DE3527387A1

DE3527387A1 - Verfahren zum elektromagnetischen ruehren metallischer schmelzen

Info

Publication number: DE3527387A1
Application number: DE19853527387
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof Dr In Schwerdtfeger; Karl-Heinz Dr Ing Spitzer; Georg Dipl Phys Reiter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-07-31
Filing date: 1985-07-31
Publication date: 1987-02-26

Description

Die Erfindung betrifft ein Rührverfahren für elektrisch leitende Flüssigkeiten, insbesondere metallische Schmelzen. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann insbesondere angewendet werden zum elektromagnetischen Rühren des flüssigen Kerns von Stahl strängen, die nach dem Stranggußverfahren produziert werden.

Stand der Technik ist das elektromagnetische Rühren beim Strang gießen von Stahl mittels magnetischer Drehfelder bzw. mittels magnetischer Wanderfelder bzw. einer Kombination beider Feld typen.

Das elektromagnetische Rühren metallischer Schmelzen beruht all gemein auf folgenden physikalischen Prinzipien:

Zeitlich veränderliche magnetische Felder durchdringen die Schmelze und induzieren in ihr elektrische Ströme. Aus dem Zu sammenwirken dieser Ströme mit dem Magnetfeld resultiert eine Kraftdichte (Lorentz-Kraft). Hierdurch wird die Schmelze in Be wegung gesetzt. Diese Strömung führt sowohl zu erwünschten wie unerwünschten Auswirkungen auf die Erstarrungsstruktur des ge gossenen Produktes. Insbesondere findet man bei gerührten Stahl strängen eine Vergrößerung der Zone mit globulitischer Kristall struktur, eine reduzierte Kernseigerung, sowie eine verminderte Neigung zur Bildung von Lunkern. Folgende Mechanismen wurden in diesem Zusammenhang als Ursachen diskutiert:

a) Die Strömung führt zu einer gleichmäßigen Verteilung von Kristallisationskeimen.
b) Durch die Strömung werden an der Erstarrungsfront Dentriten arme abgebrochen oder abgeschmolzen. Diese gelangen in die Restschmelze und wirken als Kristallisationskeime.
c) Die Strömung führt durch eine gleichmäßigere Temperaturver teilung zu einem beschleunigten Abbau der Überhitzung (der Differenz zwischen der Schmelzentemperatur und der Liquidus temperatur) im oberen Bereich des Stranges und damit zu einem früheren Einsetzen globulitischer Erstarrung.

Da die Struktur von gerührten Strängen weitgehend mit derjenigen übereinstimmt, die bei mit niedriger Überhitzung gegossenen Strängen gefundenen wird, scheint vor allem Punkt "c)" von Be deutung zu sein.

Besonders nachteilig beim elektromagnetischen Rühren ist die Ausbildung sogenannter weißer Streifen. Hierbei handelt es sich um Zonen mit reduziertem Gehalt an Legierungselementen insbeson dere auch Kohlenstoff, die folgendermaßen entstehen:

Beim Erstarren von Stahl ist die Kohlenstoffkonzentration in der flüssigen Phase höher als in der festen Phase. An der Erstar rungsfront stellt sich daher ein Konzentrationsgradient an Kohlenstoff ein. Durch Diffusion, die bei hohen Temperaturen sehr rasch erfolgen kann, wird dieser Konzentrationsgradient zum Teil wieder ausgeglichen. Bei den herkömmlichen Rührverfahren treten an der Erstarrungsfront hohe Geschwindigkeitsgradienten auf. Die Strömung führt dann zu einem konvektiven Abtransport der mit Kohlenstoff angereicherten Schmelze. Dadurch wird ein Konzentrationsausgleich durch Diffusion verhindert und es ent stehen die sogenannten "weißen Streifen". Zu deren Reduzierung wurden nach dem gegenwärtigen Stand der Technik folgende Maß nahmen angewendet:

a) Rühren mit reduzierten Kraftdichten
b) Alternierendes Umschalten der Rührrichtung.

Bei beiden Verfahren ist die in der Mitte des flüssigen Kerns erreichbare Strömungsgeschwindigkeit begrenzt durch die Größe der für die Bildung weißer Streifen kritischen Geschwindigkeit im Bereich der Erstarrungsfront. Hierdurch wird die Effektivität des Rührens hinsichtlich des Abbaus der Überhitzung beträchtlich vermindert.

Das Rührverfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeich net, daß im zeitlichen Mittel eine Kraftdichteverteilung in der Schmelze erstarrender Gießprodukte erreicht wird, die an der Er starrungsfront im Vergleich zu den inneren Bereichen in entge gengesetzte Richtung wirkt. Hierdurch kann die Strömungsge schwindigkeit im Bereich der Erstarrungsfront auf ein unkriti sches Maß hinsichtlich der Bildung weißer Streifen reduziert werden, ohne daß hierdurch automatisch die Größe der Kraftdichte und damit die Strömungsgeschwindigkeit im inneren Bereich der Schmelze beschränkt wird.

Eine Kraftdichteverteilung, wie sie das Rührverfahren gemäß der Erfindung kennzeichnet, kann z. B. erreicht werden durch die Überlagerung von sich in entgegengesetzte Richtungen drehenden Magnetfeldern, die unterschiedlich tief in das Gießprodukt ein dringen. Bei entsprechender Wahl der Feldstärken dominiert in den äußeren Bereichen des Gießproduktes der Kraftdichteanteil, der aus dem weniger tief eindringenden Feld resultiert und in dem inneren Teil der sich aus dem anderen Feld ergebende Kraft dichteanteil. Insgesamt folgt dann die Kraftdichteverteilung, die das Rührverfahren gemäß der Erfindung kennzeichnet. Die Größenordnung der Kraftdichteverteilung kann durch die Stärke der Magnetfelder varriiert werden.

Statt durch die gleichzeitige Überlagerung der Magnetfelder kann die gewünschte Kraftdichteverteilung im zeitlichen Mittel, das für die Strömungsverteilung maßgeblich ist, auch dadurch er reicht werden, daß zeitlich nacheinander zunächst in einer Rich tung mit dem ersten Feld und dann mit dem zweiten Feld in die entgegengesetzte Richtung gerührt wird.

Die Eindringtiefe des magnetischen Feldes kann zum Beispiel bei elektromagnetischen Rührern von heute üblicher Bauart folgender maßen beeinflußt werden:

a) Durch die Geschwindigkeit des magnetischen Feldes, also durch die Frequenz des angelegten Drehstromes.
b) Durch die Polteilung (bei Linearrührern) oder durch die Zahl der Polpaare (bei Drehfeldern).

Die Geschwindigkeit des magnetischen Feldes wirkt sich über den "Skineffekt", also durch die Rückwirkung der induzierten Ströme auf das Magnetfeld, auf die Eindringtiefe des Feldes aus. Hohe Frequenzen dringen weniger tief in das Gießprodukt ein. Bei der Ausnutzung dieses Prinzips kann für ein Rührverfahren gemäß der Erfindung ein üblicher Rührer verwendet werden, der mit einem Drehstrom betrieben wird, welcher sich aus der Überlagerung von Drehströmen verschiedener Frequenz und Drehrichtung ergibt. Die Polteilung bzw, die Polpaarzahl des Rührers wirkt sich über eine entsprechende geometrische Verteilung des magnetischen Fel des auf die Eindringtiefe aus. Ein Rührer für ein Rührverfahren gemäß der Erfindung kann z. B. so aufgebaut sein, daß er mit mehreren Wicklungen unterschiedlicher Polteilung oder Polpaarzahl versehen ist und die mit Drehströmen unterschiedlicher Richtung, Stärke und gegebenenfalls Frequenz beaufschlagt werden. Die unterschiedlichen Wicklungen können zur Erzielung der gewün schten Kraftdichteverteilung auch an Drehströme gleicher Fre quenz angeschlossen werden. Alternativ können auch bei einem entsprechenden Rührer zeitlich nacheinander einzelne Spulen gruppen so geschaltet werden, daß Felder unterschiedlicher Be wegungsrichtung, Polteilung und gegebenenfalls Geschwindigkeit entstehen.

Eine weitere technische Anwendung für ein Rührverfahren gemäß der Erfindung ist das elektromagentische Fördern leitender Flüs sigkeiten. Es sind mehrfach Entwicklungsversuche für das elek tromagnetische Fördern von flüssigem Stahl unternommen worden. Hierbei hat sich als ein Problem der Verschleiß der Feuerfest auskleidung der Förderrinne erwiesen. Diese wird durch die Strö mung des Stahls und den dadurch bedingten hohen Stoffübergangs koeffizienten zwischen Stahl und Feuerfestmaterial stark be schleunigt. Ein Rührverfahren gemäß der Erfindung ermöglicht eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit in dem Bereich nahe der Feuerfestauskleidung. Hierdurch werden hohe Förderraten bei gleichzeitigem geringen Verschleiß der Auskleidung möglich.

Experimentelle Überprüfung

Zum Nachweis der physikalischen Möglichkeit eines Rührerver fahrens gemäß der Erfindung wurde ein Versuchsaufbau wie er in Bild 1 skizziert ist, erstellt.

Die zwei Frequenzgeneratoren (1) und (2) erzeugen eine Sinus spannung von F ₁ Hz bzw. F ₂ Hz. Aus diesen Sinusspannungen werden in den Phasenschiebern (3) jeweils zwei zusätzliche um 120° und 240° verschobene Phase erzeugt. Die auf diese Weise entstandenen Drehströme werden im Addierer (4) mit unterschied licher Drehrichtung aufaddiert. Der resultierende Drehstrom wird verstärkt (5) und an den Stator (6) eines Induktors mit einem Polpaar angeschlossen. Innerhalb des Induktors befindet sich ein mit Quecksilber gefüllter PVC-Zylinder (Innendurchmesser 80 mm). Die Frequenzen waren mit F₁ = 300 Hz und F₂ = 2000 Hz fest gewählt. Variiert wurden die Amplitude der beiden Sinusschwin gungen. Die Strömung im Quecksilber wurde durch auf die Queck silberoberfläche gestreute Partikel gemessen. Bei einer ent sprechende Wahl der Amplitude der Sinusschwingungen stellte sich im Quecksilber eine gegenläufige Strömung ein, die prinzipiell in Bild 2 skizziert ist. Diese Strömung wies trotz der relativ niedrigen mit dem erstellten Aufbau erreichbaren Strömungsge schwindigkeiten einen hohen Turbulenzgrad auf.

Claims

1. Verfahren zum elektromagnetischen Rühren oder Fördern elek trisch leitender Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß mit zwei oder mehreren magnetischen Feldern gerührt oder ge fördert wird, wodurch im zeitlichen Mittel eine Kraftdichte verteilung erzielt wird, die in den äußeren Bereichen der Flüssigkeit schwächer ist als in den inneren oder die in den äußeren Bereichen der Flüssigkeit entgegengesetzt wie in den inneren Bereichen wirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit zwei oder mehreren magnetischen Feldern gerührt oder geför dert wird, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in unterschiedlicher Richtung bewegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit zwei oder mehr magnetischen Feldern gerührt oder gefördert wird, die eine unterschiedliche Polteilung oder Polpaarzahl haben und sich gegebenenfalls auch mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in unterschiedlicher Richtung bewegen.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekenn zeichnet, daß zeitlich nacheinander in verschiedenen Rich tungen gerührt wird, wobei Felder unterschiedlicher Ge schwindigkeit und/oder Polteilung bzw. Polpaarzahl benutzt werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeich net, daß die Rühr- oder Fördereinrichtungen mit einem Dreh strom betrieben wird, der sich aus der Überlagerung von Drehströmen mit Frequenzen im Bereich 0-30 kHz und unter schiedlicher Drehrichtung ergibt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 3 und 4 dadurch gekenn zeichnet, daß zeitlich nacheinander verschiedene Spulen gruppen der Rühr- oder Fördereinrichtung so geschaltet werden, daß jeweils Felder unterschiedlicher Polteilung bzw. Polpaarzahl und unterschiedlicher Wander- bzw. Drehrichtung entstehen.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß der noch flüssige Kern erstarrender Guß stücke gerührt wird.

8. Verfahren nach dem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der noch flüssige Kern von Strängen, die nach dem Strangguß verfahren gegossen werden, gerührt wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß leitende Flüssigkeiten mit magnetischen Feldern transportiert oder gefördert werden.