DE69004264T2

DE69004264T2 - Magnetsteuerung eines schmelzsystems.

Info

Publication number: DE69004264T2
Application number: DE90912427T
Authority: DE
Inventors: Joseph Mulcahy; Julian Szekely
Original assignee: Mulcahy J Enterprises Inc
Current assignee: Mulcahy J Enterprises Inc
Priority date: 1989-08-21
Filing date: 1990-08-20
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2010-08-21
Also published as: DE69004264D1; EP0489057A1; ES2045943T3; WO1991002609A1; US4933005A; EP0489057B1; CA2016988A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das elektromagnetische Verarbeiten von Systemen schmelzflüssigen Metalls, insbesondere die Eingrenzung und Strömungssteuerung von gerührten Systemen schmelzflüssigen Metalls.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Elektromagnetisches Rühren wird häufig bei Verfahren zum Verarbeiten von Metallen angewendet. Repräsentative Beispiele hiefür sind unter anderen das Induktionsrühren des Gießformbereiches von Stranggießanalgen und das Induktionsrühren in Pfannen bei der Pfannenmetallurgie.
Eine in jüngster Zeit vorgeschlagene Anwendung des elektromagnetischen Rührens liegt auf dem Gebiet des Rheogießens oder des Gießens von Verbundstoffen, wo intensives Rühren dafür erforderlich ist, Suspensionen von Feststoffen in Schmelzen ausreichende Fließfähigkeit zu erteilen. Intensives Rühren ist dafür erforderlich die herrschende Viskosität solcher Systeme zu verringern.
Beim elektromagnetischen Rühren wird im allgemeinen innerhalb einer Schmelze eine Rotationsbewegung in einer Horizontalebene erzeugt, jedoch kann alternativ in der Schmelze eine vorwiegend vertikale Bewegung unter Verwendung von Linearrührern erzeugt werden.
Es bestehen zahlreiche weitere Möglichkeiten des Rührens im Hinblick auf verschiedenartige geometrische Anordnungen, darunter der Strangformen, von dünnen Strängen und Stabgießeinrichtungen, wobei die Formen vertikal, horizontal oder andersartig orientiert sind. Weiters kann die tatsächlich angewendete Rührmethode eine vorwiegend vertikale, horizontale oder schraubenförmige Bewegung bewirken. Das Rühren kann dauernd oder intermittierend oder so vorgenommen werden, daß sich für das Geschwindigkeitsfeld alternierende Richtungen ergeben.
Ein beachtliches Problem bei den meisten bekannten Anwendungen des Rührens liegt in dem Umstand, daß falls so wie beim Stranggießen eine freie Oberfläche im gerührten Bereich der Form vorliegt und auch bei Anwendungen bei der Pfannenmetallurgie, durch intensives Rühren der Meniskus gestört werden kann und an der freien Oberfläche Störungen oder Wellen erzeugt werden können.
Dieses Problem zeigt sich beispielsweise darin, daß beim Erzeugen einer horizontalen Rotationsströmung in einem zylindrischen Behälter ein zentraler Trichter erzeugt wird, dessen Tiefe du£ch den Ausdruck
bestimmt ist, worin h die Tiefe des Trichters,
w die Winkelgeschwindigkeit,
R den Radius des Zylinders und
g die Erdbeschleunigung
bedeutet. Der Meniskus wird an den Wendungen wegen des Aufwärtsströmens des Metalls verformt, wobei Wellen entstehen können. Eine solche Verformung der Form des Meniskus und das Entstehen von Wellen ist bei zahlreichen Anwendungen des elektromagnetischen Rührens beim Stranggießen äußerst unerwünscht.
Insbesondere wenn, wie es häufig der Fall ist, Formpulver verwendet werden, können Störungen der freien Oberfläche dazu führen, daß das Formpulver in das schmelzflüssige Metall hineingelangt und dann im Fertigprodukt Verunreinigungen eingeschlossen werden.
Eine intensive Umwälzung des Metalls kann auch zu einer Erosion von in das schmelzflüssige Metall eingetauchten Gießrohren führen, über welche das schmelzflüssige Metall in die Form eingebracht wird. Darüber hinaus können die für gewisse Anwendungen, beispielsweise das Rheogießen oder die Herstellung von sehr feinkörnigem Gefüge, unter Umständen erwünschten beträchtlich hohen Geschwindigkeiten zu unannehmbaren großen Verformungen des Meniskus führen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet Anwendungen des Induktionsrührens dort zu verbessern, wo, wie unter anderem beim Rühren in der Form beim Stranggießen und beim elektromagnetischen Rühren in Pfannen oder anderen Behältern, eine freie Oberfläche existiert und Oberflächenstörungen und Verformungen im Meniskus auf ein Mindestmaß verringert werden sollen. Dieses Ergebnis wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dadurch erzielt, daß im Bereich der freien Oberfläche ein statisches Magnetfeld hoher Intensität angelegt wird. Die vorliegende Erfindung ist auch dafür anwendbar Turbulenzen im flüssigen Metall selbst bei Abwesenheit einer freien Oberfläche auf ein Mindestmaß zu verringern.
Dementsprechend wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Induktionsrührverfahren geschaffen, bei welchem geschmolzenes Metall elektromagnetisch mit einer normalerweise im geschmolzenen Metall Turbulenz erzeugenden Intensität gerührt wird und stromauf der Stelle des elektromagnetischen Rührens ein statisches Magnetfeld angelegt wird, um die Turbulenz auf ein Kleinstmaß zu verringern.
Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, Meniskusverformungen und/oder Oberflächenstörungen an der freien Oberfläche des elektromagnetisch gerührten Metalls auf ein Kleinstmaß zu verringern.
Dadurch, daß die Meniskusverformungen und/oder Oberflächenströungen an der freien Oberfläche beseitigt oder zumindest auf ein Kleinstmaß verringert werden, werden die dadurch bewirkten Probleme in der oben erwähnten Weise vermieden oder zumindest auf ein Kleinstmaß verringert.
Eine andere Anwendung des Verfahrens besteht darin, die Turbulenz am Einlaß einer umschlossenen Form, welcher das schmelzflüssige Metall zugeführt und in welcher das elektromagnetische Rühren durchgeführt wird, auf ein Mindestmaß zu verringern. Bei einer solchen Anwendung des statischen Magnetfeldes ergibt sich eine bessere laminare Strömung, welche die Qualität des Produktes erhöht.
Im weitesten Sinne ist die Erfindung auf alle elektrisch leitenden und für das elektromagnetische Rühren geeigneten Materialien, einschließlich Metallen wie Kupfer, Zink, Blei, Eisen und Aluminium und auch ihren Legierungen wie Stahl und auf halbleitende Materialien wie Silizium und Galliumarsenid anwendbar.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 zeigt in Nahansicht den oberen Teil einer vertikalen Stranggießanlage, welche mit Rührwicklungen ausgestattet ist und gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist,
die Figuren 2 und 3 zeigen zwei Ausführungsformen einer gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung aufgebauten horizontalen Stranggießanlage und
Fig. 4 zeigt entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine Stranggießanlage mit in vertikaler Ebene laufendem Gießrad.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

In der Zeichnung zeigt Fig. 1 im Aufriß den oberen Abschnitt einer Stranggießanlage 10. Eine Anzahl von Induktionswicklungen 12 ist mit gleichem Abstand um den Umfang der Stranggießform 14 gelegt, so daß dem schmelzflüssigen Metall 16 in der Form 14 eine Rotationsbewegung um die Achse der Form erteilt wird. Ein Gießrohr 18 erstreckt sich in axialer Richtung zum in der Form 14 befindlichen schmelzflüssigen Metall 16 und führt der Form schmelzflüssiges Metall zu.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind an gegenüberliegenden Seiten der Form 14 in Nähe der freien Oberfläche 22 des in der Form 14 befindlichen schmelzflüssigen Metalls Gleichstromwicklungen 20 vorgesehen. Bei Verwendung der Rührwicklungen 12 wird normalerweise im Bereiche der freien Oberfläche 22 des schmelzflüssigen Metalls 16 der Meniskus verformt und die Oberfläche gestört. Das Auftreten solcher Störungen kann nicht nur zum Einrühren von auf die Oberfläche 22 in die Form eingebrachtem Flußmittel führen, sondern auch Anlaß für eine übermäßige Erosion des schmelzflüssiges Metall zuführenden Gießrohres sein.
Die Gleichstromwicklungen 20 dienen dazu, im Bereiche der freien Oberfläche 22 des schmelzflüssigen Metalls ein statisches Magnetfeld zu erzeugen und die durch die elektromagnetischen Rührwicklungen 12 erzeugten Meniskusverformungen und/oder Oberflächenstörungen auf ein Kleinstmaß zu verringern. Im Endeffekt werden dadurch die sich aus solchen Meniskusverformungen und Störungen ergebenden Probleme, darunter das Einrühren von Formpulver und die Erosion des Zuführungsrohrs, vermieden.
Das von den Gleichstromwicklungen 20 erzeugte Magnetfeld hängt notwendigerweise von der auf das schmelzflüssige Metall 16 ausgeübten Rührkraft ab. Beim üblichen Stranggießen beträgt die Stärke des Rührfeldes in der Regel etwa 200 bis etwa 800 Gauß. Im allgemeinen soll das vom Gleichstrom erzeugte Magnetfeld zumindest gleich stark sein wie das Rührfeld, wobei die Stärke des vom Gleichstrom erzeugten Magnetfeldes vorzugsweise etwa das 3- bis etwa 5-fache der Stärke der Rührfelder beträgt. Unter diesen Voraussetzungen liegt der bevorzugte Bereich der Stärke des von den Gleichstromspulen erzeugten Magnetfeldes im Bereiche von etwa 1500 bis etwa 2000 Gauß.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter anderem dadurch besonders attraktiv gemacht, daß die Möglichkeit geschaffen wird, für das elektromagnetische Rühren stärkere Magnetfelder in der beispielsweise beim Rheogießen erwünschten Weise anzuwenden und dennoch Störungen der freien Oberfläche und andere Turbulenzen zu vermeiden. Im allgemeinen wird ein Magnetfeld von zumindest 2000 Gauß, vorzugsweise etwa 2000 bis etwa 5000 Gauß angewendet.
Gewünschtenfalls können die Gleichstromwicklungen 20 durch das gewünschte Magnetfeld erzeugende Permanentmagnete ersetzt werden. Die Gleichstromwicklungen 20 oder die diese Wicklungen ersetzende Permanentmagnete müssen in Nähe der freien Oberfläche 22 so angeordnet werden, daß das Magnetfeld sich quer über diese Oberfläche 22 erstreckt und somit auf die Oberfläche 22 des schmelzflüssigen Metalls eine Beruhigungswirkung ausübt.
Die Anzahl der Quellen des statischen Magnetfelds hängt in einem großen Ausmaß von den Abmessungen jenes Flächenbereiches ab, über welchen sich das anzulegende Magnetfeld erstreckt und ist auch abhängig von der Intensität des erforderlichen Magnetfelds. Bei einer Form kleinen Durchmessers mag eine einzige Wicklung 20 oder ein Permanentmagnet ausreichend sein, wogegen für Formen größeren Durchmessers in der Regel mehrere Quellen für statische Magnetfelder benötigt werden, die mit gleichem Abstand entlang des Umfangs der Form oder anderen Gefäßes angeordnet sind, durch welche das schmelzflüssige Metall hindurchgelangt.
In der gezeigten Ausführungsform besitzt die Form 14 kreisförmigen Querschnitt. Die Grundsätze der Erfindung sind jedoch auf eine beliebig andere Querschnittsgeometrie besitzende Gefäße anwendbar, durch welche das schmelzflüssige Metall strömt, während es elektromagnetisch gerührt wird.
Fig. 1 erläutert die Anwendung der Grundsätze der vorliegenden Erfindung auf eine am oberen Ende offene vertikale Form, in welcher die Turbulenz an der freien Oberfläche des Metalls beruhigt wird. Wie bereits zuvor erwähnt, ist die vorliegende Erfindung auch für das Beruhigen der Turbulenz in einer geschlossenen Form oder ähnlichen Umgebung anwendbar, um die laminare Strömung zu verbessern. Eine solche Anwendung ist in den Figuren 2 bis 4 gezeigt.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 handelt es sich um eine horizontale Stranggießmaschine 30, insbesondere eine Stranggießmaschine für das horizontale Gießen einer Bramme, in welcher schmelzflüssiger Stahl aus einem Trichter 32 durch eine horizontal angeordnete Gießform 34 strömt. Die Gießform 34 kann jede gewünschte Querschnittsform und dem herzustellenden Produkt welches ein Knüppel, Block oder Bramme sein kann, entsprechende Abmessungen besitzen. Ahnlich wie bei der vertikalen Stranggießanlage gemäß Fig. 1 sind in Nähe der Gießform 34 Induktionsrührspulen 36 vorgesehen, um das schmelzflüssige Metall in der Form durchzurühren.
In der Regel fließt das schmelzflüssige Metall aus dem Trichter 32 in die Gießform 34 mit einer Geschwindigkeit, welche am Eingang in die Form Turbulenz erzeugt und eine nicht-laminare Strömung bewirkt, was die Qualität des Stranggießproduktes nachteilig beeinflußt.
Nahe der Stelle des aus dem Trichter 32 in die Form 34 strömenden Metalls sind Gleichstromwicklungen oder Permanentmagnete 38 so angeordnet, daß die vom zufließenden Metallstrom erzeugte Turbulenz und nicht-laminare Strömung auf ein Kleinstmaß verringert wird. Solche Magnete 38 können auch in Verbindung mit dem Trichter 32 vorgesehen werden, falls elektromagnetisches Rühren im Trichter durchgeführt wird, um im Trichter den Meniskus der freien Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls in analoger Weise zu stabilisieren, wie dies oben im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 zeigt eine geneigt angeordnete Stranggießanlage 40 mit Zwillingsriemen, wobei der obere endlose Riemen 42 und der untere endlose Riemen 44 geneigt angeordnet sind und zwischen beiden Riemen ein horizontaler Strang schmelzflüssigen Metalls 46 eingeführt wird. Auch hier bewirkt das in die Stranggießanlage einströmende schmelzflüssige Metall Turbulenz und nicht-laminare Strömung in Nähe der Zufuhrstelle des schmelzflüssigen Metalls in die Stranggießanlage. Induktionsrührwicklungen 48 sind angrenzend an die Riemen 42 und 44 vorgesehen, um das Rühren des schmelzflüssigen Metalls zu bewirken. In Nähe des Eingangs zur Form 40 sind Gleichstromwicklungen oder Permanentmagnete 50 vorgegesehen, um vom zuströmenden schmelzflüssigen Metall verursachte Störungen auf ein Kleinstmaß zu verringern.
In der gezeigten Ausführungsform ist eine zweipolige Magnetwicklung 50 vorgesehen, deren zweiter Pol bestrebt ist jene elektromagnetische Bewegung auf ein Kleinstmaß zu verringern, welche durch den stromab vorgesehenen Rührer bewirkt wird.
In Fig. 4 ist eine Stranggießeinrichtung 60 mit vertikalem Gießrad gezeigt, wobei am Umfang eines vertikalen Rades als Form 62 eine Gießrinne vorgesehen ist, in welche schmelzflüssiges Metall 64 einströmt und aus welcher ein Profil austritt, welches dem Querschnitt der Gießrinne in der Form 62 entspricht. Angrenzend an die Form 62 ist ein elektromagnetischer Rührer 68 vorgesehen, welcher das Rühren des schmelzflüssigen Metalls in der Gießrinne bewirkt. Ein Satz von Gleichstromwicklungen oder Permanentmagneten 70 kann angrenzend an die Gießrinne in der Form 62 vorgesehen sein, um vom zufließenden Strom 64 schmelzflüssigen Metalls verursachte Störungen auf ein Kleinstmaß zu verringern und um die vom stromab angeordneten Rührer erzeugte elektromagnetische Bewegung so klein als möglich zu machen.

Claims

1. Induktionsrührverfahren, bei welchem geschmolzenes Metall elektromagnetisch mit einer normalerweise im geschmolzenen Metall Turbulenz erzeugenden Intensität gerührt wird und

stromauf der Stelle des elektromagnetische Rührens an das geschmolzene Metall ein statisches Magnetfeld mit einer Intensität angelegt wird, die zumindest ausreicht die Turbulenz an der erwähnten Stelle auf das Kleinstmaß zu verringern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das statische Magnetfeld zumindest so stark ist wie das für das elektromagnetische Rühren angewendete Magnetfeld.

3.Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das statische Magnetfeld 3- bis 4-mal so stark ist wie das für das elektromagnetische Rühren angewendete Magnetfeld.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß das für das elektromagnetische Rühren angewendete Magnetfeld eine Stärke von 200 bis 800 Gauss und das statische Magnetfeld eine Stärke von 1500 bis 3000 Gauss besitzt.

5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das statische Magnetfeld eine Stärke von zumindest 2000 Gauss besitzt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das statische Magnetfeld eine Stärke von 2000 bis 5000 Gauss besitzt.

7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Metall eine freie Oberfläche besitzt, das elektromagnetische Rühren mit einer zu Meniskusverformung und/oder Oberflächenstörungen der freien Oberfläche bewirkenden Intensität erfolgt und das statische Magnetfeld quer über die freie Oberfläche mit einer Intensität angelegt wird, die zumindest ausreicht, an der freien Oberfläche die Meniskusverformungen und/oder Oberflächenstörungen auf ein Kleinstmaß zu verringern.

8.Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß sich das geschmolzene Metall in einer vertikalen Stranggießform befindet, in welche das geschmolzene Metall über ein Gießrohr zugeführt wird, wobei sich die freie Oberfläche benachbart dem oberen Ende der vertikalen Form befindet.

9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Metall aus einer Quelle hiefür in eine Gießform stromauf der Stelle des elektromagnetischen Rührens mit einer zu Turbulenz und nicht-laminarer Strömung in Nähe des Einlasses zur Gießform führenden Geschwindigkeit zugeführt wird und das statische Magnetfeld an das geschmolzene Metall benachbart zum Einlaß zur Form mit einer Intensität angelegt wird, die zumindest dazu ausreicht, die erwähnte Turbulenz und nicht-laminare Strömung auf ein Kleinstmaß zu verringern.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Gießform eine horizontale Brammengießeinrichtung ist und die Quelle für geschmolzenes Metall sich in einem mit der horizontalen Brammengießeinrichtung strömungsmäßig in Verbindung stehenden Trichter befindet, die erwähnte Gießform eine geneigte Zwillingsriemengießeinrichtung ist und die Quelle für geschmolzenes Metall sich in einem mit der Zwillingsriemengießeinrichtung strömungsmäßig in Verbindung stehenden Kanal befindet, oder die Gießform eine Vertikalradgießeinrichtung ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erwähnte statische Magnetfeld mittels eines zweipoligen Magneten angelegt wird.