DE3130152C2 - Vorrichtung zum magnetischen Rühren von geschmolzenem Metall - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum magnetischen Rühren von geschmolzenem Metall in einer Kokille mittels eines drehbaren die Kokille umgebenden Permanentmagneten. Der drehbare Permanentmagnet ist derart ausgestaltet, daß er ein sich drehendes Magnetfeld in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung der Kokille erzeugt sowie ein sich verschiebendes Magnetfeld in einer Richtung parallel zur Längsrichtung bei Drehung des Perma nent magneten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Entfernung von Verunreinigungen und Einschlüssen aus geschmolzenem Metall, das zu Barren gegossen wird, bei denen das Verhältnis von Breite zu Höhe nicht größer als 2,5 :1 ist.

Bekanntlich treten beim Stranggießen einer Stahlschmelze oftmals in der Mitte Steigerungen oder poröse Stellen auf. Diese Fehlstellen sind auf metallurgische Ursachen und mechanische Probleme zurückzuführen. So wird z. B. angenommen, daß das Auftreten poröser Stellen in der Mitte auf ungenügende Zufuhr von flüssigem Stahl zur Barrenmitte und auf eine während des Erstarrungsprozesses auftretende Brückenbildung zurückzuführen ist.

Es wurde deshalb bereits vorgeschlagen, diese Fehlstellen durch elektromagnetisches Rühren oder Bewegen mit Mehrphasen-Wechselstrom zu beseitigen. Beim elektromagnetischen Rühren erfolgt eine Bewegung des geschmolzenen Metalls entlang der Erstarrungsfront unter dem Einfluß eines von außen angelegten magnetischen Feldes, das dem geschmolzenen Metall d. h. dem flüssigen Stahl, entlang seiner Erstarrungsfläche eine derartige Bewegung erteilt, daß die Brückenbildung verhindert wird. Dadurch kann ein Strang mit gleichachsigen Kristallen und wesentlich verringerter mittlerer Steigerung und mittlerer Porosität erhalten werden (vgl. »Iron and Steel Internationl«, Feb. 1979, Seiten 19 bis 41 und »Fachberichte Hüttenpraxis, Metallweiterverarbeitung«, 17. Jahrgang, Heft 10/19, Seiten 820 bis 831).

Eine derartige Vorrichtung zum elektromagnetischen Rühren erzeugt sich drehende, magnetische Induktionsfelder mit einer Vielzahl von Elektromagneten, die um die Stranggießkokille herum angeordnet sind. Mit der Zunahme der Größe der Stranggießkokille ist es deshalb notwendig, die Elektromagnete zu vergrößern, um eine ausreichende Rührbewegung zu erzielen. Die Anordnung wird damit groß und teuer. Handelt es sich um eine sehr große Stranggießanlage, so ist es manchmal unmöglich, entsprechende Rührvorrichtungen bereitzustellen. Feiner kann der induzierte Strom im geschmolzenen Metall nur eine bestimmte Tiefe erreichen. Die Grenze wird dabei durch die Frequenz des Wechsilstromcs bestimmt Verwendet man z. B. einen Wechsilström mit einer Frequenz, von 50 Hz, so beträgt die maximale Eindringtiefe des induzierten Stroms ungefähr 100 mm, auch wenn die Magnetfelder auf beiden Seiten des Stranges erzeugt werden.
Sollen Stränge mit einer Dicke von mehr als 100 mm

ίο erzeugt werden, so muß die Frequenz auf einige Hz oder weniger mittels eines Frequenzumsetzers verringert werden. Dies erhöht aber die Kosten der Anlage, wobei weiterhin ein großer Teil der Energie, gleichgültig ob hohe oder niedrige Frequenzen verwendet werden, in den Kernen und Spulen als Verlustleistung auftritt, so daß der Wirkungsgrad bei 0,05 bis 13% liegt Im Falle der allgemein üblichen Frequenz von 50 Hz erfolgt eine sehr schnelle Drehung des Magnetfeldes, die z. B. 3000 U/m für ein bipolares System beträgt Hingegen beträgt die Drehung des geschmolzenen Metalls nur 100 bis 300 m/m. Daraus folgt, daß ein starkor Schlupf des geschmolzenen Metalls auftritt. Da außerdem die Temperatur des gerührten geschmolzenen Metalls als Funktion der Gießtemperatur, der Absenkgeschwindigkeit und der Abkühlbedingungen des Stranges variiert und dadurch auch die Viskosität, ist der Rühreffekt nicht immer reproduzierbar, selbst wenn das geschmolzene Metall die gleiche Zusammensetzung aufweist und die gleichen Rührbedingungen vorliegen.

Aus der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 55-1 49 754 ist bereits eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.

Durch die Anordnung von Permanentmagneten um die Stranggießkokille herum und die Bewegung entlang des Umfangs der Stranggießkokille erzielt man eine ausreichende Eindringtiefe des induzierten Stroms unter gleichzeitiger Vermeidung des Schlupfes im geschmolzenen Metall. Gleichzeitig wird der bauliche Aufwand erheblich verringert, der sonst zur Erzeugung von abwechselnden magnetischen Drehfeldern erforderlich ist, so daß die Kosten für die Vorrichtung erheblich verringert werden.

Weit verbreitet bei rechteckigen Stahlsträngen oder Knüppeln ist das Auftreten von Einschlüssen, die hauptsächlich in Form von Mangan-Silikat-haltigen, kugelförmigen Einschlüssen und von klumpenförmigen Aluminiumoxideinschlüssen vorliegen. Beim Rühren mit induzierten Drehfeldern mit Hilfe von Elektromagneten wird dem geschmolzenen Metall eine Bewegung in ciner Ebene senkrecht zur Absenkrichtung des Stranges erteilt. Dem flüssigen Stahl mit hohem spezifischen Gewicht wird dadurch eine Zentrifugalkraft erteilt, die in Richtung der Barrenkante wirkt. Andererseits sind die Einschlüsse, deren spezifisches Gewicht gering ist, im Mittelteil des Stranges konzentriert. Man hat daher angenommen, daß das elektromagnetische Rühren durch ein verbessertes Entfernen von Verunreinigungen oder Einschlüssen aus dem Bereich unmittelbar unterhalb der Oberfläche des Stranges zu einer Reinigung des Erstarrungsbereiches führt. Da ferner die Einschlüsse, die im mittleren Bereich der Stranggießkokille konzentriert sind, sich zusammenballen, neigen sie dazu, durch das geschmolzene Metall aufzusteigen. Das elektromagnetische Rühren wurde deshalb besonders wirksam zur Bc-

(,5 handlung von geschmolzenem Stahl angesehen.

Es wurde jedoch festgestellt, daß die Geschwindigkeit, mit der zusammengeballte Einschlüsse aufsteigen, geringer ist als die Absenkgeschwindigkeit des Barrens

und demzufolge die meisten Einschlüsse im Strang verbleiben. Ein Strang mit großen Einschlüssen beeinträchtigt jedoch die Qualität des Endproduktes urd macht den Stahl je nach Größe der Einschlüsse sogar unbrauchbar.

Auch ist es bereits bekannt, ein axial gerichtetes, elektrodynamisches Feld zu erzeugen, so daß dem flüssigen Stahl eine Bewegung in einer Ebene parallel zur Ziehrichtung der Barren erteilt wird (GB-PS 13 26 728 und Herrmann, »Handbuch des Stranggießens«, 1958, Seite 426). Obwohl dadurch die Einschlüsse tatsächlich zur Oberfläche des geschmolzenen Metalls aufsteigen, wurden die folgenden Nachteile festgestellt. Da auch hier Elektromagnete verwendet werden, ist der Wirkungsgrad der Anlage sehr klein und die Vorrichtung selber sehr groß. Da prinzipiell dieser elektromagnetische Rührprozeß nur eine geringe Bewegungskraft auf die Randzonen bewirkt, insbesondere auf die gegenüberliegenden Randteile in Richtung der Breite des Stranges in einer Ebene senkrecht zur Absenkrichtung des Stranges, ist dieses Verfahren nicht zur Erzeugung von rechtwinkligen Strängen geeignet, deren Breiten/Höhenverhältnis kleiner als 2,5 :1 ist.

Durch das sich verschiebende induzierte Feld ist obendrein das Stromlinienbild des geschmolzenen Metalls uneinheitlich und kompliziert Aufgrund der ungleichmäßigen Bewegungen des geschmolzenen Metalls werden noch einige Einschlüsse vom Metall mitgenommen und werden später im Strang vorgefunden, insbesondere wenn dem geschmolzenen Metall eine Bewegung in Richtung einer Ebene senkrecht zur Absenkrichtung des Stranges erteilt wird, durch die eine vollständige Entfernung von Einschlüssen aus dem Mittelteil des Stranges verhindert wird.

Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum magnetischen Rühren von geschmolzenem Metall in einer Stranggießkokille anzugeben, mit der das Auftreten von Fehlstellen in der Barrenmitte vermieden wird und Einschlüsse vollständig entfernt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dem geschmolzenen Metall eine Drehbewegung und eine Konvektionsbewegung erteilt, wodurch das Auftreten von Fehlstellen verhindert und ein vollständiges Entfernen der Verunreinigungen und Einschlüsse ermöglicht ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, dem geschmolzenen Metall auch dann eine ausreichende Bewegungskraft zu übertragen, wenn sich das Magnetfeld nur langsam dreht, da die Stärke des Magnetfeldes im mittleren Bereich des geschmolzenen Metalls sehr stark ist. Neben dem nur geringen Schlupf erzielt man eine gleichförmige Bewegung geringer Geschwindigkeit im geschmolzenen Metall auch bei großen Siranggießkokillen aufgrund der großen Eindringtiefe des Stromes. Dies wurde anhand von Vergleichsversuchen festgestellt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der vorteilhafte Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnit¹ durch ein erstes Ausfühningsbeispiel einer eifinduri;sgemäßen Vorrichtung;

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemaßen zylindrischen Permanentmagneten:

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer anderen Anordnung eines erfindutigsgemäßen Permanentmagneten;

F i g. 4 ein Diagramm, das die Änderung des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Bewegung des Permanentmagneten zeigt;

F i g. 5 eine schematische Darstellung der Rührbewegungen im Flüssigkeitsstrahl;

F i g. 6a einen Querschnitt durch die Makrostruktur des Stranges;

F i g. 6b zum Vergleich einen Querschnitt durch die Makrostruktur eines Stranges ohne erfindungsgemäße Anwendung des magnetischen Rührens, wobei in den

ίο beiden letzten Figuren mit χ gleichachsige Kristalle bezeichnet sind, mit dem kleinen Kreis in der Mitte eine Fehlstelle bezeichnet ist und bei denen die die gleichachsigen Kristalle umgebenden Bereiche ein sogenanntes Stengelgefüge aufweisen;

F i g. 7 eine grafische Darstellung der in der Mitte des Stranges auftretenden Seigerung und

F i g. 1 zeigt einen Querschnitt einer Stranggießvorrichtung 1 mit einer Halterung 8 für einen mit 2 bezeichneten drehbaren Permanentmagneten, der den Kühlbereich der Stranggießkokille 3 in einer Stranggießanlage 5 umgibt. Der drehbare Permanentmagnet 2 umgibt den Kühlbercich der Stranggießkokille zwischen dem Einlaß 6 und dem Auslaß 7. Die Halterung 8 mit einem Lager 9 zur Drehung des Magneten ist außerhalb des Magneten angeordnet. Zum Schutz des Magneten 2 kann noch ein nicht dargestellter Schutzring auf der Innenfläche des zylindrischen Magneten angeordnet werden.

Die den Permanentmagneten 2 tragende Halterung 8 ruht auf dem unten angeordneten Lager 9, das sich wiederum auf dem Grundteil 10 für die Stranggießkokille 3 abstützt. Die Drehung des Permanentmagneten 2 erfolgt mittels eines Motors 11, der ein Getriebe 12 antreibt, so daß sich der zylindrische Permanentmagnet 2 dreht. Anstelle des Getriebes 12 kann auch jede beliebige andere Antriebsvorrichtung verwendet werden. Der Motor 11 kann ein Elektromotor oder ein hydraulischer Motor sein. Die Oberfläche des geschmolzenen Metalls ist mit 13 bezeichnet.

Der Permanentmagnet kann streifenförmig auf der Innenfläche eines zylindrischen Körpers aus magnetischem Material aufgebracht sein; F i g. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines derartigen erfindungsgemäßen drehbaren Permanentmagneten. Dabei wechseln sich Permanentmagnetteile 21 und nichtmagnetische Abstandshalter 22 spiralförmig ab. Wird dieser zylindrische Körper um die Stranggießkokille herum gedreht, so erstreckt sich ein gleichgerichtetes Magnetfeld durch die Stranggußkokille in einer Richtung senkrecht zur Abziehrichtung des Stranges. Die nicht magnetischen Teile sind Abstandshalter, während auch zwei oder mehr Magnetbahnen verwendet werden können, die dann ebenfalls abwechselnd mit den nicht magnetischen Teilen spiralförmig angeordnet sind. F i g. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht eines zylindrischen Magneten, bei dem Permanentmagnetteile 21 und nicht magnetische Abstandshalter 22 stufenweise in einem zylindrischen Körper angeordnet sind.

bo In Fig.4 ist das Prinzip der Erfindung näher erläutert, wobei bei dieser Figur die waagerechte Achse die Umfangsrichtung des zylindrischen Magneten (Φ) oder die axi>.le Richtung des zylindrischen Magneten (z) angibt, und die senkrechte Achse das Magnetfeld am

b^r> Punkt (/., Φ) in der Nähe der Magnetoberfläche. Wie man sieht, bewegt sich das Magnetfeld sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung, sofern der zylindrische Magnet verdreht wird. Bekanntlich fällt die

Richtung oder in einem leitenden Körper (in diesem Fall geschmolzenem Metall) induzierten elektromagnetischen Kraft mit der Bewegungsrichtung des Magnetfeldes zusammen, so daß dem geschmolzenen Metall innerhalb der Kokille sowohl eine Drehbewegung (horizontale Bewegung) aufgrund des drehenden Magnetfeldes und eine Konvektionsbewegung (vertikale Bewegung) aufgrund der Verschiebung des Magnetfeldes erteilt wird.

F i g. 5 zeigt schematisch die erfindungsgemäßen Bewegungsrichtungen. Die Einschlüsse an der Erstarrungsfläche werden aufgrund des Auswascheffektes der erzeugten Bewegung und der Zentrifugalkraft entfernt und steigen auf bis zur Meniskusfläche. Die Einschlüsse können dann durch Aufbringen eines pulverförmigen Fließmittels auf die Metalloberfläche entfernt werden. Wird der zylindrische Permanentmagnet 3t um die Strangkruste 33 gemäß dem Pfeil 32 verdreht, so dreht sich der Metallsumpf 34 entsprechend dem Pfeil 35 in einer Ebene senkrecht zur Abziehrichtung des Stranges. Gleichzeitig wird dem Flüssigkeitsstrahl eine durch den Pfeil 36 angegebene Bewegung erteilt in einer Ebene parallel zur Abziehrichtung des Stranges.

Mit der erfindungsgemäßen Rührvorrichtung kann also die Brückenbildung durch die Drehbewegung des geschmolzenen Metalls vollständig verhindert werden, wobei gleichzeitig die in der Mitte auftretende Steigerung und die dort auftretenden porösen Fehlstellen fast vollständig verhindert werden. Obendrein erreicht man ein Aufsteigen der Einschlüsse zur Oberfläche des geschmolzenen Metalls mit einer Geschwindigkeit, die erheblich höher als die der Abziehgeschwindigkeit des Barrens ist.

Im folgenden werden einige praktische Versuchsergebnisse angegeben.

Beispiel

Erfindungsgemäße magnetische Rührvorrichtung mit einem spiralförmigen drehbaren Permanentmagneten und einer Antriebsvorrichtung gemäß F i g. 1 und 2 wurde in einer Stranggießanlage mit vier Gußöffnungen zur Herstellung von Knüppeln der Größe 100 mm · 80 mm und demzufolge einem Seitenverhältnis von 1,25 eingesetzt

Ein zylindrischer Körper (360 mm Innendurchmesser, 440 mm Außendurchmesser) wurde spiralförmig gemäß F i g. 2 magnetisiert. Zwischen den spiralförmigen Permanentmagnetteilen waren Abstandshalter aus nicht magnetischem Material vorgesehen. Der derart erhaltene zylindrische Permanentmagnet wurde in eine Schulzhülle eingesetzt, deren Außendurchmesser 520 mm betrug und deren Höhe 300 mm betrug. Als Permanentmagnet wurde bei diesem Beispiel ein Samarium-Kobalt-Magnetmaterial verwendet mit einer maximalen Magnetfeldstärke von 20 MGOe und einer magnetischen Flußdichte von 980 G im mittleren Bereich des Zylinders. Der zylindrische Magnet wurde mit einer Geschwindigkeit von 100—250 U/m gedreht

Das magnetische Rühren gemäß der Erfindung erfolgte an zwei Stranggießkokillen während die anderen beiden Stranggießkokillen nicht mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung versehen waren. Die Abzichgcschwindigkeit des Stranges betrug 13 m/min und die Stahlzusammensetzung lautete wie folgt:

C: 0,43%

Mn: 0.65%

S: 0,010%

Si: 0,27%

P: 0,019%

Al-Ver.: 0,0295%
Rest Eisen mit geringfügigen Verunreinigungen.

Es wurden Teststücke aus dem Strang geschnitten ;m denjenigen Stellen, die einer gesamten Gießmenge von 10 Tonnen und 30 Tonnen entsprachen. Die Teststücke

lu wurden anschließend auf Makrostruktur, Seigerung und die Anzahl der Einschlüsse untersucht.

Fig.6a zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß hergestellten Strang. Der gesamte Aufbau besteht fast aus glcichachsigen Kristallen ohne Seige-

!5 rungsbereiche und ohne Fehlstellen in der Mitte. Das in Fig.6b dargestellte Vergleichsstück, das ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Rührverfahrens erhalten wurde, weist zum großen Teil Bereiche mit Stengelgef üge auf und nur einen kleinen Bereich gleichachsiger Kiistalle. Die Seigerungswerte hinsichtlich Schwefel (S) und Kohlenstoff (C) sind in Fig. 7 grafisch dargestellt. Die Kurven A beziehen sich dabei auf die Meßwerte für den Strang, der ohne Anwendung des erfindungsgem ißen Verfahrens erzeugt wurde und die Kurven B auf die Meßwerte für Barren mit Anwendung der Erfindung. Wie die Kurven B erkennen lassen, wird die Seigerung durch Anwendung der Erfindung erfolgreich verhindert. Obendrein betrug die Anzahl der Einschlüsse 13 fur jeden Quadratmeter des Vergleichsbarrens aber nur 2 für jeden Quadratmeter des erfindungsgemäß hergestellten Barrens. Dies zeigt, daß mit der Erfindung die Einschlüsse sehr erfolgreich entfernt werden können.

Das magnetische, erfindungsgemäße Rührverfahren kann mit einer einfachen Vorrichtung durchgeführt werden, in der der Permanentmagnet spiralförmig oder stufenförmig angeordnet ist und während des Gießens um die Stranggießkokille herum verdreht wird. Das geschmolzene Teil in der Stranggießkokille führt sowohl eine waagrechte Bewegung als auch eine senkrechte Bewegung aus, so daß die im mittleren Bereich des geschmolzenen Metalls konzentrierten Einschlüsse und Verunreinigungen in Bewegung gesetzt werden und nach oben befördert werden, wo sie entfernt werden können. Die derart hergestellten Stränge weisen eine erheblich verbesserte Qualität auf und sind frei von Einschlüssen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum magnetischen Rühren von^eschrnolzenem Metall in einer Stranggießkokille mit wenigstens einem drehbaren Permanentmagneten (2), der um die Stranggießkokille (3) angeordnet ist und bei der eine Antriebsvorrichtung zur Drehbewegung des Permanentmagneten (2) um die Stranggießkokille (3) und eine drehbare Hülle (8) zum Tragen des Permanentmagneten vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (2) spiralförmig um die Stranggieß-Kokille (3) ausgebildet ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen stufenweise zusammengesetzten, um die Stranggießkokille (3) herum angeordneten Permanentmagneten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß zwischen den Permanentmagneten (21) ein nichtmagnetischer Abstandshalter (22) vorgesehen ist.