DE69809288T2 - Einrichtung zum elektromagnetischen abbremsen einer metalschmelze in einer stranggiessanlage - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Stranggießen von Metallen, insbesondere von Stahl. Sie betrifft im Besonderen solche Techniken, bei denen mit Hilfe eines Magnetfeldes auf die Strömung der Metallschmelze beim Eingießen in die Stranggießkokille eingewirkt wird.
• Es ist bekannt, dass der in die Kokille eintretende Metallschmelzestrahl im Innern der Kokille eine hydrodynamische Störung verursacht, die oftmals Ursache von Fehlern ist, die später an dem gewalzten Gießprodukt beobachtet werden. Zum einen treibt der Strahl nichtmetallische Einschlüsse tief in das im Gießzustand flüssige Innere des Produktes, die sich dann durch natürliches Absetzen nur schwer auf dem Meniskus (freie Oberfläche der Metallschmelze in der Kokille) entfernen lassen. Dieses allgemeine Phänomen tritt bei den sog. Kreisbogen- bzw. Halbkreisbogen-Gießmaschinen noch deutlicher zutage, wie dies beim Gießen von Produkten mit großem Querschnitt, insbesondere Brammen der Fall ist, bei denen die Erstarrungsfront der inneren Bogenfläche des Gießproduktes dann ein Hindernis für das Aufsteigen der Einschlüsse bildet, die sich an dieser Stelle ansammeln. Zum anderen äußern sich die durch den Strahl bewirkten Rückströmungen des Flüssigmetalls in aufsteigenden Turbulenzen, die den Meniskus aleatorisch aufwirbeln, und dies im übrigen um so heftiger, je schneller gegossen wird (d. h. über ca. 1,5 m/min zur Information). Solche Oberflächeninstabilitäten sind verantwortlich für Ungleichmäßigkeiten bei der Erstarrung der ersten Außenhaut des Gießproduktes gemäß dem Außenumfang d er Kokille, von denen man weiß, dass sie störende, ja sogar hinderliche Fehler am Endprodukt verursachen (Blasenbildung, Abblättern, etc.)
• Angesichts des Problems, das diese strahlbedingte hydrodynamische Störung mit sich bringt, verfügt der Stahlwerker heute über zwei Lösungswege, die jeweils auf die verfügbaren Geräte der Magneto-Hydrodynamik, die für das Stranggießen von Metallen geeignet sind, zurückgreifen. Der eine, eher kurative Weg, nämlich die elektromagnetische Konvektion (oder Badbewegung), soll die Auswirkungen auf die metallurgische Güte des hergestellten Produktes reduzieren. Der andere Weg präventiver Art, nämlich das elektromagnetische Bremsen, sucht dieser Störung entgegenzuwirken.
• Bei der elektromagnetischen Konvektion wird ein Auswaschen der Erstarrungsfront mit einem gesteuerten Flüssigmetallstrom bewirkt, zum Beispiel von unten nach oben, der die nichtmetallischen Einschlüsse, die andernfalls von dieser Front eingefangen würden, in Richtung Meniskus mit sich reißt. Dieser Flüssigmetallstrom wird durch ein gleitendes Magnetfeld erzeugt, welches in der Regel von einem Induktor mit Mehrphasenwicklung vom Typ mehrphasiger (zwei- oder dreiphasiger) Linearmotor-Stator ausgebildet wird, der parallel zu einer großen Fläche der Bramme oder ihr gegenüberliegend in der Kokille angeordnet ist (BF 2 358 222 und BF 2 358 223). Ein derartiger Induktor besteht klassischerweise aus elektrischen Wicklungen, deren Leiter als regelmäßig voneinander beanstandete parallele Schienen oder als Drahtspulen ausgebildet sind, welche in den Zähnen eines Magnetjochs gelagert und paarweise gegeneinander in Reihe geschaltet sind. Jede Wicklung ist mit einer unterschiedlichen Phase einer mehrphasigen, d. h. dreiphasigen oder zweiphasigen elektrischen Speisung verbunden, und zwar in einer Reihenfolge, die das gewünschte Gleiten des Magnetfeldes am Induktor entlang in Querrichtung zu den Leitern gewährleistet. Diese Art von Induktor mit Mehrphasenwicklung, der geeignet ist, durch Kopplung mit einer mehrphasigen Einspeisung ein gleitendes Magnetfeld zu erzeugen, ist in der elektrotechnischen Literatur ausführlich beschrieben.
• Bei der Technik des "elektromagnetischen Bremsens", an der sich die vorliegende Erfindung orientiert, wird dagegen direkt auf den oder die in die Kokille eintretenden Metallstrahlen eingewirkt, um auf diese Weise deren Penetrationstiefe zu vermindern und auch die bewirkten Rückströmungen des Flüssigmetalls zu reduzieren und somit einem möglichst stillen und möglichst flachen unbewegten Miniskus nahezukommen. Die Wirkungsweise einer solchen Bremse folgt dem gut bekannten Prinzip der Foucaultschen Bremse: wenn ein bewegtes Flüssigmetall (allgemeiner ausgedrückt ein elektrisch leitendes flüssiges Medium) in ein statisches Magnetfeld kommt, wird es von Seiten des Magnetfeldes einer entgegenwirkenden Kraft ausgesetzt, deren Stärke von der des Feldes und von der Geschwindigkeit des Metalls abhängt.
• Bekannt ist eine elektromagnetische Bremse für Kokillen zum Stranggießen von Brammen, die im Wesentlichen aus zwei Elektromagneten mit Schenkelpolen besteht, die sich beiderseits der Längswandungen der Kokille gegenüberliegen und entgegengesetzt gepolt sind, so dass zwischen den Polen transversale magnetische Kraftlinien erzeugt werden. Die Elektromagnete sind im oberen Bereich der Kokille positioniert, um den Metallstrahl unmittelbar bei seinem Eintritt in die Kokille abzufangen. Dabei ist anzumerken, dass der in die Kokille eingegossene und einem solchen Feld ausgesetzte flüssige Stahl streng genommen nicht wirklich gebremst, sondern vielmehr reorientiert und in dem in der Nähe verfügbaren Volumen verteilt wird. Der Gießmetalldurchsatz und damit die Gießgeschwindigkeit des Produktes werden durch die Bremse glücklicherweise nicht geändert. Die Bremse wirkt nämlich wie ein Durchsatzverteiler, durch den eine größere Homogenität im Geschwindigkeitsbereich der Strömung im oberen Teil der Kokille erreicht wird. Der Begriff elektromagnetisches "Bremsen" ist somit strenggenommen unzutreffend, wird aber im weiteren Verlauf aus praktischen Gründen weiter verwendet, um sich dem allgemeinen Sprachgebrauch anzupassen. Eine derartige Bremse ist zum Beispiel in EP A-0 040 383 beschrieben, wo die Benutzung von vier paarweise gekoppelten Elektromagneten empfohlen wird, die auf den Breitseitenwänden einer Kokille zum Stranggießen von Brammen einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei ein Paar auf jeder Seite eines Gießrohres angebracht ist, das zwei seitliche Austrittsöffnungen für den auf die Schmalseitenwände der Kokille gerichteten Materialstrahl aufweist.
• In PCT WO 92/12814 wird vorgeschlagen, den Bremseffekt dadurch zu erhöhen, dass die beiden Elektromagnete auf jeder Breitseitenwand durch einen Stabmagnet ersetzt werden, der sich über die gesamte Breite der Kokille erstreckt, und dieser Stabmagnet oben im Bereich der seitlichen Austrittsöffnungen des Gießrohres angebracht wird, um eine permanente Bremswirkung während der gesamten Ausbreitung des aus jeder Öffnung des Gießrohres in Richtung der Schmalseitenwände austretenden Gießstrahls zu erzielen.
• Seit kurzem ist aus PCT WO 96/26029 bekannt, nicht einen, sondern zwei Stabmagnete pro Seite beiderseits der Austrittsöffnungen des Gießrohres in unterschiedlicher Höhe untereinander anzuordnen, um einen magnetischen Einschluss des Strahlbereichs zwecks hydrodynamischer Isolierung vom Rest der in der Kokille vorhandenen Flüssigmetallmenge zu bilden. Es ist jedoch bekannt, dass die Strömungsbedingungen des Flüssigmetalls in der Kokille von einem Gießvorgang zum anderen und sogar während ein und desselben Gießvorgangs deutlich schwanken können, und zwar in Abhängigkeit von diversen Parametern wie Gießgeschwindigkeit, Eintauchtiefe des Gießrohres und Form seiner Öffnungen, die die Strahlrichtung bestimmt, Breite der Kokille, wenn diese breitenverstellbar ist, etc. Wenn man nun den Wirkungsbereich des Magnetfeldes in der Kokille in Abhängigkeit von diesen Parametern optimieren will, kann dies nicht ohne Verlagerung des Induktors an den Breitseitenwänden der Kokille geschehen, was in der Praxis irrealisierbar ist.
• Ziel der Erfindung ist es, den Stahlwerkern ein Mittel zu verschaffen, um die Wirkungsbereiche einer elektromagnetischen Bremse in einer Stranggießkokille leicht und ohne Verzug zu modifizieren, so dass deren Position permanent an die korrekten Bedingungen des kommenden oder gerade ablaufenden Gießvorganges angepasst werden kann, und zwar durch einfaches Einstellen der Stromversorgungsparameter, d. h. ohne dass ein Eingriff an der Gießmaschine und insbesondere eine Veränderung der Position des oder der Induktoren notwendig wäre.
• Dazu hat die Erfindung zum Gegenstand eine Vorrichtung zum elektromagnetischen Bremsen eines schmelzflüssigen Metalls im Innern eines stranggegossenen Erzeugnisses, insbesondere einer Bramme, umfassend eine elektrische Speisung und, mit dieser verbunden, mindestens einen elektromagnetischen Induktor vom Typ "mehrphasiger Stator mit gleitendem Magnetfeld", der dazu bestimmt ist, auf der Gießanlage gegenüber einer Fläche des im Gießen befindlichen Erzeugnisses angeordnet zu werden, wobei der Induktor zwei oder drei Phasenwicklungen hat, welche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die elektrische Speisung aus zwei bzw. drei Gleichstrom-Grundspeisungen besteht, die in ihrer Stromstärke unabhängig voneinander regelbar sind, und dass jede dieser elektrischen Grundspeisungen nur mit einer einzigen dieser Phasenwicklungen des Induktors verbunden ist.
• Wie dies sicherlich verständlich gemacht wurde, wird bei der Erfindung ein Induktor vom Typ "Linearmotor-Stator mit gleitendem Magnetfeld", dessen Konzeption und Struktur seit langem gut bekannt sind und von dem man auch weiß, dass er beim Stranggießen von Brammen als Mittel verwendet wird, um das schmelzflüssige Metall je nach Höhe der Kokille in Bewegung zu versetzen (cf. z. B. GB 1507444 und 1542316), mit einer Gruppe von einzelnen Gleichstromspeisungen verbunden, die unabhängig voneinander regelbar und jeweils nur mit einer Wicklung des Induktors gekoppelt sind, um ein statisches Magnetfeld zu erzeugen, dessen Position (und natürlich auch Feldstärke) je nach Höhe oder Breite der Breitseitenwände der Kokille (allgemeiner ausgedrückt übrigens an einer beliebig gewählten Stelle der metallurgischen Höhe, jedoch da, wo das Gießprodukt in seinem Inneren noch ziemlich viel nicht erstarrte Metallschmelze enthält) eingestellt werden kann, indem die Wicklungen des Induktors durch einfache Regelung der Betriebsparameter dieser Grundspeisungen, nämlich eben der Stromstärke der elektrischen Ströme, die sie abgeben, selektiv aktiviert werden. Diese Regelungen werden augenblicklich durchgeführt, während des Gießvorgangs selbst falls gewünscht, in Abstand von der Gießmaschine unter sicheren Bedingungen für das Bedienungsteam und auf völlig transparente Weise, d. h. ohne Gefahr, dass es zu einer, wenn auch nur sehr geringen Störung im ordnungsgemäßen Ablauf des Gießvorgangs kommt.
• So hat die Erfindung zum weiteren Gegenstand ein Verfahren zum elektromagnetischen Bremsen eines Flüssigmetalls im Innern eines stranggegossenen Erzeugnisses, bei dem ein permanentes Magnetfeld eingesetzt wird, das auf das Flüssigmetall einwirkt, um seine Strömung zu bremsen, wobei das Feld durch eine Bremsvorrichtung erzeugt wird, die einen mit individuell regelbaren elektrischen Grundspeisungen gekoppelten elektromagnetischen Induktor mit Mehrphasenwicklung vom Typ "mehrphasiger Stator mit gleitendem Magnetfeld" gemäß der vorstehend definierten Vorrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur gießbedingungsabhängigen Regelung der Position des oder der Magnetpole des Induktors, ohne diesen dabei zu bewegen, eine Regelung der Stromstärken 1 der die Wicklungen des Induktors durchströmenden elektrischen Ströme mit Hilfe eines zwischen 0 und π Radian veränderlichen Faktors 9 durchgeführt wird, so dass zu jedem Zeitpunkt I&sub1; = K cosφ und I&sub2; = Ksinφ im Falle eines Induktors mit zwei Wicklungen und I&sub1; = Ksinφ, I&sub2; = Ksin(φ + 2π/3) und I&sub3; = K sin(φ + 4π/3) im Falle eines Induktors mit drei Wicklungen, wobei K eine für die an der Stelle des oder der Magnetpole des Induktors gewünschte Bremskraft repräsentative Konstante ist, deren maximaler Wert durch die maximale Stromstärke des elektrischen Stroms, den jede elektrische Grundspeisung abgeben kann, begrenzt ist.
• Zum besseren Verständnis und zur Verdeutlichung weiterer Aspekte und Vorteile wird die Erfindung im Folgenden als nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
• Fig. 1 schematisch einen zweiphasigen elektromagnetischen Induktor bekannten Typs zum Durchmischen des in die Stranggießkokille eingegossenen Metalls darstellt, dessen Elemente in der erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung enthalten sind;
• Fig. 2 schematisch eine erfindungsgemäße elektromagnetische Bremsvorrichtung in einer Ausführungsart mit zwei Wicklungen darstellt, die der Ausführungsart des aus Fig. 1 bekannten zweiphasigen Induktors zum Durchmischen entspricht;
• Fig. 3 einen Induktor der erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung nach Fig. 2 darstellt, und zwar so, wie er vorliegt, wenn er im Körper einer Kokille zum Stranggießen von Stahlbrammen nach einer ersten Ausführungsart mit Höhenverstellung der Bremswirkung angeordnet ist;
• Fig. 4 eine Variante der Vorrichtung aus Fig. 3 darstellt, bei der die Struktur des Bremsinduktors gemäß der Breite der Kokille partitioniert ist;
• Fig. 5a und 5b jeweils eine Ausführungsart der erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung in einer anderen Ausführungsform des Induktors darstellen;
• Fig. 6 im senkrechten Querschnitt durch die Gießachse X aus Fig. 3 eine schematische Ansicht der Vorrichtung aus Fig. 3 zur Erläuterung einer Regelungsart dieser Vorrichtung darstellt;
• Fig. 7 eine Fig. 6 entsprechende Ansicht ist, die jedoch eine andere Regelungsart der erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung zeigt;
• Fig. 8 mit Fig. 3 zu vergleichen ist und eine auf einer Kokille zum Stranggießen von Stahlbrammen montierte erfindungsgemäße Bremsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsart mit Regelung der Bremswirkung auf der Breite der Kokille zeigt;
• Fig. 9 in schematischer Draufsicht und im Schnitt gemäß der Schnittebene A- A der Fig. 8 eine in Fig. 8 gezeigte Regelungsart der Bremsvorrichtung zeigt;
• Fig. 10 nach den gleichen Bestimmungen wie Fig. 9 eine andere Regelungsart für diese Vorrichtung zeigt;
• Fig. 11 schematisch eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen elektrischen Speisung darstellt;
• Fig. 12 mit den Fig. 8 und 4 vergleichbar ist und eine auf einer Kokille zum Stranggießen von Stahlbrammen montierte erfindungsgemäße Bremsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsart mit Regelung einer kombinierten Bremswirkung auf der Breite und Höhe der Kokille zeigt.
• In diesen Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• Der in Fig. 1 gezeigte Induktor 1 zum Durchmischen hat Funktionen sowie Wirkungen auf die Strömungsverhältnisse des Flüssigmetalls, die sich deutlich von denen der erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung unterscheiden, er dient jedoch gewissermaßen als Tragkonstruktion für ihren Aufbau. Er weist also mit ihr enge Analogien im Aufbau auf. Einige ihn und seine Betriebsweise betreffende Ausführungen werden deshalb das Verständnis der Erfindung erleichtern.
• Der wesentliche Wirkteil dieses statischen Gleitfeld-Induktors besteht aus Stromleitern, hier gerade Kupferschienen 2, 3, 4 und 5, die in regelmäßig beabstandeten parallelen Nuten (oder Zähnen), welche in einem Magnetjoch 6 ausgebildet sind, aufgenommen sind. Diese Stäbe sind somit parallel untereinander angeordnet und dabei regelmäßig voneinander entfernt in einem Abstand, der es ermöglicht, die Polteilung des Induktors zu definieren.
• In dem betrachteten Beispiel ist der Induktor vom Typ zweiphasiger Stator. Er weist dazu vier Stromschienen auf, die je zwei und zwei elektrisch verschaltet, also paarweise gegeneinander in Reihe geschaltet sind, d. h. mit ihren auf der gleichen Seite des Induktors liegenden Enden (rechts in der Figur) so verbunden sind, dass der elektrische Strom dort in entgegengesetzte Richtungen fließt. Jedes Schienenpaar, 2-4 oder 3-5, bildet eine Wicklung, deren freie Enden (links in der Figur) in der dort gezeigten Reihenfolge mit den Anschlussklemmen einer zweiphasigen Speisung 7 verbunden sind, deren zwei Phasen klassischerweise mit den Buchstaben U, V und die Nullphase mit dem Buchstaben N gekennzeichnet sind. Diese freien Enden sind mit den gleichen Buchstaben U oder V wie die der Phase, die sie speist, bezeichnet, wobei die Stromzuführungsenden von den Stromrückleitungsenden unterschieden werden, über deren Buchstaben wie üblich ein waagerechter Strich verläuft. Diese Wicklungen sind wie ersichtlich als "Schleifenwicklungen" ausgebildet, da die gekoppelten Stromschienen, die eine Wicklung bilden, nicht benachbarte Stromschienen sind, sondern durch eine Stromschiene der anderen Wicklung getrennt sind. So ist die Schiene 2 mit der Schiene 4 verbunden, um die Wicklung A zu bilden, und die Schiene 3 mit der Schiene 5 verbunden, um die andere Wicklung B zu bilden. Analoge Anordnungen finden sich im Falle eines Induktors vom Typ dreiphasiger Stator wieder, wobei die Verschleifung der drei Wicklungen dann wie bekannt durch einen Teilungssprung zwischen gekoppelten Schienen erhalten wird, bei dem sie nicht durch eine, sondern durch zwei Stromschienen, die jeweils zur einen und anderen der beiden anderen Wicklungen gehören, getrennt werden.
• Wird der Induktor 1 mit einer Wechselstromspeisung gespeist, deren Schaltungsschema dem in Fig. 1 gezeigten Schema entspricht, erzeugt der durch die Schienen 2, 3, 4, 5 fließende elektrische Strom ein Magnetfeld, das quer zur Ebene der Figur verläuft und in Querrichtung zur Ausrichtung der Schienen (dargestellt durch den Pfeil VB in der Figur), d. h. von oben nach unten gleitet, und zwar mit der Geschwindigkeit (d. h. Stromfrequenz), mit der die Stromstärke des Speisestroms von der Schiene 2 bis zur Schiene 5 sukzessiv ihr Maximum erreicht. Das kleine Schema im "Zeichnungskopf" links auf der Zeichnung zeigt an Hand des trigonometrischen Kreises die dynamische Organisation der zwei Phasen, die bei Bedarf auf einfache Weise die vorstehenden Ausführungen erläutert, wenn man diesen Kreis im Uhrzeigersinn betrachtet. Ein zum Durchmischen dienender Induktor dieser Art kann zum Beispiel problemlos in einer Kokille zum Stranggießen von Brammen untergebracht werden, wobei zahlreiche Druckschriften, insbesondere in Form von Patentanmeldungen, einen solchen Gebrauch beschreiben.
• Die Erfindung, die jetzt beschrieben werden soll, stimmt in Bezug auf die Induktorstruktur, die Kopplung der elektrischen Leiter zur Bildung der Wicklungen oder die Integrierung des Induktors in eine Stranggießmaschine völlig mit den vorstehenden Ausführungen überein.
• Zur Realisierung der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Bremsvorrichtung wie in Fig. 2 dargestellt muss die induktive Vorrichtung aus Fig. 1 so modifiziert werden, dass sie nicht ein bewegliches Magnetfeld, sondern ein permanentes stationäres Feld erzeugt, das sich an einer vom Induktor gewählten Stelle befindet, aber beliebig modifiziert werden kann. Dieses statische Feld wird also mit einer elektrischen Gleichstromspeisung erzeugt. Es entspricht somit dem, das mit den bekannten Vorrichtungen zum elektromagnetischen Bremsen in Stranggießkokillen erzeugt wird, allerdings lässt sich sein Wirkungsbereich positionsmäßig auf der Höhe der Kokille einstellen (oder auf der Breite, je nach gewählter Montageart), ohne jeglichen Eingriff an der Gießanlage.
• Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besteht diese Modifizierung darin, die zweiphasige Speisung 7 durch zwei einzelne und voneinander unabhängige Gleichstromspeisungen 8 und 9 zu ersetzen, wobei sie lediglich ihre Nullphase N gemeinsam haben können, die aus praktischen Gründen gemeinsam genutzt wird. Diese Speisungen sind jeweils mit Mitteln zur Regelung der Stromstärke der Ströme, die sie abgeben, versehen. Diese in sich bekannten und in diesem Bereich durchaus üblichen Regelungsmittel wurden deshalb einfach durch die jeweiligen Elemente 10 und 11 in den Figuren angedeutet. Der Induktor 1 wurde nicht modifiziert; die Verbindungen zwischen den Leitern, die die Wicklungen A und B definieren, bleiben unverändert.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eingeschaltet, sobald jede der Wicklungen A und B des Induktors 1 mit nur einer der beiden Grundspeisungen verbunden ist. Im in Fig. 2 dargestellten Beispiel ist die Wicklung A mit der Speisung 8 und die Wicklung B mit der Speisung 9 verbunden.
• Bei Verwendung in einer Stranggießkokille erzeugt eine solche Vorrichtung dann die gewünschte Bremswirkung, um die Penetrationstiefe des Strahls und dessen unerwünschte Auswirkungen auf die innere Güte des nach vollständiger Erstarrung erhaltenen Gießproduktes zu reduzieren. Dabei ist im übrigen anzumerken, dass die Bremsvorrichtung der Erfindung durchaus auch unter der Kokille eingesetzt und somit allgemeiner gesagt auch auf einem stranggegossenen Produkt verwendet werden kann, zum Beispiel einer Stahlbramme, deren Inneres noch recht flüssig ist.
• An dieser Stelle der Darlegung wird auf Fig. 3 verwiesen, die eben die Anbringung des Induktors der erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung an einer Breitseitenwand einer Kokille 12 zum Stranggießen von Stahlbrammen 13 zeigt. Die beiden gegenüberliegenden Breitseitenwände der Kokille können selbstverständlich mit zwei identischen Induktoren bestückt werden, die beiderseits des Gießproduktes einander gegenüberliegend angeordnet sind und sich jeweils über die weitgehend gesamte Breite der Kokille erstrecken. Die nachfolgenden Ausführungen zeigen, dass es je nach Wahl der Polungen auf einem der Induktoren in Bezug auf den gegenüberliegenden anderen möglich ist, die Bremswirkung durch die gesamte Dicke des Gießproduktes hindurch zu begünstigen (sog. transversale Magnetfeldausgestaltung) oder sie nur auf die Umgebung der Außenhaut zu beschränken (sog. longitudinale Magnetfeldausgestaltung).
• Eine Kokille zum Stranggießen von Brammen besteht bekannterweise im Wesentlichen aus vier zusammengefügten Platten aus Kupfer oder Kupferlegierung, zwei großen Platten 14 und 15, den sog. "Breitseitenwänden", die durch zwei abschließende stirnseitige Platten 16 und 17, die sog. "Schmalseitenwände", ergänzt werden. Diese Platten definieren untereinander einen Gießraum ohne Boden für das schmelzflüssige Metall 18, das mit Hilfe eines Gießrohres 19, welches im Boden eines darüber liegenden Verteilers 20 angebracht ist, von oben eingegossen wird. Sie werden von außen durch eine vigoröse Wasserzirkulation energisch gekühlt, um die Wärmeextraktion zu gewährleisten, die für die Bildung einer Außenhaut aus erstarrendem Metall beim Kontakt mit den Platten notwendig ist, welche Haut ausreichend dick sein muss, um die Entformung des Gießproduktes unter guten Bedingungen durchführen zu können. Das schmelzflüssige Metall wird mit Hilfe des Gießrohres 19 in die Kokille gegossen, dessen unteres, mit seitlichen Austrittsöffnungen 21, 21' versehenes Ende in die beim Gießen schmelzflüssige Stahlmasse eintaucht, die sich bereits in der Kokille befindet. Diese seitlichen Austrittsöffnungen liefern jeweils einen Metallschmelzestrahl 27 und 27', der auf die Schmalseitenwände der Kokille gerichtet ist, und im Bereich dieser Öffnungen erfolgt eine Trennung zwischen einem abwärts gerichteten Hauptfluss 28, der für das tiefe Mitreißen nichtmetallischer Einschlüsse verantwortlich ist, und einem aufwärts gerichteten Fluss 28', der den Meniskus 22 aufwirbelt. Genau auf diese Strahlen 27 und 27' werden die erfindungsgemäßen Bremsmittel einwirken.
• In dem mit Hilfe von Fig. 3 erläuterten Beispiel ist der vorbeschriebene Induktor 1 gegenüber einer Breitseitenwand 14 der Kokille angeordnet und dabei so ausgerichtet, dass die Stromschienen 2 bis 5 waagerecht verlaufen, wobei die Gießachse X ihrerseits senkrecht verläuft. Unter diesen Bedingungen und wenn man wiederum auf Fig. 2 Bezug nimmt, um vorerst nur die Speisung 8 zu betrachten, bildet der von ihr an die Wicklung A abgegebene Gleichstrom (die Stromstärke wird dabei durch ihre Regelungsmittel 10 geregelt) eine Stromschleife, die sich im halben oberen Bereich des Induktors 1 (und damit der Kokille) befindet und in der der elektrische Strom durch die Stromschiene 2 von links nach rechts und durch die Stromschiene 4 von rechts nach links fließt. Es bildet sich somit in dem durch die Fläche dieser Stromschleife gebildeten Bereich ein quer zur Ebene der Wicklung ausgerichtetes stationäres Magnetfeld Bu aus, das im vorliegenden Fall auch das der Figur ist. Es bildet sich also im oberen Bereich der Kokille und über deren gesamten Breite ein stationäres Magnetfeld Bu aus, das quer zur Gießrichtung X und quer zur Verteilungsebene der Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Metallstrahlen 27, 27' verläuft und dessen maximale Feldstärke in der Mitte der Wicklung A liegt, d. h. auf der Höhe der passiven Stromschiene 3 der Wicklung B. Betrachtet man nun in gleicher Weise nur die Speisung 9 und die Wicklung B, die sie mit Strom versorgt, erhält man ein Magnetfeld Bv, das mit dem vorhergehenden Feld Bu identisch ist, dessen Maximum jedoch diesmal im Bereich der passiven Stromschiene 4 der Wicklung A liegt.
• Wenn die beiden elektrischen Speisungen gleichzeitig Strom an ihre jeweiligen Wicklungen liefern, liegen die Felder Bu und Bv gleichzeitig vor, und das Vorhandensein eines Überlappungsbereiches zwischen den Stromschienen 2 und 3, was dadurch bedingt ist, dass die Wicklungen A und B hier ineinander verschachtelt sind, bewirkt, dass sich die Felder in diesem Bereich addieren. Die maximale magnetische Induktion und somit die maximale Bremswirkung ergibt sich dann im Inneren dieses mittleren Bereiches, wenn die Speiseströme die gleiche Stromstärke haben. Dagegen wird dieses Maximum in der Mitte der Wicklung A erreicht, wenn die Einzelspeisung 9 inaktiv bleibt (siehe Fig. 5a) oder in der Mitte der Wicklung B, wenn die Einzelspeisung 8 inaktiv bleibt (siehe Fig. 5b), oder noch in unendlich vielen möglichen Positionen zwischen diesen beiden Extrempositionen, indem mit Hilfe der Regelungsmittel 10 und 11 einfach ein willkürliches Ungleichgewicht zwischen den beiden dann zusammen aktiven Speisungen 8 und 9 eingestellt wird (Fig. 2). Der Einfachkeit halber soll mit "Magnetpol" die Stelle des Raums bezeichnet werden (im vorliegenden Fall eine der Breitseitenwände der Kokille, die mit einem Bremsinduktor versehen ist), wo das magnetische Bremsfeld maximal ist.
• Dieser Induktor ist somit geeignet, nach Art der bekannten elektromagnetischen Bremsvorrichtungen als Bremse zu fungieren und auf die Strömungen des in die Kokille gegossenen Flüssigmetalls einzuwirken. Von entscheidendem Vorteil ist jetzt allerdings, dass man auf der Höhe der Kokille jederzeit die Lage des Magnetpols im Bremsfeld einstellen kann, ohne Teile des Induktors verlagern zu müssen, indem einfach auf die Regelung der elektrischen Speisungen eingewirkt wird.
• Wie bereits gesagt, kann eine präzise Lokalisierung des Magnetpols im Bremsfeld im oberen Bereich der Kokille unter bestimmten Bedingungen durchaus optimal sein und sich weniger gut geeignet erweisen als eine andere, wenn man die Gießparameter wie die Eintauchtiefe des Gießrohres 19, die Höhe des Meniskus 22 in der Kokille, die Gießgeschwindigkeit, etc. von einem Gießvorgang zum anderen oder auch während des Gießvorgangs selbst modifiziert. Dies hat zur Folge, dass man die Position dieses Pols auf der Höhe der Kokille modifizieren will. Wie gerade gezeigt wurde, wird dies durch die Vorrichtung der Erfindung sehr einfach, da nur auf die Regelung der elektrischen Betriebsparameter der Speisung eingewirkt zu werden braucht.
• Wie es Fig. 4 zeigt, ist es möglich, die Breitseitenwände der Kokille nicht nur mit einem einzelnen Induktor zu "bedecken", der die gesamte Breite einnimmt, sondern mit drei funktionsmäßig gleichwertigen Induktoren 1a, 1b, 1c, die nebeneinander gemäß der Breite der Breitseitenwände der Kokille angeordnet sind, und somit die elektromagnetischen Bremswirkungen auf das Gießmetall in der Mitte und auf den Seiten der Breitseitenwände unterschiedlich zu beeinflussen.
• Es wurde deutlich, dass der erfindungsgemäße Bremsinduktor, anstatt die gesamte Breite der Kokille einzunehmen, nur einen Teil dieser Breite betreffen kann. Beispielsweise kann nur der mittlere Bereich betroffen sein oder nur die Seitenbereiche beiderseits des Gießrohres 19 oder auch, wie bereits unter Bezugnahme auf Fig. 4 erwähnt, die gesamte Breite, aber dann mit unabhängigen sukzessiven Wirkungsbereichen mit Hilfe mehrerer nebeneinander liegenden Induktoren. Es ist dann möglich, die Stärke der Bremswirkung im Bereich des Magnetpols je nach Breite der gegossenen Bramme unterschiedlich einzustellen, indem lediglich elektrische Speiseströme mit unterschiedlichen Stromstärken in jedem so gebildeten Induktionsmodul verwendet werden. Es ist ebenso möglich, den Bremsmagnetpol in unterschiedlichen Höhen zu positionieren, je nachdem, ob man sich in der Mitte oder eher auf den Seiten der Breitseitenwand der Kokille befindet. Des Weiteren wird es möglich, bei einer Kokille veränderlicher Größe den Wirkungsbereich des magnetischen Bremsfeldes an die Breite des Gießproduktes anzupassen.
• Wird allgemein mit "K" eine gewählte Konstante bezeichnet, die für die gewünschte Bremskraft an der Stelle des Magnetpols jedes Induktors repräsentativ ist und deren maximaler Wert durch die maximale Stromstärke des elektrischen Stroms begrenzt ist, der durch die Grundspeisungen 8, 9 abgegeben werden kann, kann man diesen Magnetpol mit Hilfe der Regelungsmittel 10, 11 ... an der gewünschten Stelle positionieren, indem lediglich ein Regelungsparameter φ, der die Grundspeisungen funktionell miteinander verbindet, zwischen 0 und π Radian so variiert wird, dass sich die Stromstärken Ii der die Wicklungen durchströmenden Ströme nach den Relationen I&sub1; = Kcosφ und I&sub2; = Ksinφ ergeben im Falle einer Vorrichtung mit zwei Grundspeisungen (zwei verschiedene Wicklungen pro Induktor) oder nach der Relation oder I&sub1; = Ksinφ, I&sub2; = Ksin(φ + 2π/3) und I&sub3; = Ksin(φ + 4π/3) im Falle einer Vorrichtung mit drei Grundspeisungen (d. h. mit drei verschiedenen Wicklungen pro Induktor).
• Deutlich wurde auch, dass ein Induktor 1 oder 1' der erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung gegenüber jeder der Breitseitenwände der Kokille angeordnet werden kann. Es ist dann möglich, über die Polungen der gleichzeitig aktiven Wicklungen beiderseits der gegossenen Bramme die Bremswirkung in der Mitte des Gießproduktes zu verstärken oder sie auf die Umgebung der Außenhaut zu konzentrieren. Diese Anordnungen sind Gegenstand der Fig. 6 und 7, in denen der Induktor 1 mit dem Kennbuchstaben "a" gekennzeichnet wurde, um ihn von dem zugehörigen Induktor auf der anderen Seite der Kokille, der mit dem Kennbuchstaben "b" gekennzeichnet ist, zu unterscheiden. Gleich ausgerichtete Magnetfelder auf den beiden gegenüberliegenden Induktoren verstärken sich gegenseitig in "transversaler" Richtung und verstärken damit die Bremswirkung im Innern des Gießmetalls (Fig. 6), während sich entgegengesetzt ausgerichtete Magnetfelder im Innern des Metalls behindern und ihre Bremswirkung folglich auf den Randbereich des Gießmetalls konzentrieren und dabei notwendigerweise eine Ausgestaltung vom Typ "Longitudinalfeld" aufweisen (Fig. 7).
• Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung nicht auf die vorstehenden beispielhaften Ausführungen beschränkt ist, sondern sich auf zahlreiche Varianten oder Entsprechungen erstreckt, sofern ihre in den beigefügten Ansprüchen gegebene Definition respektiert ist.
• So kann der Induktor 1a&sub1;, wie in Fig. 8 gezeigt, mit seinen parallel zur Gießachse X ausgerichteten Stromschienen 2 ... 5, d. h. vertikal anstatt horizontal, in der Kokille angebracht sein. In einem gegebenen Höhenbereich kann man dann die Lokalisierung der Bremswirkung des Magnetfeldes auf der halben Breite des Gießproduktes mit der gewünschten Genauigkeit längs der Ausbreitung des aus der Öffnung 21 des Gießrohres 19 austretenden Metallstrahls 27 modifizieren. Werden dann zwei solche Induktoren 1a&sub1; und 1a&sub2; mit vertikalen Stromleitern verwendet, die auf der Breitseitenwand der Kokille beiderseits des Gießrohres 19 angeordnet werden, hat man völlig freie Hand, die Position der Bremsmagnetpole an den gewünschten Abstand zwischen jeder der Austrittsöffnungen 21 und 21' und dem Gießrohr anzupassen. Noch mehr Möglichkeiten bieten sich außerdem dann an, wenn man zwei entsprechende Induktoren auf der anderen Breitseitenwand der Kokille anbringt, weil man dann, wie dies bereits erläutert wurde, die Wirkung des Feldes auf eine gewählte Stelle in der Dicke des Produktes konzentrieren kann: eher im Innern als am Rand oder umgekehrt.
• Fig. 9 zeigt die Regelungsart einer Vorrichtung mit zwei derartigen Induktorpaaren, bei der eine Bremswirkung auf der gesamten Dicke des Gießproduktes 13 gewährleistet wird. Wie ersichtlich, ist das Prinzip einer solchen Regelung äußerst einfach. In den sich gegenüberliegenden aktiven Wicklungen braucht der elektrische Strom in den Stromleitern, die sich beiderseits des Gießproduktes gegenüberliegen, nur in die gleiche Richtung zu fließen. Unter diesen Bedingungen addieren sich nämlich die Magnetfelder, die von diesen Wicklungen im flüssigen Gießmetall erzeugt werden; die Kraftlinien durchqueren das Produkt weitgehend quer zu seiner Wandung, ohne von ihrer im Bereich der Induktoren eingeschlagenen Bahn abzuweichen. Es liegt dann eine sog. Transversalfeld-Ausgestaltung vor, die eine Bremswirkung je nach der Dicke des Gießproduktes und damit insbesondere in der Mitte liefert. Dabei ist klar, dass es in diesem Fall von Vorteil sein kann, bevorzugt diejenigen Wicklungen zu aktivieren, die am nächsten an den Austrittsöffnungen 21 und 21' des Gießrohres 19 liegen, da die Strahlen 27 und 27' beim Austritt aus dem Gießrohr eher kräftig und konzentriert sind, wohingegen sie diffuser und lockerer sind, je weiter sie sich in Richtung der Schmalseitenwände der Kokille fortbewegen.
• Fig. 10 zeigt die gleiche Vorrichtung, die jedoch so geregelt ist, dass sie die Bremswirkung an der Außenhaut des Gießproduktes erhöht. Dazu braucht man, wie zu erkennen ist, nur die Stromrichtung in einer der beiden gegenüberliegenden Wicklungen umzukehren, so dass sich die von diesen Wicklungen erzeugten Magnetfelder entgegenwirken. Es liegt dann eine sog. Längsfeld-Ausgestaltung vor: die magnetische Induktion in der Mitte des Produktes ist minimal, da die Kraftlinien bei 90º an der Mittelebene des Produktes in Bezug auf die im Bereich der Induktoren eingeschlagene Richtung stark abgelenkt sind. Da nur die Komponente desjenigen Magnetfeldes, das quer zu den Feldlinien des Strahls 27, 27' verläuft, auf letzteren einwirkt, wird die gegen die Erstarrungsfront des Gießmetalls ausgeübte Bremswirkung an Stellen, die genau den aktivierten Wicklungen gegenüberliegen, maximal sein.
• Als Variante, wie es in Fig. 12 gezeigt ist, kann man Induktoren einsetzen, die auf der Breite der Breitseitenwände der Kokille nebeneinander angeordnet sind und untereinander verschiedenartig ausgerichtete elektrische Leiter haben. In dem in dieser Figur gezeigten Beispiel liegen drei nebeneinander angeordnete Induktoren vor, der eine, 1c, liegt in der Mitte im Bereich des Gießrohres 19, die beiden anderen, 1a und 1b, sind seitlich beiderseits des mittleren Induktors 1c angeordnet. Die elektrischen Leiter des letztgenannten sind horizontal ausgerichtet, d. h. quer zur Gießachse X, um die Position des Bremsmagnetpols im Bereich der Stelle, wo das Gießmetall in die Kokille eingegossen wird, in der Höhe regeln zu können. Die Leiter der seitlichen Induktoren sind dagegen vertikal ausgerichtet, um die Position ihres Bremsmagnetpols in der Nähe der Schmalseitenwände gemäß der Breite der Breitseitenwände einstellen zu können. Diese relativen Anordnungen können selbstverständlich umgekehrt werden, um eine Höheneinstellung in der Nähe der Schmalseitenwände und eine Breiteneinstellung in der Nähe der Stelle vornehmen zu können, wo das Metall in die Kokille eingegossen wird.
• Unter dem Ausdruck "Gleichstrom-Grundspeisungen", der zur Bezeichnung eines der wesentlichen Merkmale der Erfindung in ihrer Darstellung geläufig ist, ist nicht nur eine Addition strukturell unabhängiger Einzelspeisungen zu verstehen, so wie sie bisher unter Bezugnahme auf die vorhergehenden Figuren angesehen wurden, sondern auch eine einzelne mehrphasige Speisung mit zwei oder drei Phasen und regelbarer Frequenz, die zur Erzeugung von Gleichstrom auf Nullfrequenz eingestellt wird. Mehrphasige elektrische Speisungen dieser Art sind gut bekannt. Sie werden gewöhnlich zur Ansteuerung von Elektromotoren mit drehendem oder gleitendem Magnetfeld verwendet. Wie in Fig. 11 gezeigt, handelt es sich um solche, die einen Wechselrichter 28 mit einstellbarem Hackwert haben. Dieser Wechselrichter wird klassischerweise mit von einem am Ausgang eines Drehstromwandlers 30 montierten Gleichrichters 29 über einen Spannungswandler 31 und einen Schalter 32 mit gleichgerichtetem Strom versorgt.
• Jede Phase U, V, W der (im betrachteten Beispiel dreiphasigen) Speisung wird nach diesem Modus aufgebaut. Der Wechselrichter gewährleistet die Berücksichtigung der durch den Wandler 30 erzeugten Phasenverschiebungen zwischen den Phasen, und sämtliche Speisephasen werden mit Hilfe eines Anschlussgehäuses 33 mit gemeinsamer Nullphase N zum Gebrauch bereitgestellt.
• Erfindungsgemäß wird beim Ingangsetzen einer solchen elektrischen Speisung zur Speisung der Wicklungen der in 34 schematisierten Bremsvorrichtung, wobei jeweils eine Phase pro Wicklung gespeist wird, der Wechselrichter 28 auf Nullfrequenz geregelt, wobei diese Regelungen zu gewählten Zeitpunkten vorgenommen werden, damit die Stromstärken in jeder Phase zu diesen Zeitpunkten so sind, wie man sie in den mit diesen Phasen verbundenen Wicklungen zu erhalten wünscht.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum elektromagnetischen Bremsen eines schmelzflüssigen Metalls im Innern eines stranggegossenen Erzeugnisses, umfassend eine elektrische Speisung und, mit dieser verbunden, mindestens einen elektromagnetischen Induktor (1) vom Typ mehrphasiger Stator mit gleitendem Magnetfeld, der dazu bestimmt ist, auf der Gießanlage gegenüber einer Fläche des im Gießen befindlichen Erzeugnisses angeordnet zu werden, wobei der Induktor mindestens zwei Phasenwicklungen (A, B) hat, welche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die elektrische Speisung (29) aus Gleichstrom-Grundspeisungen (8, 9) besteht, die in ihrer Stromstärke unabhängig voneinander regelbar sind, und dass jede dieser Grundspeisungen nur mit einer einzigen dieser Phasenwicklungen (A, B) des Induktors verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Induktor (1) im Bereich der Kokille (12) der Gießanlage angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei elektromagnetische Induktoren (1) aufweist, die auf der Gießanlage beiderseits des im Gießen befindlichen Erzeugnisses einander gegenüberliegend angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei Induktoren (1a, 1b) aufweist, die gemäß der Breite oder gemäß der Länge einer Fläche des im Gießen befindlichen Erzeugnisses nebeneinander angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Induktor (1) aufweist, der auf der Gießanlage so angeordnet ist, dass seine Leiter (2, ... 5) quer zur Gießachse (X) ausgerichtet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Induktor (1) aufweist, der auf der Gießanlage so angeordnet ist, dass seine Leiter (2, ... 5) parallel zur Gießachse (X) ausgerichtet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens drei Induktoren aufweist, die auf der Gießanlage so angeordnet sind, dass ihre Leiter von einem Induktor zum anderen in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Grundspeisungen (8, 9) aus einer einzigen mehrphasigen Speisung mit regelbarer Stromfrequenz bestehen, welche auf den Frequenzwert Null geregelt ist.

9. Verfahren zum elektromagnetischen Bremsen eines Flüssigmetalls im Innern eines stranggegossenen Erzeugnisses, bei dem ein permanentes Magnetfeld eingesetzt wird, das auf das Flüssigmetall einwirkt, um seine Strömung zu bremsen, wobei das Feld durch eine Bremsvorrichtung gemäß Anspruch 1 erzeugt wird, die einen elektromagnetischen Induktor mit Mehrphasenwicklung (1) vom Typ mehrphasiger Stator mit gleitendem Magnetfeld aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur gießbedingungsabhängigen Regelung der Position des oder der Magnetpole des Induktors (1), ohne diesen dabei zu bewegen, wobei es sich bei den elektrischen Grundspeisungen (8, 9) der Wicklungen des Induktors (1) um individuell regelbare Gleichstromspeisungen handelt, eine Regelung der Stromstärken Ii der die Wicklungen (2, ... 5) des Induktors durchströmenden elektrischen Ströme mit Hilfe eines zwischen 0 und π Radian veränderlichen Faktors φ durchgeführt wird, so dass zu jedem Zeitpunkt I&sub1; = Kcosφ und I&sub2; = Ksinφ im Falle eines Induktors (1) mit zwei Wicklungen (A, B) und I&sub1; = Ksinφ, I&sub2; = Ksin(φ + 2π/3) und I&sub3; = K sin(φ + 4π/3) im Falle eines Induktors (1) mit drei Wicklungen, wobei K eine für die an der Stelle des oder der Magnetpole des Induktors (1) gewünschte Bremskraft repräsentative Konstante ist, deren maximaler Wert durch die maximale Stromstärke des elektrischen Stroms, den jede elektrische Grundspeisung (8, 9) abgeben kann, begrenzt ist.