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Die vorliegende Erfindung betrifft
das Stranggießen
von Metallen, insbesondere von Stahl. Sie betrifft insbesondere
den Zulauf von Flüssigmetall
von oben in eine Stranggusskokille und genauer noch die Verfahren
zur Anwendung von Magnetfeldern, welche zur Veränderung der Flüssigmetallströme beim Eintritt
des Flüssigmetalls
in die Kokille an der Kokille angelegt werden.
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Das Anlegen eines Magnetfeldes an
einer Stranggusskokille kann bei entsprechender Steuerung der elektromagnetischen
Wirkung die Produktivität
der Gießanlage
bei gleichbleibender oder gar gesteigerter metallurgischer Güte der hergestellten Gusserzeugnisse
bekannterweise steigern. Es konnten nämlich die diesbezüglich schädliche Wirkung der
hydrodynamischen Turbulenzen aufgezeigt werden, welche bei Steigerung
der Gießgeschwindigkeit und
insbesondere beim Gießen
von Erzeugnissen länglichen
Querschnitts wie beispielsweise von Brammen durch die innerhalb
der Kokille immer stärker
werdenden Rücklaufströme bedingt
sind.
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Es sei daran erinnert, dass beim
Stranggießen
von Brammen die Kokille mit dem Flüssigmetall von einem über der
Kokille angeordneten und hierzu beabstandeten Zwischenbehälter über eine
Tauchleitung – eine
sogenannte „eingetauchte
Düse" beschickt wird,
deren Auslässe
weitestgehend in der Gießhauptebene
parallel zu den großen
Seiten unter der freien Oberfläche
des Flüssigstahls
in der herkömmlicherweise
von einer Flüssigschicht
aus aktiver Schlacke bedeckten Kokille mündet.
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Es konnte festgestellt werden, dass
die Geschwindigkeit der Flüssigmetallstrahlen
am Ausgang der Düsenauslässe mehrere
Meter pro Sekunde beträgt,
sobald die Gießgeschwindigkeit
bei 1 bis 1,5 m/min liegt. Die in der Kokille daraus resultierenden Rücklaufströme sorgen
für starke
Unruhe an der Schnittstelle Metall-Schlacke. Diese Schwankungen an
der freien Oberfläche
des gegossenen Metalls verursachen Unregelmäßigkeiten beim Erstarren der ersten
Haut des Gusserzeugnisses, welche lästige Mängel oder gar eine Wandelung
begründende Sachmängel beim
Fertigprodukt (Blasen, Abblätterung)
zur Folge haben können.
Außerdem
können oberflächliche
Schlackenteile in der Kokille ins Innere des Gusserzeugnisses mitgerissen
werden, wodurch die Reinheit des erstarrten Metallerzeugnisses sich verschlechtert.
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Angesichts dieses auf die erwähnten hydrodynamischen
Störungen
zurückzuführenden
Problems verfügt
der Stahlarbeiter heutzutage hauptsächlich über zwei Lösungsansätze, wobei der eine auf die
dem Stranggießen
von Metallen angepassten verfügbaren
magnetohydrodynamischen Werkzeuge zurückgreift und der andere auf
die eigentliche Geometrie der Gießdüse setzt.
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Durch die eigens hierzu entwickelten
elektromagnetischen Schalter – ob
mit statischem Magnetfeld oder mit Gleitmagnetfeld – kann derart
auf die Flüssigmetall-Rücklaufströme in der
Kokille nach dem Austritt des Flüssigmetalls
aus der Düse
eingewirkt werden, dass sie gebremst, beschleunigt oder beidseitig
der eingetauchten Düse
symmetrisch verteilt werden.
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So wurden zuerst elektromagnetische
Bremsen entwickelt, welche darin bestehen, dass an einer bestimmten
Höhe im
Innenraum der Kokille ein durchquerendes Magnetfeld angelegt wird,
welches innerhalb des bewegten Metalls Bremskräfte erzeugt, wenn dieses daran
vorbeifließt
(Laplace-Kräfte).
Hierzu wurde vorgeschlagen, auf jeder großen Seite der Kokille einen
Magnetpol anzubringen, welcher als Elektromagnet mit gewickeltem
Schenkelpol ausgelegt ist und als Feld beidseitig der Düse zwischen
der Düse
und den schmalen Endseiten der Kokille (EP-A-0040383), als eine
waagerechte, sich auf der gesamten Breite der großen Seite
erstreckende Stange (WO 92/12814) oder als zwei parallele, in der Höhe beabstandeten
Stangen zur Umrahmung der Düsenauslässe (WO
96/26029, WO 98/53936) ausgebildet ist. Welches auch immer die gewählte Geometrie
sein mag, ist das verfolgte Ziel stets identisch: einerseits soll
in Zusammenwirkung mit dem auf der anderen Seite der Kokille gegenüberliegenden
gepaarten Pol mit entgegengesetztem Vorzeichen ein derart wirkendes
durchquerendes Magnetfeld erzeugt werden, dass die zu starken in
Richtung freie Oberfläche
zurückfließenden Strömungen gebremst werden
und andererseits soll der nach unten fließende Flüssigmetall-Hauptstrom besser
auf den gesamten Querschnitt der Kokille verteilt werden.
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Für
eine flexiblere Steuerung dieses Verfahrens wurde vorgeschlagen,
keine statischen Magnetfelder, sondern Gleitmagnetfelder anzuwenden,
aufgrund deren Verschiebung das Flüssigmetall bekanntennreise
mitgeführt
werden kann (EP-A-0151648; WO 83/02079, JP-B-1 532 702). Dabei werden
zwei Induktoren mit waagerecht gleitendem Magnetfeld (vertikal ausgerichtete
Leiter) auf jeder großen
Seite der Kokille beidseitig einer eingetauchten Düse mit seitlichen
Auslässen
und zwar zwischen dieser und den schmalen Endseiten so angeordnet,
dass das Flüssigmetall
gleich beim Eintritt in diese Bereiche der Kokille vom Gleitmagnetfeld aufgefangen
wird. Auf diese Art und Weise können die
Flüssigmetallstrahlen
zur Beschickung der Kokille beschleunigt werden (oder gebremst werden,
je nach der relativen Bewegungsrichtung des Gleitfeldes), wobei
die elektromagnetische Wirkung durch bloße Steuerung der Funktionsparameter
der Induktoren wie beispielsweise die Intensität des elektrischen Stromes
zur primären
Versorgung oder die Pulsfrequenz, d. h. die Gleitgeschwindigkeit
des Magnetfeldes, lokal dosiert werden kann.
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Für
alle Fälle
sei daran erinnert, dass ein Gleitmagnetfeld grundsätzlich von
einem Induktor mit mehreren unabhängigen Phasenwicklungen des Typs „Stator
eines linearen Mehrphasenmotors" (in der
Regel zwei- oder dreiphasig) erzeugt wird, welcher gegenüber einer
großen
Seite der Kokille, d. h. parallel zur Gießhauptebene angeordnet ist
(FR-A-2 324 395; FR-A-2 324 397). Jede Wicklung ist mit einer unterschiedlichen
Phase einer mehrphasigen Stromversorgung gemäß einer entsprechenden Anschlussordnung
verbunden, so dass das erwünschte Gleiten
des Magnetfeldes entlang der aktiven Seite des Induktors in einer
zu den Leitern orthogonalen Richtung sichergestellt ist.
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Um Wellenausbreitungen entgegenzuwirken,
wie sie an der freien Oberfläche
von einer Schmalseite der Kokille zur anderen beobachtet wurden,
wurde ebenfalls vorgeschlagen, die in die Kokille in die Bereiche
beidseitig der Düse
eintretenden Flüssigmetallströme mit Hilfe
eines beweglichen Magnetpunkts mit mechanisch einstellbarer Lage
oder mit Hilfe zweier ortsfester aneinanderliegender Magnetpunkte
möglichst
symmetrisch zu machen, deren jeweilige Wirkung auf das bewegte Metall
in Wechselbeziehung miteinander steht (EP-A-0 832 704; JP-A-03275256).
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Beim zweiten Lösungsansatz geht es darum, die
Geometrie des eingetauchten Abschnitts der Gießdüsen, und insbesondere der Flüssigmetall-Auslässe zu optimieren,
wobei das Ziel immer noch darin besteht, die Verteilung der in die
Kokille eintretenden Flüssigmetallströme zu kontrollieren.
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Unter den Lösungen dieser Kategorie finden sich
beispielsweise „Kasten"-Düsen
(US-A-464 698, JP-A-63 76753), deren eingetauchter Abschnitt insgesamt
zwiebelförmig
ausgebildet ist und an einen Malerpinsel oder einen flachen Gießkannen-Brausekopf
erinnert, dessen Funktion er ja auch erfüllen soll.
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Diese Düsen sind nämlich nach unten ziemlich ausgeweitet,
so dass ein Austritt der Gießstrahlen
in der Gießhauptebene
mit geringer Geschwindigkeit, aber auf einem großen Strömungsquerschnitt begünstigt wird.
Ihre Haupteigenschaft besteht darin, das Flüssigmetall in die Kokille möglichst
in einer gleichmäßiger Strömung abzugeben,
welche sich der Idealströmung – der sogenannten „Kolben"strömung – nähert, bei
welcher das Geschwindigkeitsgefälle zwischen
zwei beliebigen Punkten eines Querschnittes annähernd gleich Null wäre und dieser
Querschnitt schnell dem Querschnitt der Kokille weitestgehend gleichen
würde.
Diese kastenförmigen
Düsen verbreiten
sich momentan in der Industrie, insbesondere für Anlagen zum Stranggießen von
dünnen Brammen.
Die Metallrücklaufströme zur freien
Oberfläche
des gegossenen Metalls können
dadurch tatsächlich
sehr geschwächt
werden, und zwar so, dass gegebenenfalls zusätzliche Öffnungen im oberen Teil des
Kastens oder auf dessen Seiten vorgesehen werden können, um
eine zusätzliche
gleichmäßige Wärmezufuhr
auf die freie Oberfläche
sicherzustellen, welche für
einen guten Gießablauf
bekannterweise nötig
ist.
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In dieser Lösungskategorie finden sich
auch gerade Düsen
mit zwei unterschiedlichen Paaren von Seitenauslässen, welche entsprechend der
Gießhauptebene
parallel zu den großen
Seiten der Kokille ausgerichtet werden. Im unteren Abschnitt am
Düsenschaft
angeordnete Auslässe
geben den aus der Kokille herauszuziehenden Metallhauptstrom insgesamt
nach unten ab. Die weiteren Auslässe
sind im oberen Abschnitt angeordnet, um einen Nebenstrom zur Wärmezufuhr
auf die freie Oberfläche
durch eine gleichmäßige Zufuhr
von „neuem" Flüssigmetall,
jedoch mit geringem Durchfluss abzugeben, das gerade mal die Kokille
erreicht hat, d. h. mit hoher Enthalpie. Die relativ geringen Einstandskosten
dieses Düsentyps
können
bei derartigen, regelmäßig auszutauschenden
Verschleißteilen
einen bedeutenden wirtschaftlichen Vorteil sein.
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Wie auch immer die Düse ausgebildet
sein mag – gerade
oder kastenförmig –, ist ihre
Geometrie zwangsläufig
festgelegt, so dass deren Optimierung nur für eine einzige Betriebsweise
beim Gießvorgang oder
für ein
besonderes Gießformat
möglich
ist. Diese Lösungen
scheinen daher schlecht auf die unvermeidlichen eintretenden oder
gewollten Schwankungen oder Änderungen
in der Betriebsweise angepasst zu sein, welche modernen Stranggussanlagen eigen
sind, wie beispielsweise Schwankungen der Gießgeschwindigkeit, Formatänderungen
usw.
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Die elektromagnetischen Schalter
(Bremsen, Beschleuniger, Symmetrieübertrager) sind ihrem Wesen
nach flexibler in der Anwendung und daher besser geeignet, um solchen
Veränderungen
zu folgen. Sie sind hingegen für
keine besondere Betriebsweise optimiert. Sie kontrollieren die Flüssigmetallströme, wenn
das Flüssigmetall
in die Kokille gelangt ist, und wirken mal als Beschleuniger mal
als Strömungsbremse.
Im Gegensatz zu bestimmten oben erwähnten Düsen sorgen sie jedoch überhaupt
nicht für
die Aufteilung des Flüssigmetalleintrages
zwischen dem oberen Teil der Kokille (zur freien Oberfläche hin)
und dem unteren Teil der Kokille (Richtung, in der das Gusserzeugnis
herausgezogen wird). Außerdem
sind die Investitions- und Stromverbrauchskosten relativ hoch und
sie erfordern aufwändige
und teure technologische Änderungen
an den sie empfangenden Kokillen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den
Stahlarbeitern ein Mittel zur Beschickung von flüssigem Metall in eine Stranggusskokille
zur Verfügung
zu stellen, mit dem sich die Aufteilung des Metalleintrages zwischen
dem oberen Abschnitt und dem unteren Abschnitt der Kokille steuern
lässt.
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In Hinblick hierauf betrifft die
Erfindung eine Vorrichtung zur Beschickung von flüssigem Metall
in eine Kokille einer Stranggussanlage zur Herstellung von brammenartigen
Erzeugnissen rechteckigen Querschnitts, welche dadurch gekennzeichnet
ist, dass sie folgende Elemente enthält:
- – eine eingetauchte
Düse mit
Flüssigmetall-Auslässen, welche
in oder im Wesentlichen in der Gießhauptebene (P) parallel zu
den großen
Seiten der Kokille angeordnet sind, wobei diese Auslässe sich
aufgrund ihrer Auslassrichtung gemäß mindestens zwei verschiedenen
Kategorien unterscheiden,
- – eine
Induktionseinheit, welche auf den großen Seiten der Kokille angeordnet
ist, um dort beidseitig der Gießhauptebene
einander gegenüber
stehende Magnetpole mit entgegengesetztem Vorzeichen zu erzeugen,
wobei von der Induktionseinheit in deren weitestgehend durch die
Düse umschriebenen
Luftspalt ein durchquerendes Magnetfeld ausgeht, welches die Auslässe mindestens
einer der verschiedenen Kategorien abdeckt und
- – Mittel
zur Regelung der relativen Intensität des Magnetfeldes am Standort
der Auslässe
der abgedeckten Kategorie in Bezug auf die Auslässe der anderen Kategorie,
so dass die Verteilung des gesamten Flüssigmetall-Durchflusses auf alle Auslässe der
Düse geändert werden
kann.
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Gemäß einer Ausführungsvariante
ist die Induktionseinheit eine elektromagnetische Einheit, welche
aus mindestens einem Elektromagnet besteht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante besteht
die Induktionseinheit aus beidseitig der Gießhauptebene einander zugewandten
Induktoren mit Phasen-Mehrfachwicklung
des Typs „Gleitmagnetfeld" sowie aus einer
zugehörigen
elektrischen Speisung zur getrennten Gleichstromspeisung der jeweiligen
Wicklungen und enthalten die Mittel zur Regelung der relativen Intensität des Magnetfeldes
Mittel zur Verschiebung der Lage der Magnetpole im Luftspalt der
elektromagnetischen Einheit.
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Es ist denkbar, dass ein Induktor
(Elektromagnet oder Induktor des Typs „Gleitmagnetfeld") auf nur einer Seite
der Kokille verwendet wird, jedoch in diesem Fall zum Nachteil der
verfügbaren
elektromagnetischen Leistung. Erfindungsgemäß muss vom Magnetpol des Induktors
in jedem Fall immer ein Magnetfeld ausgehen, das senkrecht zur Kokillenwand ausgerichtet
ist, gegenüber
welcher der Induktor eingesetzt ist, da ansonsten die gewünschte Wirkung nicht
eintritt. Wenn sich daher zwei Induktoren gegenüber stehen, haben die einander
gegenüberstehenden
Pole entgegengesetzte Vorzeichen, damit ein durchquerendes Magnetfeld
entsteht, d. h. dessen Linien die beiden Pole so verbinden, dass
sie sich senkrecht zur Gießhauptebene
erstrecken, in der sich die Metallstrahlen durch die Auslässe der
im Luftspalt der beiden Induktoren angeordneten Düse entwickeln.
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Der Magnetpol eines Induktors wird
als der Bereich der aktiven Seite des Induktors definiert, in dem
das vom Induktor erzeugte Magnetfeld am größten ist. Im Falle eines Elektromagneten
ist der Pol das oft ausgeprägte
Ende der gewickelten ferromagnetischen, das Gerät kennzeichnende Metallmasse. Im
Falle eines Induktors des Typs „Gleitmagnetfeld" mit Phasen-Mehrfachwicklung
hat der Magnetpol keine feste materielle, mit einer bestimmten ferromagnetischen
Jochmasse verbundene Darstellung. Vielmehr kann er sich auf der
aktiven Seite des Induktors in Abhängigkeit der momentanen Intensität der Phasenwechselströme verschieben,
welche zur Versorgung der Leiter und deren Phasenregelung dienen. Ebenfalls
wird ein Magnetfeld als Düsenauslässe „abdeckend" bezeichnet, wenn
diese sich in einem Bereich des Kokilleninnenraums befinden, in
dem die höchste
von diesem Feld erzeugte magnetische Induktion herrscht.
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Aufgrund dieser Erläuterungen
wird verständlich,
dass die Wirkung des Magnetfeldes im Bereich der von diesem Feld
abgedeckten Düsenauslässe erfindungsgemäß durch
entsprechende Regelung der Intensität dieses Feldes im betreffenden
Bereich leicht geändert
werden kann (in Bezug auf die am Standort der weiteren Auslässe eventuell
ausgeübte
Wirkung). Dies erfolgt entweder durch Veränderung (Verringerung oder
Verstärkung)
der Intensität dieses
Magnetfeldes ohne Änderung
der Lage des Magnetpols, von dem es ausgeht, oder durch Änderung
dessen Lage auf den großen
Seiten der Kokille bei gleichbleibender Intensität. Die erste erwähnte Funktionsvariante
kann bevorzugt werden, wenn hinsichtlich der Größe und der Entfernung des verwendeten
Magnetpols die Auslässe
beider Kategorien auf dem Düsenkörper ausreichend
beabstandet sind, damit die Werte der magnetischen Induktion an
deren jeweiligen Standorten sehr unterschiedlich sein können, während die
Feldintensität
beispielsweise an den von diesem Feld abgedeckten Auslässen am höchsten ist.
Die zweite erwähnte
Variante hingegen ist besser geeignet in dem wahrscheinlich unvermeidlich
am häufigsten
vorkommenden Fall, in dem alle Auslässe abgedeckt sind und lediglich
die Polverschiebung zu einem ausreichenden Felddifferential zwischen
ihnen führen
kann, um die erfindungsgemäßen Ergebnisse
deutlich zu erreichen.
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Im Fall eines Elektromagneten wird
die Verschiebung des Magnetpols selbstverständlich durch bewegliche Montage
des Elektromagneten auf einem mit der Gießanlage fest verbundenen Rahmen
erreicht, welcher mit Mitteln zu dessen Verschiebung auf der Kokillenseite,
auf der er montiert ist, sowie zu dessen Fixierung am gewählten Standort
versehen ist.
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In manchen Fällen kann es ebenfalls von Vorteil
sein, den Induktor in zwei auf ein und derselben Kokillenseite nebeneinander
angeordnete induktive Teile zu spalten, wobei jeder Teil dadurch
die auf einer Seite der Düse
angeordneten Auslässe
unabhängig
von den Auslässen
auf der anderen Seite kontrolliert.
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Welches auch immer die gewählte Ausführungsvariante
sein mag, ist wahrscheinlich bereits ersichtlich, dass der der Erfindung
zugrunde liegende Gedanke darin besteht, ein Magnetfeld sozusagen als
immaterielle Verschlussklappe zu verwenden, um den durch eine Kategorie
von Düsenauslässen ermöglichten
Durchfluss zu sperren und den Durchfluss am Austritt aus der anderen
Auslasskategorie zu verändern.
Da der Durchfluss bei der Beschickung gleichbleibend ist oder zumindest
von der Wirkung des Magnetfeldes wenig beeinflusst wird, führt diese an
einer Auslasskategorie direkt greifende Wirkung zu einer veränderten
Aufteilung der Anteile des gesamten Durchflusses zwischen den beiden
Auslasskategorien. Auf diese Art und Weise wird eine eingetauchte
Düse mit
variabler Geometrie ohne Formänderung
realisiert.
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Das Magnetfeld soll bevorzugt die
Hauptauslässe
abdecken, nämlich
diejenigen, bei denen der Flüssigmetalldurchfluss
am Austritt am höchsten
ist (es sind in der Regel die nach unten gerichteten Auslässe), da
die Schwankungen der Wirkung dieses Feldes auf die Austrittsströme sich
dort empfindlicher auswirken als auf diejenigen, an denen der Metalldurchfluss
geringer ist. Im Folgenden geht man der Übersichtlichkeit halber davon
aus, dass das Magnetfeld nach unten gerichtete Hauptauslässe abdeckt.
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Es ist ebenfalls klar geworden, dass
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
erfindungsgemäß ein durchquerendes
Magnetfeld eingesetzt wird, welches an der Düse höhenverstellbar ist, jedoch
von einer ortsfesten Induktionseinheit erzeugt wird: ein Paar von
einander zugewandten Induktoren jeweils des Typs „Stator
eines linearen Mehrphasenmotors mit Gleitmagnetfeld", welche derart miteinander
gepaart sind, dass sie gegenphasig sind und somit je ein Magnetfeld
erzeugen, dessen Linien gleichgerichtet sind (Voraussetzung für ein sogenanntes „durchquerendes" Magnetfeld), dessen
Phasenwicklungen jedoch mit individuellen, voneinander unabhängig regelbaren
Gleichstromspeisungen verbunden sind. Eine derartige Induktionseinheit
ist somit bekannterweise geeignet, um Magnetpole mit entgegengesetzten
Vorzeichen zu erzeugen, d. h. ein durchquerendes statisches Magnetfeld
am gewünschten
Ort im Luftspalt. Dieser Wechsel der Pollage ergibt sich aus der
selektiven Aktivierung der Induktorwicklungen durch bloße Regelung
der Funktionsparameter der Grundversorgungen, nämlich praktisch der Intensität der abgegebenen
elektrischen Ströme.
Diese Regelungen sind momentan realisierbar während des Gießens selbst,
wenn erwünscht,
im Abstand von der Gießanlage
in aller Sicherheit für
die Bedienpersonen und völlig
transparent, d. h. ohne ein auch nur geringes Risiko einer Störung beim
ordnungsgemäßen Ablauf
des Gießvorganges.
Es sei daran erinnert, dass die Struktur dieses Induktortyps schon
lange bekannt ist und dass deren Verwendung auch beim Stranggießen von Brammen
als Mittel zum Ingangsetzen vom Flüssigmetall in Abhängigkeit
der Kokillenhöhe
gut bekannt ist (siehe beispielsweise die oben erwähnten Patentschriften
FR-A-2 324 395; FR-A-2 324 397).
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Die Erfindung betrifft somit ebenfalls
ein Verfahren zur Umsetzung der bevorzugten oben angegebenen Vorrichtung,
welches darin besteht, die Intensität des Magnetfeldes entweder
durch Verschiebung der Lage der Pole der Induktionseinheit oder durch
Veränderung
der Intensität
des zur Versorgung der Induktionseinheit dienenden elektrischen
Stromes.
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Zur Verdeutlichung der Erfindung
sowie weiterer Merkmale und Vorteile wird die Erfindung nachfolgend
anhand eines lediglich beispielhaften und nicht erschöpfenden
Ausführungsbeispiels
sowie anhand der beigefügten
Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
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1 einen
vertikalen Querschnitt durch eine Stranggusskokille zur Herstellung
von Stahlbrammen gemäß der Gießhauptebene
in einer schematischen Darstellung, wobei die Kokille in ihrem oberen
Abschnitt mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Beschickung
von flüssigem
Metall gemäß einer
Ausführungsvariante
mit einem einzigen Induktor je Kokillenseite versehen ist,
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2 eine
Detailansicht von 1,
in der die Struktur eines Flächeninduktors
des bekannten Typs verdeutlicht wird, welcher zur Umsetzung der Erfindung
geeignet sein kann und hierzu mit einer Gleichstromspeisung verbunden
ist,
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3 eine
schematische Darstellung aus einer vertikalen Schnittansicht gemäß der vertikalen Ebene
R-R in 1 zur Veranschaulichung der
erfindungsgemäßen Betriebsweise „mit durchquerendem Magnetfeld" von der Seite der
Kokille aus betrachtet,
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4 eine
schematische Darstellung aus einer horizontalen Schnittansicht gemäß der horizontalen
Ebene Q-Q in 1 zur Veranschaulichung
der erfindungsgemäßen Betriebsweise „mit durchquerendem
Magnetfeld" von
der Gießachse
aus betrachtet,
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5 eine
schematische Darstellung ähnlich
der Darstellung in 1,
wobei hier eine Ausführungsvariante
der Erfindung mit zwei nebeneinander angeordneten Induktoren auf
jeder Kokillenseite veranschaulicht wird.
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In den Figuren werden identische
Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben.
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Eine aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung
bestehende, durch eine Wasserleitung an deren Außenseite kräftig gekühlte Kokille 1 empfängt von oben
einen gewissen Flüssigmetall-Durchfluss 2, den
sie nach unten als halbfertiges Stahlerzeugnis 3 abgibt,
das hier eine Stahlbramme sein soll. Am Austritt aus der Kokille
erstarrt die aufgrund deren Kontakt mit der gekühlten Innenseite der Kokille
im Inneren 4 noch flüssige,
auf ihrem Umfang 5 jedoch bereits erstarrte Bramme 3 vollständig während ihres Durchlaufs
entlang der Gießachse
S durch die unteren Ebenen der Gießanlage insbesondere durch
auf ihre Oberfläche
direkt treffende Wasserspritzer. Der Zulauf von „neuem" Metall in die Kokille erfolgt durch eine
eingetauchte Düse 6,
deren auf der Figur nicht sichtbarer oberer Abschnitt um eine Gießöffnung befestigt
ist, welche am Boden eines Verteilers und über diesem Boden von diesem
beabstandet vorgesehen ist und deren unterer Abschnitt in die Kokille
eingetaucht ist. Dieser untere Abschnitt weist Auslässe 7, 8 auf,
welche unter der freien, von einer Schicht 10 aus Oberflächenschlacke
abgedeckten Oberfläche 9 des
Flüssigmetalls
münden.
Es ist ersichtlich, dass diese gemäß der Gießhauptebene ausgerichteten Auslässe zu zwei
unterschiedlichen Kategorien gehören:
- – nach
unten geneigte Hauptauslässe 7,
welche den wesentlichen Teil des Stahldurchflusses zur Beschickung
der Kokille in Strahlen 11 gemäß einer in der Gießhauptebene
(Figurebene) befindlichen und insgesamt zum unteren Teil der Kokille gerichteten
Gesamtrichtung abgeben,
- – darüber angeordnete,
nach oben geneigte Nebenauslässe 8,
welche den restlichen Metalldurchfluss eher in diese Richtung in
Strahlen 12 abgeben, die eine zur Vermeidung von Störerstarrungen
auf dem Meniskus (Erstarrungszipfel usw.) erforderliche zusätzliche
Wärme an
die Oberfläche 9 bringen.
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Hierbei ist unter „Gießhauptebene" die vertikale mittige
Ebene P zu verstehen, welche die Gießachse S in der Mitte der Kokille
durchquert und parallel zu deren großen Seiten 22 verläuft. Im
vorliegenden Fall sind die 1 und 5 gerade in der Gießhauptebene
P. Die andere ähnliche,
jedoch parallel zu den schmalen Kokillenseiten 13 verlaufende
Ebene wird als Gießnebenebene
bezeichnet.
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Das Gesetz der Erhaltung der „Stoff"flüsse setzt
selbstverständlich
voraus, dass der Austrag aus dem unteren Teil der Kokille und der
vollkommen flüssige
Metalleintrag in die Kokille durch die Düse 6 gleich sind.
Da die Extraktionsgeschwindigkeit V ein Gießparameter ist, legt sie den
einlaufenden Durchfluss für
einen bestimmten Erzeugnisquerschnitt 3 fest und somit
auch die Austrittsgeschwindigkeit des Flüssigmetalls aus den Düsenauslässen. Bei
einer hoch leistungsfähigen
Gießanlage
(die Schwelle der Extraktionsgeschwindigkeit V liegt bei ca. 1,5
m/min) werden, wie bereits erwähnt,
die Rücklaufströme schnell
sehr stark, welche aufgrund des starken Gefälles zwischen der Extraktionsgeschwindigkeit
und der hundert Mal höheren
Geschwindigkeit der Metallstrahlen am Austritt aus den Düsenauslässen unvermeidlich
auftreten. Heftige und turbulente Rücklaufsschleifen, welche durch
die gegen die schmalen Kokillenseiten 13 reflektierten
Metallstrahlen noch verstärkt
werden, verursachen dann starke Störungen an der freien Oberfläche 9.
Diese Störungen
sind schädlich
und müssen
geschwächt
oder gar beseitigt werden. Diese Schwächung darf die in den Nebenstrahlen 12 mitgeführte Wärmezufuhr
an der freien Oberfläche 9 jedoch
nicht beeinträchtigen.
Sofern die Funktionsweise einer Stranggussanlage insbesondere aufgrund
der Schwankungen der Gießgeschwindigkeit
in erster Linie „schwankend" ist, wird das erwünschte Gleichgewicht
zwischen einer geforderten ruhigen und ebenen freien Oberfläche und
der Notwendigkeit einer von „neuem" Flüssigmetall
aus der Düse
erwärmten
freien Oberfläche
nahezu ständig
in Frage gestellt.
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Aus diesem Grund ist auf jeder großen Kokillenseite 22 eine
aus einem Paar von elektromagnetischen Induktoren 14, 15 bestehende
Induktionseinheit erfindungsgemäß gegenüber dem
Endteil der Düse
angeordnet. Die beiden Induktoren sind dabei derart gepaart, dass
sie jeweils einen Magnetpol erzeugen, wobei sich die erzeugten Magnetpole
gegenüberstehen
und entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, um ein in Bezug auf die
großen
Seiten 22 senkrechtes durchquerendes Magnetfeld zu erzeugen.
Wie in den 1 und 3 ersichtlich, ist dieses durchquerende
Feld bei „M" im unteren Teil
des Luftspaltes lokalisiert, um die am unteren Ende des Körpers der
Düse 6 befindlichen
Auslässe
der Kategorie 7 „abzudecken". Diese Induktoren
sind jedoch so ausgelegt, dass deren Magnetpole zusammen im Luftspalt
verschoben werden können.
Hierbei erfolgt die Verschiebung in Abhängigkeit der Kokillenhöhe, da die
Leiter 16, ..., 17' waagerecht
liegen. Diese gemeinsame Verschiebung der Induktorenpole über ca. 10
oder 15 cm wird eine entsprechende Verschiebung des durchquerendes
Magnetfeldes im Luftspalt und somit eine korrelative Veränderung
der lokalen magnetischen Bedingungen an den unterschiedlichen Auslässen 7 und 8 der
Düse nach
sich ziehen. Daraus ergibt sich eine erwünschte Umverteilung der Metalldurchflüsse aus
diesen zwei Auslasskategorien, wobei der gesamte Durchfluss unverändert oder nahezu
unverändert
bleibt. In 3 ist mit
M eine ursprüngliche
untere Position des Magnetfeldes im Luftspalt und mit N eine obere
Endposition nach einer vertikalen Verschiebung über eine Entfernung „d" zu den Metallstrahlen
nach oben abgebenden Auslässen 8 angegeben.
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Die Verschiebung des Magnetfeldes
kann durch ein Paar Induktoren des Typs „Elektromagnet" erzielt werden,
welche also mit einem ausgeprägten Pol
als Träger
für einen
hierum gewickelten Drahtleiter versehen und auf einem mit der Gießanlage
fest verbundenen Rahmen verschieblich montiert sind. Diese Realisierung
erfordert daher eine physische Verschiebung der Induktionseinheit.
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Wenn die vorherrschenden Bedingungen dies
ermöglichen,
wird ein in einem ortsfesten Luftspalt verschiebliches Magnetfeld
bevorzugt. Diese Möglichkeit
ist bekannterweise durch eine in der 2 schematisch
dargestellte Induktionseinheit geboten, welche aus zwei einander
zugewandt und beidseitig der großen Kokillenseiten 22 angeordneten
Induktoren mit Phasen-Mehrfachwicklungen
des Typs „Gleitmagnetfeld" besteht. Der hier
dargestellte Induktor ist ein zweiphasiger (d. h. mit zwei Phasenwicklungen)
Flächeninduktor
des Typs „Stator
eines linearen Motors".
Dessen Leiter sind vier untereinander parallele, beabstandete und
horizontal angeordnete gerade Kupferstangen 16, 17, 16', 17'. Jede Wicklung
besteht aus zwei untereinander entgegengerichtet in Serie verbundenen
Stangen, so dass der elektrische Strom sie in entgegengesetzten
Richtungen durchläuft.
Wie in der Figur dargestellt, ist es gleichgültig, ob die verbundenen Stangen
wie 17-16' und 16-17' (Induktor mit
benachbarten Polen) direkt benachbart oder wie 16-16' und 17-17' (Induktor mit verteilten
Polen) versetzt sind.
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Welches die gewählte Konfiguration auch immer
sein mag, kommt es jedoch darauf an, dass jede Phasenwicklung ausschließlich mit
einer Gleichstrom-Grundversorgung
(oder einer Versorgung mit gleichgerichtetem Strom) verbunden wird,
welche von der Versorgung der anderen Wicklung unabhängig ist.
Diese mit 18 und 19 in 2 gekennzeichneten Stromgrundversorgungen
können
aus Bequemlichkeitsgründen
einen gemeinsamen Nullleiter haben. Sie sind in eine Stromversorgungseinheit 20 eingebunden,
welche mit Mitteln 21a und 21b zur unabhängigen Regelung
der Intensitäten
der von jeder Grundversorgung 18, 19 abgegebenen
Ströme
versehen ist, damit beispielsweise ein Strom mit maximaler Intensität eine Wicklung
durchlaufen kann, während
die andere deaktiviert ist (Intensität = Null) und umgekehrt, und
damit alle Zwischenregelungen durchgeführt werden können. Unter
diesen Umständen
wird vom Flächeninduktor 14 (15)
kein Gleitmagnetfeld wie üblich,
sondern ein statisches Magnetfeld erzeugt werden können, dessen
Magnetpol, von dem es ausgeht, durch bloße entsprechende Veränderung
der Stromintensitäten
in den beiden Wicklungen auf der aktiven Fläche des Induktors orthogonal
zu den Leitern verschoben werden kann. Im Übrigen wird für eventuell
erwünschte
weitere Einzelheiten auf die Beschreibung dieses Induktortyps und
dessen Betriebsweise mit Gleitfeld und statischem Feld in der unter
der Nummer WO/99/30856 veröffentlichen
internationalen Patentanmeldung PCT des Anmelders verwiesen.
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In der 3 entspricht
die untere Position „M" des Magnetpols einem
maximalen Strom in der Wicklung 16, 16', welchem ein
Nullstrom in der Wicklung 17, 17' gegenübersteht. Umgekehrt entspricht die
obere Stellung „N" in 3 einem maximalen Strom in der Wicklung 17, 17', dem ein Nullstrom
in der Wicklung 16, 16' gegenübersteht. Selbstverständlich kann
der Standort des Induktorpols an eine beliebige Höhe zwischen
diesen zwei äußeren Positionen
angepasst werden, indem die Stromintensitäten mit Hilfe von die elektrische
Speisung 20 ausstattenden Regelungsmitteln 21 kombiniert
werden.
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In 4 ist
deutlich erkennbar, dass die zwei gepaarten Flächeninduktoren 14, 15 derart
ausgebildet sind, dass deren jeweilige, einander zugewandte Magnetpole
entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen. Dadurch addieren sich das
Magnetfeld des einen und das Magnetfeld des anderen in jedem Punkt des
Luftspaltes zwischen den zwei Induktoren. Die Konfiguration ist
mit „durchquerendem
Magnetfeld": wie
durch die Pfeile B angedeutet, verbinden die Magnetfeldlinien die
Magnetpole von einem Induktor zum anderen und durchqueren dabei
die Gießhauptebene
P senkrecht hierzu und somit die Richtung der Flüssigmetallstrahlen aus der
Düse.
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3 zeigt
ebenfalls diese Konfiguration, jedoch unter einem anderen Blickwinkel.
Das von den Polen der jeweiligen Induktoren 14, 15 erzeugte durchquerende
Magnetfeld kann höhenmäßig über eine
Entfernung „d" von einer unteren
Position „M" aus, in der die
magnetische Bremswirkung auf die Ströme aus den Hauptauslässen 7 maximal
ist, bis zu einer oberen Position „N" verschoben werden, welche einer geschwächten magnetischen
Bremswirkung auf die Hauptauslässe 7,
jedoch einer verstärkten
Wirkung auf die Nebenauslässe 8 entspricht.
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Die vorliegende Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht
auf die eingangs als Beispiele beschriebenen Ausführungsformen,
sondern erstreckt sich auf zahlreiche Varianten oder gleichwertige
Ausführungen,
sofern deren Definition gemäß den beigefügten Ansprüchen eingehalten
wird.
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Es ist nämlich ohne Weiteres verständlich, dass
die Düse
zur Anwendung der Erfindung zwar Auslässe in der Gießhauptebene
aufweisen muss, aber auch woanders weitere Auslässe aufweisen kann, welche
beispielsweise diagonal zu den Kokillenwinkeln gerichtet sein können. Dabei
ist die Erfindung um so effizienter, je mehr die Austrittsstrahlen orthogonal
zu den Magnetfeldlinien gerichtet sind, da die Effizienz der erzielten
elektromagnetischen Wirkung direkt proportional zum vektoriellen
Produkt von Magnetfeld und Strahlengeschwindigkeitsvektor bei deren
Austritt aus den Düsenauslässen ist.
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Des Weiteren liegt der Erfindung
zwar hauptsächlich
der Gedanke zugrunde, dass die vom in die Kokille gelangenden Flüssigmetall
ausgehende Wärmezufuhr
an die freie Oberfläche
besser gesteuert werden soll, so dass die Erfindung bevorzugt auf
Düsen mit
Auslässen
abstellt, von denen einige nach unten und die anderen nach oben
gerichtet sind. Die Erfindung ist jedoch allgemein auf jede Düse anwendbar,
deren Auslässe
nicht alle gleichgerichtet sind. Die Erfindung ist nämlich schon
dann anwendbar, sobald zwei Auslässe
ausgangsseitig wenn noch so schwach unterschiedlich – beispielsweise
um nur wenige Winkelgrade abweichend – gerichtet sind. Die Erfindung
ist jedoch insofern anwendbar, als diese zwei Auslässe immerhin
ausreichend voneinander beabstandet sind, damit ein durchquerendes
Magnetfeld den einen abdecken kann, nicht jedoch den anderen, oder
zumindest beide derart abdecken kann, dass die Induktionswerte zur
gleichen Zeit einigermaßen
voneinander abweichen. Es ist nämlich wohl
klar geworden, dass dem Hauptgedanken der Erfindung die Möglichkeit
einer abweichenden Feldintensität
zwischen zwei Punkten im Innenraum einer Stranggusskokille zur Herstellung
von länglichen
Erzeugnissen zugrunde liegt.
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Obwohl sich daher mit der Erfindung
bessere Ergebnisse mit „Kasten"düsen erreichen lassen, lässt die
Erfindung ebenfalls gerade Düsen
zu, wobei es wesentlich darauf ankommt, dass die zum Gießen verwendeten
eingetauchten Düsen
Auslässe
aufweisen, welche sich in Bezug auf die Richtungen, in welche sie
die Flüssigmetallstrahlen
parallel zu den großen
Seiten austreten lassen – meistens
nach oben und nach unten – in
mindestens zwei Kategorien unterscheiden. Anders ausgedrückt, ist
die Erfindung beispielsweise auch auf gerade Düsen mit solchen Seitenauslässen mit
Unterscheidung oben/unten auf dem Düsenschaft anwendbar.
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Im Übrigen wurde eingangs implizit
davon ausgegangen, dass die Intensität B des Magnetfeldes konstant
bleibt. Wie bereits erwähnt,
kann sie jedoch durch Veränderung
der Intensität
der Versorgungsströme
schwanken, wobei das Feld seinerseits gleichzeitig oder getrennt
im Luftspalt verschoben werden kann.
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Wie in 5 ersichtlich,
kann der Induktor 14 (und natürlich auch der Induktor 15)
in zwei identische, auf ein und derselben Kokillenseite beidseitig der
Gießachse
S nebeneinander angeordnete Teile 14a und 14b getrennt
werden, wobei die Gießdüse im Übrigen herkömmlicherweise
auf diese Achse zentriert ist. Auf diese Art und Weise sollen die
seitlichen Düsenbereiche
unabhängig voneinander
von einem Magnetfeld „abgedeckt" werden, so dass
eine selektive Wirkung auf die aus diesen Bereichen austretenden
Metallgießstrahlen 11, 12 möglich ist. Durch
unabhängige
Regelungen der Induktionsteile 14a und 14b können somit
die Ströme
in die Kokille noch symmetrischer gemacht werden, denn es wird in
dem Augenblick darauf eingewirkt, in dem sie aus der Düse austreten.
Dieses Ergebnis wird selbstverständlich
ergänzend
zum ersten Effekt der Erfindung erzielt, welcher darin besteht,
dass der gesamte austretende Metall-Durchfluss durch Höheneinstellung des
Magnetpols auf jedem induktiven Teil 14a und 14b auf
die unterschiedlichen Auslässe
verteilt wird. Gemäß dieser
Variante wird jeder induktive Teil durch seine eigene (nicht dargestellte)
Grundversorgung mit Strom versorgt, so dass bei Bedarf unterschiedliche
Höheneinstellungen
des Magnetpols auf jedem davon möglich
sind sowie getrennte Veränderungen der
Intensitäten
der sie durchlaufenden Ströme.
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Anstelle von Induktoren des Typs „Gleitfeld" können im Übrigen auch
wie bereits erwähnt
Elektromagnete, aber auch natürliche
oder industrielle Dauermagnete gewählt werden.
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Ferner bedeutet der in der Beschreibung
verwendete Ausdruck „Gleichstrom-Grundversorgungen" nicht unbedingt,
dass strukturell unabhängige Einheitsversorgungen
addiert werden, sondern auch, dass eine einzige mehrphasige – zwei-
oder dreiphasige – Versorgung
mit einstellbarer Frequenz verwendet wird, deren Frequenz auf Null
gesetzt wird, um einen Gleichstrom zu erhalten. Die derartigen mehrphasigen
Stromversorgungen sind wohl bekannt; sie haben einen Wechselrichter
mit einstellbarer Hackschwelle und werden üblicherweise verwendet, um
Elektromotoren mit Dreh- oder Gleitmagnetfeld zu aktivieren. Der
Einsatz einer derartigen elektrischen Speisung zur Versorgung der
Wicklungen des Induktors 14 mit einer Phase pro Wicklung
besteht darin, den Wechselrichter auf die Frequenz Null zu setzen,
indem solche Regelungen zu ausgesuchten Augenblicken durchgeführt werden,
so dass die Stromintensitäten
in jeder Phase in eben diesen Augenblicken den Intensitäten entsprechen,
die in den mit diesen Phasen verbundenen Wicklungen erreicht werden
sollen.
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Die Erfindung wird zwar bevorzugt
im Zusammenhang mit dem Stranggießen von Stahlbrammen verwendet,
wofür sie
ursprünglich
auch konzipiert wurde. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass sie
auf das Stranggießen
von Metallen im Allgemeinen und insbesondere auf das Stranggießen von dünnen Brammen
anwendbar ist.