DE60004232T2

DE60004232T2 - Verfahren und vorrichtung zur messung und reguliering der fliessgeschwindigkeit eines flüssigen metalls in einer stranggiesskokille

Info

Publication number: DE60004232T2
Application number: DE60004232T
Authority: DE
Inventors: Marcel Garnier; Roland Ernst
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 2000-05-30
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2020-05-31
Also published as: FR2794042B1; WO2000072996A1; FR2794042A1; CA2375661C; JP2003500218A; EP1192019B1; ATE246061T1; CA2375661A1; DE60004232D1; EP1192019A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft metallurgische Anordnungen und insbesondere Anordnungen zum kontinuierliche Gießen von flüssigem Metall in eine Kokille.
Die 1 zeigt den Einlaßabschnitt einer Kokille zum kontinuierlichen metallurgischen Gießen 1 anhand einer sehr schematischen teilperspektivischen Ansicht. Die Kokille umfaßt im wesentlichen eine Gußform 2, die im Falle eines kontinuierlichen Gießvorgangs an ihren zwei Enden offen ist. Das flüssige Metall wird durch eine eingetauchte Düse 3 in die Kokille eingebracht, welche in die Gußform 2 gesenkt ist. Die Düse 3 weist seitliche Öffnungen 4 auf, um dem flüssigen Metall eine horizontale Geschwindigkeitskomponente an dem Ausgang der Düse 3 zu verleihen.
Die 2 ist eine vereinfachten Querschnittansicht einer üblichen Kokille, in der die Bewegungen des flüssigen Metalls in dem Einlaßabschnitt der Gußform 2 mit Pfeilen dargestellt sind. Wie in der 2 gezeigt, wird die vertikale Eindringtiefe des Metallzuführungsstroms in der Gußform durch die horizontale Geschwindigkeitskomponente des flüssigen Metalls beschränkt, welche durch die Öffnungen 4 der Düse 3 erzeugt wurde. Das flüssige Metall 1 wird beispielsweise von einem Schmelztiegel (beispielsweise vom Typ eines Hochofens) zugeführt. In dem Beispiel von 2 umfaßt der Schmelztiegel 5 in seinem unteren Abschnitt eine Mündung 6, die mit einer steuerbaren Schließvorrichtung 7 verknüpft ist, um die Verteilung des flüssigen Metalls in der Düse 3 zu steuern. Bei üblichen Einrichtungen kann an dem Ausgang der Düse 3 die Geschwindigkeit des flüssigen Metalls mehrere Meter pro Sekunde erreichen. Es ist daher wichtig, das Eindringen des flüssigen Metalls in den Guß steuern zu können. Tatsächlich führt ein zu tiefes Eindringen dieses flüssigen Metalls zu einigen Problemen. Eines dieser Probleme ist das Ablösen von nicht-metallischen Partikeln, die von dem Pulver oder der Haut (nicht gezeigt) stammen, welche den Guß 8 in der Kokille 2 bedeckt. Diese Partikel werden in dem erhaltenen Metall festgehalten. Ein zu starkes Eindringen des flüssigen Metalls verursacht ferner einen invertierten Temperaturgradienten, da das flüssige heiße Metall auf die tiefen Regionen des Gusses wirkt und insbesondere ein lokales partielles Aufschmelzen bis tief in den zumindest teilweise erstarrten Guß hinein hervorruft und dadurch ebenfalls die Qualität des Produkts ungünstig beeinflußt.
Um die Geschwindigkeit des flüssigen Metalls zu begrenzen, werden Bremssysteme und insbesondere elektromagnetische Bremssysteme verwendet.
Ein erster Typ einer elektromagnetischen Bremse verwendet ein magnetisches Gleichstromfeld in einer Richtung senkrecht zu dem Metallfluß, das induzierte Ströme erzeugt. Die induzierte Ströme Wechselwirken mit dem angelegten magnetischen Feld und erzeugen eine elektromagnetische Kraft, die eine Bremskraft ist, welche der Bewegung entgegengesetzt ist, die induzierten Ströme verursacht hat. Solche Systeme mit magnetischen Gleichstromfeldern werden im allgemeinen mit Hilfe eines Elektromagneten erzeugt, der die Kokille komplett oder teilweise umgibt, und der ein magnetisches Feld erzeugt, das transversal zu dem flüssigen Metall angeordnet ist. Solche Systeme haben den Nachteil, passiv zu sein, das heißt, daß das magnetische Feld eine Geometrie und eine Position aufweist, die einmalig eingestellt wird, wobei jegliche Abweichung von einem gegebenen Betriebspunkt die Bremseffizienz verringert. Dementsprechend zeigt sich, daß dieses Bremsen ineffizient ist, wenn sich die Versorgungsbedingungen (Geschwindigkeit, Düsenform, Eintauchtiefe der Düsenöffnumg, usw.) ändern.
Eine zweite Kategorie sogenannter elektromagnetischer Gleitfeldbremsen verwendet ein magnetisches Wechselstromfeld, das durch Anlegen einer mehrphasigen Stromversorgung an Induktoren erzeugt wird, wobei die Induktoren eine angepaßte Raumverteilung vorsehen. Dem magnetischen Feld wird so eine Rotations- oder Translationsbewegung gegeben, in Abhängigkeit davon, ob die Form des Induktors zylindrisch oder planar ist. Solche magnetischen Felder erlauben es, den Fluß des flüssigen Metalls bei kontinuierlichen metallurgischen Gießvorgängen zu beschleunigen oder zu verlangsamen. Das System ist somit aktiv, da der induzierte mechanische Effekt in dem flüssigen Metall unabhängig von der Geschwindigkeit der Flüssigkeit ist und daher von dem Bediener gesteuert werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Anordnungen zum kontinuierlichen Gießen, welche mit einem elektromagnetischen Bremssystem mittels eines magnetischen Gleitfeldes ausgestattet sind.
In der Praxis ist eine magnetische Gleitfeldbremse bei industriellen kontinuierlichen metallurgischen Gießanordnung aus vier Gleitfeldinduktoren zusammengesetzt, die paarweise zu jeder Seite der Gußform 2 der Kokille angeordnet sind. In der 1 sind zwei dieser Induktoren schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet. In der 2 sind zwei dieser Induktoren mit gepunkteten Linien dargestellt. Auf der gleichen Seite der Kokille sind die zwei Induktoren symmetrisch zu der Düsenachse 3 an jeder Seite der Düse angeordnet, um die Verteilung des Metalls auszugleichen, wie in 1 dargestellt ist.
Ein Beispiel für ein elektromagnetisches Bremssystem in einer metallurgischen Gießanordnung ist beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung EP 0 550 785 beschrieben.
Ein bestehendes Problem ist, daß die Geometrie der Öffnungen 4 der Düse 3 sich mit der Zeit verändern, insbesondere durch Erosion dieser Öffnungen wegen des schnellen Flusses des flüssigen Stahls innerhalb der Düse. Diese Erosion ist nicht notwendigerweise symmetrisch, wodurch sich eine hydrodynamische Asymmetrie in der Gußform ergibt, da auf einer Seite der Düse 3 ein stärkerer Fluß herrscht, als auf der anderen Seite. Ein solches Ungleichgewicht beeinflußt die Qualität des fertigen Produktes nachteilig, da nicht-metallische Partikel, die von der flüssigen Metallhaut stammen, eingeführt werden und da die Verfestigungszeiten an den verschiedenen Seiten des geformten Gusses unterschiedlich sind.
Es ist daher wünschenswert, die magnetischen Gleitfeldinduktoren 9 getrennt voneinander betreiben zu können, um den Zufluß in die Kokille wieder ins Gleichgewicht bringen zu können.
Zu diesem Zweck könnte daran gedacht werden, die vier Induktoren getrennt voneinander zu versorgen, um viele Kombinationen hinsichtlich der Organisation der Bewegungen des flüssigen Metalls vorzusehen. Insbesondere könnte das Abbremsen des flüssigen Metallflusses auf der einen Seite oder auf der anderen Seite der Düse 3 individualisiert werden.
Jedoch ergeben sich bei der theoretischen Individualisierung der Wirkungen der unterschiedlichen Induktoren auf den Metallguß Probleme bezüglich der Ausführung, da dann insbesondere die aktuelle Giesgeschwindigkeit des Metalles zu einem gegebenen Zeitpunkt bekannt sein muß. Ferner muß die aktuelle Geschwindigkeit des Metallzuflusses auf beiden Seiten der Düse 3 bekannt sein.
Ein übliches Verfahren zum Einstellen des elektromagnetischen Gleitfelds in einer Kokille des Typs, der in den 1 und 2 dargestellt ist, den Fluß in einer Teststruktur beispielsweise mittels Wasser zu modellieren, um die Erregungsfrequenz der Induktoren einzustellen. Eine solche Methode ist insbesondere in der oben genannten europäischen Patentanmeldung EP 0 550 785 beschrieben.
Es ist deutlich, daß es ein solches Verfahren nicht ermöglicht, die Geschwindigkeit des Flusses durch die beiden Öffnungen 4 der Düse 3 in Echtzeit zu ermitteln und insbesondere ein Ungleichgewicht in diesem Fluß zu detektieren.
Eine erste Lösung, um diese Geschwindigkeit zu erhalten, wäre die Verwendung von Dehnungsmeßstreifen, die an Stäben befestigt sind, welche in den flüssigen Stahl der Kokille gesenkt sind. Durch Messen eines Signals, das von dem hydrodynamischen Druck abhängt, der von dem flüssigen Stahl auf die Stäbe ausgeübt wird, kann jede Flußasymmetrie detektiert werden und entsprechend durch Modifikation der Leistung, die den Induktoren 9 zugeführt wird, korrigiert werden. Jedoch ergeben sich bei der Verwendung von Stäben, beispielsweise bei Aluminiumstäben, einige Probleme.
Ein erstes Problem besteht darin, daß solche Stäbe ein invasives Element innerhalb der Kokille bilden, das leicht Verunreinigungen in das erhaltene Produkt einführt, insbesondere durch eine Erosion der Stäbe wegen des Flüssigmetallgusses.
Ein weiterer Nachteil ist, daß sich diese Meßstäbe durch Erosion abnutzen und daher diese Lösung in der Praxis aus ökonomischer Sicht aus schwer durchführbar ist, da in einem industriellen Prozeß ein hoher Verbrauch von Aluminiumstäben auftritt.
Die vorliegende Erfindung überwindet diese Nachteile der üblichen kontinuierlichen metallurgischen Gießanordnungen. Die vorliegende Erfindung gestattet insbesondere die individualisierte Steuerung der Induktoren einer elektromagnetischen Gleitfeldbremse einer solchen Anordnung.
Die vorliegende Erfindung bietet ferner eine Lösung, mit der keine Verunreinigung des flüssigen Metalls während des Gießens verursacht werden.
Die Erfindung bietet weiterhin eine Lösung, die insbesondere ökonomisch ist und bei der es nicht notwendig ist, Materialien einzusetzen, die verbraucht werden.
Im weiteren bietet die vorliegende Erfindung eine Lösung, die insbesondere an eine individualisierte Steuerung der Leiter angepaßt ist, von denen diejenigen Induktoren gespeist werden, welche das magnetische Gleitfeld erzeugen.
Um diese Ziele zu erreichen, bietet die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Messen der Fließgeschwindigkeit in einem flüssigen geschmolzenen Metall innerhalb einer Kokille, die mit einer elektromagnetischen Gleitfeldbremse ausgestattet ist, welches aus dem Messen der Spannung oder des Stroms von zumindest einer Energiequelle der elektromagnetischen Bremse und aus dem Extrahieren der Fließgeschwindigkeit aus dieser Information besteht.
Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren bei einer elektromagnetischen Bremse angewandt, wobei zumindest ein Induktor dieser Bremse zwei Pakete aus mehreren Leitern in einer vertikalen Richtung umfaßt, und wobei das Verfahren darin besteht, daß für jeden Leiter die folgende Beziehung anwendet wird: gradV = –i(ω – vk)A – ρj,wobei ω den Wechselstrom-Erregungskreisfrequenz des Gleitfeldes, v die Metallgeschwindigkeit, k die Wellenzahl des induktiven magnetischen Gleitfeldes, A das Vektorpotential, ρ den spezifischen Widerstand des Metalls, j die Stromdichte des Erregungsstroms des Leiters, V die an dem Induktor anliegende Spannung und i den imaginären Teil einer komplexen Zahl bedeuten.
Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird das Messen der Geschwindigkeit dazu benutzt, die Erregung der Induktoren auf einen vorbestimmten Wert zu regeln.
Die vorliegende Erfindung sieht ferner ein Verfahren vor, welches die kontinuierliche Gießgeschwindigkeit eines geschmolzenen Metalls in einer Kokille regelt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die elektromagnetische Bremse mit Strom bzw. Spannung von zumindest einer konstanten Energiequelle versorgt wird, um die Spannung bzw. den Strom der Energiequelle mit einer Messung der Spannung bzw. des Stroms in jedem Leiter zu regeln.
Die vorliegende Erfindung sieht ferner eine Anordnung zum kontinuierlichen Gießen mit einer elektromagnetischen Gleitfeldbremse vor, um die Strömung eines flüssigen Metalls zu steuern, welches durch zwei Öffnungen einer Düse ausströmt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Induktor der elektromagnetischen Bremse durch eine eigene Schaltung versorgt wird; und daß die Anordnung Mittel zum Regeln des Versorgungsstroms bzw. der Versorgungsspannung jedes Induktors ausgehend von einer Messung der Veränderung des Stroms bzw. der Spannung der Versorgung der Induktoren umfaßt, um die Strömungsgeschwindigkeiten des flüssigen Metalls durch die beiden Öffnungen ausgeglichen zu halten.
Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfaßt jede Versorgungsschaltung jedes Induktors eigene Mittel zum Regeln der elektromagnetischen Erregungsleistung dieses Induktors.
Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfaßt die Anordnung eine Zentraleinheit zum Regeln der Versorgungsschaltung der verschiedenen Induktoren, um die Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Metalls zu regeln.
Diese Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden nicht beschränkenden Beschreibung einzelner Ausführungen in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen betrachtet, wobei:
1 und 2 eine bereits beschriebene Anordnung zum kontinuierlichen Gießen des erfindungsgemäßen Typs darstellen;
3 die jeweiligen Positionen der Induktoren in einem erfindungsgemäßen System zum kontinuierlichen Gießen sehr schematisch darstellt;
4 eine Aufsicht einer Kokille darstellt, die ein Gießgeschwindigkeits-Steuersystem gemäß der Erfindung aufweist; und
5 eine Ausführung einer Schaltung zum Steuern eines Induktors gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt.
In den verschiedenen Zeichnungen wurden für die gleichen Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet. Der Klarheit halber wurden nur die Elemente in den Zeichnungen dargestellt, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendig sind, wobei diese im folgenden beschrieben werden. Als Referenz ist insbesondere die europäische Patentanmeldung EP 0 550 785 zu nennen, die den Aufbau einer Anordnung zum kontinuierlichen Gießen mit einer aktiven elektromagnetischen Gleitfeldbremse beschreibt, da die vorliegende Erfindung die Struktur konventioneller Anordnungen unverändert beibehält.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, den Vorteil einer individuellen Versorgung der verschiedenen Induktoren einer elektromagnetischen Gleitfeldbremse zu nutzen, um aus den elektrischen Merkmalen dieser Induktor-Energiequelle eine Information zu extrahieren, welche die Fließgeschwindigkeit des flüssigen Metalls in der Kokille betrifft.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Tatsache verwendet, daß die Ströme, die von dem leitenden flüssigen Metall erzeugt werden, in dem magnetischen Feld, welches von den Induktoren erzeugt wird, unter anderen von der Fließgeschwindigkeit des flüssigen Metalls abhängen. Insbesondere bei der Annahme, daß das System für eine Metallgeschwindigkeit stabilisiert ist, die einem permanenten Fließzustand des flüssigen Metalls entspricht, überträgt sich jede Störung, die eine Veränderung dieser Geschwindigkeit verursacht, in eine Veränderung der Impedanz des (der) Induktor(en), abhängig von den entsprechenden induzierten Strom. Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine konstante Versorgung verwendet, entweder bezüglich des Stroms oder bezüglich der Spannung, um damit die Induktoren zu versorgen, und die mögliche Änderung der jeweiligen anderen Größe (Spannung oder Strom) wird untersucht, um eine Veränderung in der Fließgeschwindigkeit des flüssigen Metalls zu ermitteln. Ferner kann diese Geschwindigkeit lokalisiert werden, da die Induktoren getrennt voneinander gespeist werden. Diese Information kann in einer bevorzugten Ausführung als Rückkopplung für ein Steuersystem der Energiequelle der verschiedenen Induktoren verwendet werden, um die Metallfließgeschwindigkeit des Metalles auf einen Gleichgewichts-Arbeitspunkt zu regeln, der einer vorgegebenen Geschwindigkeitsreferenz entspricht, die beispielsweise basierend auf einer Modellierung berechnet wird, wie sie in der Anmeldung EP 0 550 785 beschrieben ist.
Die 3 stellt sehr schematisch die Position der vier Induktoren in einer Anordnung zum kontinuierlichen Gießen dar. Zur Vereinfachung werden nur die Induktoren 9 und ein Parallelogramm dargestellt, welches das flüssige Metall l zwischen diesen Induktoren symbolisiert.
Üblicherweise wird jeder der Induktoren 9 aus einigen sich überlappenden Schleifen gebildet, die jeweils mit unterschiedlichen Phasen versorgt werden können. In dem Beispiel von 3 wird von einem zweiphasigen elektromagnetischen Bremssystem ausgegangen. Jeder der Induktoren 9 umfaßt daher zwei Schaltungen 10 bzw. 11, d. h. leitende überlappende Amperewicklung eines magnetischen Jochs 12, welche bezüglich der x-z-Ebene, in der die. Leiterschaltungen 10 und 11 liegen, dem Metall 1 gegenüberliegt. Eine erste Leiterschaltung 11, die einer ersten Phase entspricht, wird aus drei Leiterpaketen 13, 14 und 15 gebildet. Die Anzahl der Leiter in dem zentralen Paket 15 entspricht der doppelten Anzahl der Leiter der Pakete 13 und 14, welche die zwei Leiterpakete 16 und 17 der zweiten Schaltung 10 umgreifen, wobei die Leiterpakete mit der zweiten Phase der zweiphasigen Energiequelle versorgt werden. Um die angepaßten Amperewicklungen zu bilden, werden die Leiterpakete phasenweise an einem ihrer Enden und über die Energiequelle (nicht in 3 gezeigt) an deren jeweiligem anderen Ende miteinander verbunden. Daher liegen die Leiterpakete der verschiedenen Induktoren in dem Beispiel von 3 in der vertikalen Richtung z, wobei die vertikale Achse z in Gießrichtung liegt und die horizontalen Achsen x bzw. y in die längste Richtung des flüssigen Metalls l, welche der Ausrichtung der Öffnungen (4, 1) der Einspritzdüse entspricht, bzw. in die kürzeste Richtung des flüssigen Metalls l weist. Die Leiterpakete sind beispielsweise direkt an deren jeweiligen unteren Enden miteinander verbunden. Durch die Verbindung der Leiterpakete führen die Amperewicklungen einen Strom, der in den vertikalen Abschnitten invertiert ist, abhängig davon, ob die Leiter 13, 14 oder 15 für die erste Schaltung 11 und 16 oder 17 für die zweite Schaltung 10 betroffen sind. Um diesen Fluß in entgegengesetzte Richtungen darzustellen, ist ein beispielhafter Stromfluß in entgegengesetzte Richtungen in 3 darstellt, wobei die Richtungen mit einem „." oder einem „x" symbolisiert werden, abhängig von der Flußrichtung in den vertikalen Abschnitten.
Die in 3 gezeigte Anordnung des Stromflusses ist üblich und wird im weiteren nicht eingehender behandelt. Es sollte lediglich bemerkt werden, daß die vorliegende Erfindung in einem System mit einer größeren Anzahl von Phasen, beispielsweise einem dreiphasigen oder vielphasigen System ausgeführt werden kann, wenn die übliche Phasenüberlappung beachtet wird, um ein vielphasiges Gleitfeld zu erreichen. Es sollte gleichermaßen beachtet werden, daß die Achse x einer longitudinalen Symmetrieachse entspricht, die tatsächlich eine Antisymmetrieachse für die sich paarweise gegenüberstehenden Induktoren 9 darstellt, wie es durch die Darstellung der Stromflußrichtungen in 3 illustriert ist.
In einem elektromagnetischen Gleitfeld, wie es beispielsweise durch die vorangegangenen Zeichnungen dargestellt ist, kann angenommen werden, daß das Vektorpotential A, die Flußdichte j und das elektrische Feld E eine einzige Komponente entlang der vertikalen z-Achse haben. Ferner kann angenommen werden, daß die Geschwindigkeit des induzierten Metalls v eine einzige Komponente entlang der Längsachse x aufweist und daß die magnetische Induktion B zwei Komponenten entlang der horizontalen Achsen x und y aufweist.
Die Gleichlaufgeschwindigkeit v_s des elektromagnetischen Feldes ist gleich dem Produkt der Betriebsfrequenz f der Wechselstromanregung der zwei Phasen und der Wellenlänge λ der Gleitfeldwelle. Es ist zu bemerken, daß die aktuelle Geschwindigkeit v des Metalls zur Gleichlaufgeschwindigkeit entgegengesetzt ist, die auch eine Komponente entlang der Längsachse x hat.
Die Gleichungen, die den Betrieb des elektromagnetischen Feldes in dem Induktor, in der Luft, in dem magnetischen Joch und in dem induzierten Metall jeweils bestimmen, können wie folgt als eine Projektion auf die vertikale Achse z ausgedrückt werden, wobei der einzige nicht bekannte Wert die Komponente A entlang z des Vektorpotentials
ist.
wobei J_i die Stromdichte darstellt, die in dem Induktor durch die Energiequelle erzeugt wird und wobei μ₀ die Permeabilität im leeren Raum darstellt.
In Luft gilt:
In dem magnetischen Joch gilt:
wobei μ_r die relative Permeabilität des magnetischen Mediums ist.
In dem induzierten Metall gilt:
wobei ω die elektrische Kreisfrequenz der Wechselstrom-Versorgung darstellt (ω = 2πf) und wobei ρ den spezifischen Widerstand des flüssigen Metalls darstellt.
In erster Näherung kann unter Vernachlässigung von Kanteneffekten angenommen werden, daß das Vektorpotential A wegen einer sich unendlich ausbreitenden leitenden Oberfläche, die der longitudinalen Richtung x folgt, eine gleitende Welle ist. Es kann ferner angenommen werden, daß die einzige Komponente A des Vektorpotentials entlang der vertikalen Achse geschrieben werden kann als: A = A0ei(ωt – kx),wobei k die Wellenzahl des induktiven magnetischen Gleitfeldes darstellt (k = 2π/λ).
Mit dieser Näherung kann die oben genannte Beziehung in dem induzierten Metall als Projektion auf die vertikale Achse ausgedrückt werden und ergibt sich zu:
Mit der Einführung der Gleichlaufgeschwindigkeit ergibt sich diese Gleichung zu:
Alle oben genannten Ausdrücke zeigen, daß die einzigen variablen Größen für einen vorgegebenen Strom das Potential A und die Geschwindigkeit v des flüssigen Metalls sind.
Es sollte bemerkt werden, daß statt des Stroms die Stromdichte eingestellt werden muß. Jedoch hat die Anzahl der Leiter pro Paket (d. h. die Anzahl der Windungen) keinen Einfluß, da die Spannungsänderung jeder Phase mit einer relativen Änderung der Metallgeschwindigkeit verglichen wird.
Der Spannungsgradient grad V kann daher basierend auf den entsprechenden Werten des Vektorpotentials A, der eingeprägten Stromdichte λ und der oben genannten Beziehungen berechnet werden.
Durch Projektion auf die vertikale Achse z ergibt sich die folgende Maxwell-Gleichung zu:
welche die Werte j, grad V und A miteinander verbindet. Wenn
durch ivkA ersetzt wird, ergibt sich die folgende Gleichung, welche den Spannungsgradienten in jedem Leiter angibt: gradV = –i(ω – vk)A – ρj.
Es ist somit ausreichend, die für alle Leiter in jedem Paket erhaltenen Werte zu summieren, um die gesamte Spannung der entsprechenden Phasen zu erhalten. Falls nötig, kann statt der Spannung die Impedanz jeder Phase abgeleitet werden, indem diese Spannung durch die Ströme dividiert wird, welche durch die Stromquellen 31 und 32 eingeprägt werden.
In einer speziellen beispielhaften Ausführung wird für jedes Leiterpaket ein Rechteck von 160 × 100 mm² angenommen (ausschließlich der Endpakete 13 und 14, die einem Rechteck von 80 × 100 mm² entsprechen) und die Stromdichte beträgt 6,75 × 10⁶ A(eff)/m². Bei einer angenommenen relativen Permeabilität μ_r von 1000 ergibt sich für das Gleitfeld eine Wellenlänge λ von ungefähr 1,3 m. Für eine Betriebsfrequenz von beispielsweise 0,65 Hz ergibt sich eine Gleichlaufgeschwindigkeit von 84,5 cm/s.
Bei der vereinfachenden Annahme, daß das induzierte Metall ein Festkörper mit einem konstanten spezifischen Widerstand von ρ = 100 * 10^–8 Ωm ist (entspricht einer spezifischen Leitfähigkeit von 1 * 10⁶ (Ωm)^–1, d. h. im wesentlichen derjenigen von flüssigem Stahl), können die entsprechende Werte der Gesamtspannung für die Leiterpakete für zwei Module bei einer Flüssigmetallgeschwindigkeit von 10 cm/s und 9 cm/s berechnet werden. Beispielsweise für Pakete 16 und 17 mit 40 Leitern mit einem rechteckigen Querschnitt von 20 × 20 mm², die in Serie geschaltet sind, wodurch sich Pakete mit 40 Windungen ergeben und in jeder ein Strom von 2700 A(eff) fließt, ergeben sich in den Modulen Spannungen von 38,66 Volt bzw. 36,74 Volt für 10 cm/s bzw. 9 cm/s. Entsprechend verringert sich der Betrag der Spannung der entsprechenden Phase um ungefähr 2/38, d. h. ungefähr um 5%. Für die Impedanz der entsprechenden Phase ergibt sich für die gleiche Änderung der Metallgeschwindigkeit eine Veränderung im Bereich von 5%.
Daher kann angenommen werden, daß mit industriellen Werten eine Veränderung der Metallgeschwindigkeit im Bereich von 10% eine Spannungs- und Impedanzänderung im Bereich zwischen 5% und 6% verursacht. Diese Veränderung ist deutlich genug, um die Regelschaltungen zu steuern, um so die Geschwindigkeit zurück auf deren Referenzwert zu bringen, oder um ein zwischen zwei Werten liegendes Intervall auf Null zu bringen.
Die 4 zeigt eine Kokille in einer Aufsicht, wobei die entsprechenden elektrischen Verbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung der zweiphasigen Induktoren in der 3 dargestellt sind. Die direkten Verbindungen zwischen den verschiedenen Leiterpaketen, beispielsweise in dem unteren Abschnitt des Systems, sind durch gepunkteten Linien symbolisiert.
In der Aufsicht von 4 ist die Düse 3 schematisch in der Mitte der Gußform dargestellt. Jeder Induktor 9 ist durch sein magnetisches Joch 12 symbolisiert und deren zwei Leiterschaltungen 10 und 11 sind in senkrechter Richtung durch die entsprechenden zwei Pakete 16 und 17, welche die gleiche Anzahl von Leitern aufweisen, sowie durch die drei Pakete 13, 14 und 15, dargestellt, wobei das mittlere Paket 15 eine Anzahl von Leitern aufweist, die doppelt so hoch wie die Anzahl in den Endpaketen 13 und 14 ist.
Wie bereits bemerkt, sind die Abschnitte 16 und 17 jeder Schaltung 10 direkt miteinander verbunden, beispielsweise durch ein Kabel 18 in dem unteren Abschnitt. Dementsprechend sind die Pakete 13 und 14 jeweils mit dem Paket 15 beispielsweise durch die Kabel 19 und 20 verbunden. In dem oberen Abschnitt der vertikalen Leiterpakete sind die Pakete an den Enden mit Versorgungsvorrichtungen verbunden. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Leiterschaltungen 10 und 11 jedes Induktors 9 individuell mit einer Versorgungsschaltung 21 verbunden, die für den betreffenden Induktor spezifisch sind. Somit sind die Pakete 13 und 14, 15, 16 und 17 durch die entsprechenden Kabel 22, 23, 24 und 25 mit einer Schaltung 21 verbunden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weisen alle Schaltungen 21 die gleiche Struktur auf, die im weiteren anhand 5 beschrieben wird. Jeder Schaltkreis ist individuell mit einer zentralen Steuereinheit 26 verbunden, beispielsweise durch die Kabel 27. Die Kabel 27 sind so dargestellt, daß sie verschiedene unabhängige Leiter umfassen, um für jeden Versorgungsschaltkreis 21 die verschiedenen notwendigen Wechselstrom-Versorgungsphasen, und um die entsprechenden Steuersignale zu liefern, falls nötig, welche von der zentralen Station 26 vorgesehen werden. Es ist zu bemerken, daß nur die Steuersignale individualisiert werden können und daß die vielphasigen Versorgungsleitungen für die verschiedenen Schaltungen 21 die gleichen sein können, wobei die Schaltungen dann die entsprechenden Leistungen, die für jeden Induktor vorgesehen werden, anpassen müssen.
Der Klarheit wegen wurden die mehrfachen Bezüge auf die Induktoren 9 nur einmal in der 4 dargestellt, wobei jeder Induktor den gleichen Aufbau aufweist und diese sich nur durch deren Stromflußrichtung unterscheiden, wie in 3 dargestellt ist.
Die 5 ist eine sehr schematische Darstellung des Aufbaus einer Versorgungsschaltung 21 für einen Induktor gemäß der vorliegenden Erfindung.
In dem Beispiel von 5 wird angenommen, daß jede Induktorphase mit einem niederfrequenten Wechselstromsignal versorgt wird, dessen Effektivstromwert auf einen vorbestimmten Wert gemäß der nominalen Bremsmerkmale eingestellt wird, die für die Kokille erwünscht sind. Daher umfaßt die Schaltung 21 von 5 zwei Stromquellen 31 und 32, die beispielsweise die Kabel 23 und 25 versorgen, welche den Leiterpaketen 15 beziehungsweise 16 zugeordnet sind, wie es anhand der 4 dargestellt ist. Die Stromquellen 31 und 32 sind gemäß der vorliegenden Erfindung durch die jeweiligen Signale 33 und 34 steuerbar, welche von den Regelungsschaltungen 35 bzw. 36 bereitgestellt werden. Jede Schaltung 35, 36 mißt die Spannung zwischen den Leitern 22 und 23 und zwischen den Leitern 24 und 25. Diese Spannungsmessungen werden dazu verwendet, um die Geschwindigkeit des flüssigen Metalls bezüglich des entsprechenden Induktors auszuwerten.
In der Ausführung, die in 5 dargestellt ist, empfängt jeder Regler 35, 36 eine Referenz 37, 38 von der Steuerzentrale 26 (4) und kontrolliert den Strom, der von den Stromquellen 31 und 32 bereitgestellt wird, um eine geregelte und ausgeglichene Geschwindigkeit in der Kokille zu ermöglichen. Jedoch kann die Regelung auch direkt von der Zentrale 26 durchgeführt wird. Alternativ kann eine Spannungsregelung vorgesehen werden, um die Geschwindigkeit so zu berechnen, daß diese von der Zentrale 26 ausgewertet werden kann.
Natürlich können gleichermaßen die Induktoren auch durch eine steuerbare Spannung mit einem vorbestimmten Wert versorgt werden und es kann eine Spannungsmessung verwendet werden, wobei die Veränderungen in der Spannungsmessung dann von der Geschwindigkeit abhängen und dadurch eine Reaktion über die Versorgungs-Spannungsquelle ermöglicht wird.
Die praktische Umsetzung des Verfahrens gemäß der Erfindung durch die Realisierung der elektronischen Schaltungen oder der Programmierung von Berechnungshilfsmitteln, die zur Berechnung notwendig sind, liegt innerhalb der Fähigkeiten eines Fachmanns und basiert auf den funktionellen Angaben, die oben beschrieben wurden. Es sollte bemerkt werden, daß die Komplexität dieses elektronischen Schaltkreises oder der Programmierberechnungen von der gewünschten Genauigkeit der Steuerung abhängt, wie es bei jeder üblichen Steuerung mit der gewünschten Genauigkeit der Steuerung der Fall ist.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß diese das Messen der Geschwindigkeit von flüssigem Metall in einer Kokille ohne jeglichen physikalischen Kontakt mit dem flüssigen Metall ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß diese insbesondere gut an die Steuerung von Systemen zum kontinuierlichen Gießen angepaßt ist, da es sehr einfach ist, auf den Strom oder die Spannung in den Induktoren zu reagieren.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß, abgesehen von den Steuerschaltkreisen der unterschiedlichen Induktoren, keine Modifikation der üblichen Anordnungen zum kontinuierlichen Gießen mit einer elektromagnetischen Gleitfeldbremse notwendig ist.
Natürlich kann die vorliegende Erfindung durch verschiedene Veränderungen, Verbesserungen und Modifikationen verändert werden, die dem Fachmann naheliegen. Insbesondere liegt die Anpassung des Verfahrens an die Anzahl der Phasen des elektromagnetischen Gleitfeldbremssystems innerhalb der Fähigkeiten des Fachmanns und entspricht der Anmeldung sowie den oben angezeigten funktionellen Angaben. Ferner dienen die numerischen Werte, die in der vorangegangenen Beschreibung angegeben wurden, nur der industriellen Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung und verfolgen lediglich den Zweck der Darstellung. Weiterhin ist zu bemerken, daß die vorliegende Erfindung in jedem System zum kontinuierlichen Gießen, unabhängig von der Form der Kokille, realisiert werden kann, vorausgesetzt, daß dieses System ein aktives elektromagnetisches Gleitfeldbremssystem verwendet.

Claims

Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines flüssigen geschmolzenen Metalls (1) in einer Kokille (1), die mit einer elektromagnetischen Gleitfeldbremse ausgestattet ist, gekennzeichnet durch Versorgen der elektromagnetischen Bremse mit Strom bzw. Spannung von zumindest einer konstanten Energiequelle; Messen der Spannung bzw. des Stroms der Energiequelle (31, 32) und Ableiten der Strömungsgeschwindigkeit aus den Veränderungen dieser Messung.
Verfahren nach Anspruch 1, das an einer elektromagnetischen Bremse angewandt wird, wobei zumindest ein Induktor (9) zwei Bündel (16, 17) aus mehreren Leitern in einer vertikalen Richtung (z) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren für jeden Leiter die folgende Beziehung anwendet: gradV = –i(ω – vk)A – ρj,wobei ω den Wechselstrom-Erregungsimpuls des Gleitfeldes, v die Metallgeschwindigkeit, k die Wellenzahl des induktiven magnetischen Gleitfeldes, A das Vektorpotential, ρ den spezifischen Widerstand des Metalls, j die Stromdichte des Erregungsstroms des Leiters, V die an dem Induktor. anliegende Spannung und i den imaginären Teil einer komplexen Zahl bedeuten.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Messen der Geschwindigkeit dazu benutzt wird, die Erregung der Induktoren (9) auf einen vorbestimmten Wert mit Hilfskraft zu regeln.
Verfahren zum Regulieren der kontinuierlichen Gießgeschwindigkeit eines geschmolzenen Metalls in einer Kokille (1), die mit einer elektromagnetischen Gleitfeldbremse ausgestattet ist, welche mehrere Leiter (9) umfaßt, gekennzeichnet durch: Versorgen der elektromagnetischen Bremse mit Strom bzw. Spannung durch zumindest eine konstante Energiequelle, Regeln der Spannung bzw. des Stroms der Energiequelle (31, 32) mit Hilfe der Messung von Spannung bzw. Strom in jedem Induktor.
Anordnung zum kontinuierlichen Gießen mit einer elektromagnetischen Gleitfeldbremse zur Steuerung der Strömung eines flüssigen Metalls 1, welches durch zwei Öffnungen (4) einer Düse (3) ausströmt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Induktor (9) der elektromagnetischen Bremse durch eine eigene Schaltung (21) versorgt wird und daß die Anordnung Mittel (26, 35, 36) zum Regeln des Versorgungsstroms bzw. der Versorgungsspannung jedes Induktors ausgehend von einer Messung der Veränderungen des Stroms bzw. der Spannung der Versorgung der Induktoren umfaßt, um die Strömungsgeschwindigkeiten des flüssigen Metalls durch die beiden Öffnungen ausgeglichen zu halten.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Versorgungsschaltung (21) jedes Induktors (9) eigene Mittel (35, 36) zum Regeln der elektromagnetischen Erregungsleistung dieses Induktors umfaßt.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Zentraleinheit zum Regeln der Versorgungsschaltung (21) der verschiedenen Induktoren (9), um die Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Metalls zu regulieren.