DE60100707T2 - Vorrichtung zur beschickung von flüssigem metall in eine stranggusskokille und verfahren zu deren verwendung - Google Patents

Vorrichtung zur beschickung von flüssigem metall in eine stranggusskokille und verfahren zu deren verwendung Download PDF

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Gemäß einer Ausführungsvariante ist die Induktionseinheit eine elektromagnetische Einheit, welche aus mindestens einem Elektromagnet besteht.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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
  • 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,
  • 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,
  • 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,
  • 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,
  • 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.
  • In den Figuren werden identische Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Anstelle von Induktoren des Typs „Gleitfeld" können im Übrigen auch wie bereits erwähnt Elektromagnete, aber auch natürliche oder industrielle Dauermagnete gewählt werden.
  • 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.
  • 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.

Claims (12)

  1. Vorrichtung zur Beschickung von flüssigem Metall in eine Kokille einer Stranggussanlage zur Herstellung von brammenartigen Erzeugnissen rechteckigen Querschnitts – mit einer eingetauchten Düse (6) 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 (7, 8) unterscheiden, – sowie mit einer Induktionseinheit (14, 15), welche den großen Seiten der Kokille derart zugewandt ist, dass sie beidseitig der Gießhauptebene (P) einander gegenüber stehende Magnetpole mit entgegengesetztem Vorzeichen erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass – der Luftspalt der Induktionseinheit weitestgehend durch die Düse (6) umschrieben ist und von der Induktionseinheit ein durchquerendes Magnetfeld ausgeht, welches die Auslässe mindestens einer (7) der verschiedenen Kategorien (7, 8) abdeckt und – die Vorrichtung Mittel (20, 21) zur Regelung der relativen Intensität des Magnetfeldes am Ort der Auslässe der abgedeckten Kategorie (7) in Bezug auf die Auslässe der anderen Kategorie (8) enthält, so dass die Verteilung des gesamten Flüssigmetall-Durchflusses auf alle Auslässe der Düse (6) geändert werden kann.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionseinheit eine elektromagnetische Einheit ist, welche aus mindestens einem Elektromagnet besteht.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionseinheit aus beidseitig der Gießhauptebene (P) einander zugewandten Induktoren mit Phasen-Mehrfachwicklung des Typs „Gleitmagnetfeld" (14, 15) sowie aus einer zugehörigen elektrischen Speisung zur getrennten Gleichstromspeisung der jeweiligen Wicklungen besteht und dass die Mittel (20, 21) zur Regelung der relativen Intensität des Magnetfeldes Mittel zur Verschiebung der Lage der Magnetpole im Luftspalt der elektromagnetischen Einheit enthalten.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionseinheit aus Dauermagneten besteht.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Regelung der relativen Intensität des Magnetfeldes einen Variator zum Variieren der Intensität des elektrischen Stromes zur Speisung der Induktionseinheit enthalten.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Regelung der relativen Intensität des Magnetfeldes eine bewegliche gleitende Montage der Magneten oder Elektromagneten enthalten.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Änderung der Lage der Magnetpole im Luftspalt aus Mitteln zur getrennten Regelung der Intensitäten der elektrischen Gleichstrome zur individuellen Speisung der Phasenwicklungen der Induktoren (14, 15) bestehen.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionseinheit beidseitig der Gießhauptebene (P) aus zwei ähnlichen, nebeneinander und beidseitig der Gießachse angeordneten Einheiten (14a, 14b) besteht.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die eingetauchte Düse eine Düse ist, welche in der Gießhauptebene (P) untere, zum unteren Teil der Kokille gerichtete Hauptauslässe (7) und obere, nach oben gerichtete Nebenauslässe (8) aufweist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die unteren Hauptauslässe einen einzigen Hauptauslass bilden.
  11. Verfahren zum Einsatz einer Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Beschickung von flüssigem Metall in eine Kokille einer Stranggussanlage zur Herstellung von Erzeugnissen rechteckigen Querschnitts, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Intensität des von den Magnetpolen der Induktionseinheit erzeugten Magnetfeldes durch Verschiebung der Lage der Magnetpole geregelt wird.
  12. Verfahren zum Einsatz einer Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Beschickung von flüssigem Metall in eine Kokille einer Stranggussanlage zur Herstellung von Erzeugnissen rechteckigen Querschnitts, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Intensität des von den Magnetpolen der Induktionseinheit erzeugten Magnetfeldes durch Änderung der Intensität des elektrischen Stromes zur Speisung der Induktionseinheit geregelt wird.
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