse. Auf der Seitenfläche der durch das elektromagnetische Feld geformten Metallsäule wird durch ein Kühlmittelleitungssystem ein flüssiges Kühlmittel geleitet, was zur Folge hat, dass das Metall teilweise im Wirkungsbereich des elektromagnetischen Feldes kristallisiert, bei. seiner Wei'. orbewegmig vollends erstarrt und dadurch den Strang bildet. Das Kühlmittelsystem in den

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Anordnungen nach Fig. 1 und 2 weist dabei eine Hauptleitung (4) auf, von der das Kühlmittel (5) durch eine Oeffnung (6)in eine zweite, unmittelbar mit der Leitersohleife (1) in Kontakt stehende Leitung [I) eintritt und schiiesslich durch die Oeffnung (8) aus dem Induktor (1) austritt und auf die Seitenfläche des Stranges (9,10) in vorbestimmter Höhe auftrifft. In der Anordnung nach Fxgur 3 sind dagegen die beiden Kühimittelleitssysteiue (4) und (7) voneinander getrennt und werden unabhängig voneinander gespiesen.

Die Querschnittsform des Stranges, welche den vorgegebenen Werten entsprechen soll, hängt in der dargestellten Weise

von ρ , und dem den Induktor (1) in Höhe h durchfliessenden a, n

Strom J und vom metallostatischen Druck ρ , im gleichen Abstand h von der Oberfläche des Stranges ab. Die Leiterschleife (1) des elektromagnetischen Induktors weist deshalb einen Querschnitt auf, dessen Fläche in vertikaler Richtung nach oben und damit mit abnehmendem Abstand von der Ober-' fläche der zu behandelnden Metallschmelze abnimmt. Die Abnahme der Fläche kann durch eine kontinuierliche Ausnehmung in der Leiterschleife erfolgen (Fig. 2). Oft wird es aber aus fertigungstechnischen Gründen vorzuziehen sein, eine stufenweise Form des Leiterquerschnittes zu verwenden (Fig.l). Dabei kann sich die grösste und die geringste Horizonta!abmessung der Leiterschleife beispielsweise im Bereich von 3:1 bis 20:1 bewegen und die grösste Horizontalabmessung der Leiterschleife sich über nicht mehr als einen Drittel der Vertikalabmessuncr erstporven. Es hat sich dabei als praktisch erwies»ew fm Yen-WaUviiS der größten Vertikal-

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abmessung zu der grosst-an Forizontalabmessung der Leiterquerschnitts ran ruinJeistens 3:1 zu verwenden. Wird eine Wechselspannung von 25ÜC Uz verwendet, so wird die Leiterschleife vor^ugsv/eise aus einer Aluminiumlegierung gefertigt, welche höchstens 1.3 Gewichtsprozente Silizium und höchstens 1.0 Gewichtsprozent Magnesium enthält. Für die Berechnung der Abnahme des Loiterquerschnitteo wurde dabei angenommen, dass bei einer i'indringt:efο von 1.9 /am die Stromdichte auf 37? des OLurl läcaenv/ertas abgeschwächt wird.

Kine weitere Konstruktionsmöjlichkext ergibt sich dadurch, dass man die Kühlmittel leit.syster.ie für den Metallstrang und für die L-.-lter schleife d?s Inüuktors trennt (Fig. 3). In einer derartigen Anordnung weist die im übrigen entsprechend den. Figuren 1 oder 2 geformte Leiterschleife (1) ein aus demselben Werkstoff gefertigtes, in sich abgeschlossenes Kühlmittelloit-sys^om (7) mit vorzugsweise rechteckigem, fünfeckigem oder an-jonähert qviadratischen Querschnitt auf. üeber dieser Loiterschleifο (1) rfin! ein getrenntes Kühlmxttelleitsysteir. [4) :ür die liühlung des Metallstranges (9,10) angebracht, we2cries ebenfalls rechteckigen oder quadratischen Querschnitt (5"· aiuv/oist und unabhängig von der Leiterschleifo (1) befestigt und selbständig mit dem Kühlmittelgespiesc-n wird. Dieser, Kühliui.ttoLloitsystem (4) weist an seinor inneren n^i'x-nwancl Geffnungen (6) auf, welche einen nach untan gerichteten Strahl (11) des Kühlmittels auf den

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Metallstrang (9,10) austreten lassen. Diese Anordnung weist und Vorteil auf, dass die beiden Kühlmittelleitsysteme (5) und (7) unabhängig voneinander befestigt, justiert, ausgewechselt und gegebenenfalls repariert werden können, und dass die Kühlmittelzufuhr pro Zeiteinheit in den beiden Systemen entsprechend der zu legenden giessereitechnischen /aufgäbe verschieden gewählt v/erden kann.

Zur mechanischen Stabilisierung der Vorrichtung nach Fig.l und 2 hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Leiterschleife (1) durch entsprechend geferrate, aus isolierendem Material, vorzugsvjei.se einem Schichtwerkstoff, oder aus aushärtbarem Klebstoff gefertigte Zwischenstücke (2) und (3) mit dem Kühlleitungssystem zu verbinden. Die verschiedenen Stücke können dabei entw.-der mittels eines geeigneten aushärtbaren Klebestoffes verklebt oder mittels Schrauben oder Bolzen aus isolierendem Material miteinander verbunden werden. Das Kühlniittelleitiingssystr.ru weist dabei die beiden Haupt-■ leitungen (4) und (7) auf, welche- untereinander durch Oeffnungen (6) verbunden sind. Das Kühlmittel tritt zunächst in die HauptJoi tunn- (4) ein, gelangt durch die Oeffnung (6) in die in direktem Kontakt mit der Leitersciileife (I) stehende Leitung (7) und verlässt diese durch die Oeffnung (8), von wo es auf den Metallstrang auftritt. Die Flächen der Querschnitte der beiden KühLmittelleitungen [A) und (7)

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verhalten sich dabei m allen Anordnungen vorzugsweise wie 2:1 biß 20:1, und die Leitung (4) weist aus fertigungstechnischen Gründen vorzugsweise rechteckigen Querschnitt auf, kann aber zweckmässigerweise auch einen anders geformten/ beispielsweise: kreisrunden Querschnitt haben.

Tn der betrieblichen Anwendung zwigten die unter Verwendung von Induktoren nach Fig.! und 2 gefertigten Gussbarren bei ausreichender Konstanz der eingespiessenen Wechselspannung vollkommen glätte Seitenflächen. Durch die erfindungsgemässen Induktoren und den Wegfall der konstruktov aufwendigen elektromagnetischen Schirme wurden die Fertigungskosten der Strang-'/iosskokille für Magnotguss um 50% und die Kosten der verwendeten elc.ktronctien Energie im Dauerbetrieb um

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Claims

PATENTANS PRUECHE

1. Induktor für eine elektromagnetische Stranggiesskokille, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine metallische Leitterschleife (1) mit in vertikaler Richtung nach oben abnehmender Querschnitts fläche und Kühlleitungssysteitie aufweist, welche einerseits zur Kühlung der Leiterschleife (1), andererseits zur Kühlung des Metallstranges (9,10) dienen.

2. Induktor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Leiterschleife (1) und das Kühlmittelleitsystem mittels elektrisch isolierender Zwischenstücke (2,3) miteinander verbunden sind.

3. Induktor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelleitsystem (7) für die Leiterschleife lind das Kühlmittelleitsystem (4) für den Metallstrang (9,10) getrennt voneinander und letzteres zudem getrennt von der Leiterschleife (T) angeordnet ist.

4. Induktor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Leiterschleife (1) stärker als eine Quadratwurzelfunktion und schwächer als eine Exponentialfunktion abnimmt.

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5. Induktor nach Patentanspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abnahme der Querschnittsfläche durch eine kontinuierlich Ausnehmung erzielt wird.

6. Induktor nach Patentanspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abnahme der Querschnittsflache näherungsweise durch einzelne Stufen erzielt v/ird.

7. Induktor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vertikalabmessung der Leiterschleife zu der grössten Horizontalabmessung mindestens wie 3 : 1 vorhält.

8. Induktor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich grösste und geringste Horizontalabmessung der Leiterschleife wie 3:1 bis 20:1 verhalten.

9. Induktor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die grosste Horizontalabmessung der Leiterschleife sich über nicht mehr als einen Drittel der Vertikalabmossung erstreckt.

10. Induktor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die angelegte Wechselspannung eine Frequenz von 500 - 5000 Hz aufweist, und die Leiterschleife aus einer Aluminiumlegierung gefertigt ist, welche hoch-

stens 1.3 Gewichtsprozente Silizium und höchstens
1.0 Gewichtsprozent Magnesium enthält.

11. Induktor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Flächen des Querschnittes der Kühlmittelleitung (4) zu der Fläche des Querschnitts der Kühlmittelleitung (7) wie 2:1 bis 20:1 verhalten.

12. Induktor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringleitung (4) rechteckigen Querschnitt
aufweist.

13. Induktor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dia Ringleitung (4) runden Querschnitt aufweist'.

14. Induktor nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterschleife (1), Zwischenstücke (2,3) und
Kühlmittelleitung (4) miteinander verklebt sind.

15. Induktor nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterschleife (1), Zwischenstücke (2,3) und
Kühlmittelleitung (4) mittels"Schrauben verbunden sind.

16. Induktor nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, .» dass das Kühlleitungssystem eine Ringleitung (4) und

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einen Hohlraum (7) aufweist, welche untereinander durch eine Oeffnung (f>) verbunden sind, und dass das Kühlmittel durch eine Oeffnung (8) auf den Metallstrang (10) gespritzt wird.

17. Induktor nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterschleife (1) und Kühlmittelleitsystem (7) aus demselben Werkstoff gefertigt sind.

18. Induktor nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelleitsystem (4) für den Metallstrang (9,10) an seiner inneren Seitenwand Oeffnungen (6) aufweist, durch die das Kühlmittel in schief nach unten gerichtetem Strahl (11) auf den Metallstrang (9,10) austritt.

SCHWEIZERISCHE ALUMINIUM AG

Chippis, 21.11.1977
FPA-FD/Ri - 1202 -

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