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TECHNISCHES
GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zum kontinuierlichen bzw. Strang- oder halbkontinuierlichen
Gießen
von Metall oder Metalllegierungen in einen Längsstrang. Der Strang wird
unter Verwendung einer Vorrichtung gegossen, die eine gekühlte kontinuierliche
bzw. Stranggießform
und eine Induktionsspule enthält,
die an dem oberen Ende der Form angeordnet ist. Die Spule wird mit
einem Hochfrequenzwechselstrom von einer Stromversorgung versorgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren
sichert, dass Temperatur und andere Gießbedingungen, die die Anfangserstarrungsbedingungen
in der Form bestimmen, derart gesteuert werden, dass ein Gießprodukt,
ein Strang, bei aufrechterhaltener oder erhöhter Produktivität hergestellt
wird, der verbesserte Oberflächencharakteristiken,
ein gesteuertes Gussgefüge,
einen geringen Gehalt an eingeschlossenen Einschlüssen und
anderen Fehlern zeigt. Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls
ein Vorrichtung, die die Stranggießform, die Spule, eine Stromversorgungseinheit
mit Steuermitteln einschließt,
die für
das erfindungsgemäße Verfahren
geeignet sind.
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STAND DER
TECHNIK
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Während
kontinuierlichem oder halbkontinuierlichem Gießen von Metallen oder Metalllegierungen
wird eine heiße
Metallschmelze einer gekühlten Stranggießform, d.
h. einer Form, die an beiden Enden in die Gießrichtung offen ist, zugeführt. Die
Form wird vorzugsweise mit Wasser gekühlt und wird typischerweise
von einer Struktur aus Tragebalken getragen und umgeben. Schmelze
wird der Form zugeführt,
in der das Metall fest wird bzw. erstarrt und ein Gießstrang
gebildet wird, während
es durch die Form geht. Ein Gießstrang,
der die Form verlässt,
enthält eine
erstarrte, selbsttragende Oberflächenschicht oder
Außenhaut
um eine Restschmelze. Es kann allgemein gesagt werden, dass Anfangserstarrungsbedingungen
sowohl für
Qualität
als auch Produktivität entscheidend
sind. Die Anfangserstarrungsbedingungen sind von einer Anzahl von
Faktoren abhängig,
die einander auf eine komplexe Weise beeinflussen, wie beispielsweise;
- – Metallfluss
in den oberen Teil der Form;
- – Schmierung
zwischen der Form und der Schmelze/Gießstrang;
- – Wärmeverluste
und Gesamtwärmebedingungen an
dem Gießspiegel
bzw. Meniskus;
- – Wärmebedingungen
und Wärmeabfuhr
an der Erstarrungsstirnseite; und
- – gegebenenfalls,
Oszillation bzw. Schüttlung
der Form.
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Ein Schmiermittel wird typischerweise
der oberen Oberfläche
der Schmelze in der Form zugeführt.
Das Schmiermittel dient vielen Zwecken, unter anderem wird es verhindern,
dass sich die zuerst entwickelte Haut des Gießstrangs an der Formwand haftet.
Sollte die erstarrte Haut an der Form stärker haften oder kleben, wird
sie es als Oberflächenfehler und
in einigen Fällen
als Aufriss der ersten erstarrten Haut zeigen. Für Stränge großer Abmessung aus Stahl ist
das Schmiermittel überwiegend
ein sogenanntes Gieß-
bzw. Abdeckpulver, das Glas oder Glas-bildende Verbindungen enthält, das
durch die Wärme
an dem Gießspiegel
geschmolzen wird. Das Gießpulver
wird oft kontinuierlich der oberen Oberfläche der Schmelze während des
Gießens
als ein im Wesentlichen festes, frei-fließendes Partikelpulver zugegeben.
Die Zusammensetzung eines Gießpulvers
wird kundenspezifisch angefertigt. Dadurch wird das Pulver bei einer
gewünschten
Geschwindigkeit schmelzen und eine Schmierung wird bei der gewünschten
Geschwindigkeit zur Sicherung einer Schmierung bereitgestellt. Eine
zu dicke Schmiermittelschicht zwischen Form und Gießstrang
wird ebenfalls die Erstarrungsbedingungen und Oberflächengüte auf eine
ungewünschte
Weise beeinflussen, folglich müssen
die Wärmebedingungen
an dem Gießspiegel
gesteuert werden. Für
kleinere Stränge und
für Nicht-Eisenmetalle wird Öl, typischerweise Pflanzenöl, oder
Fett als Schmiermittel verwendet. Unabhängig davon, welcher Typ an
Formschmiermittel verwendet wird, sollte es vorzugsweise in die Grenzfläche Gießstrang/Form
bei einer gleichförmigen
Geschwindigkeit zugeführt
werden, die ausreicht, um einen dünnen gleichmäßigen Film
in der Grenzfläche
zu bilden, um Oberflächenfehler
zu vermeiden, die der Haftung zwischen Form und Strang entspringen.
Ein zu dicker Film kann eine ungleichförmige Oberfläche verursachen
und stört
die Wärmeverhältnisse.
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Wärmeverluste
und Gesamtwärmebedingungen
an dem Gießspiegel
werden überwiegend von
dem sekundären
Fluss gesteuert, der in der Form entwickelt wird. Die Verwendung
von induktiven HF Heizern zur Beeinflussung der Wärmeverhältnisse
an dem oberen Ende ist z. B. in US-A-5 375 648 und in der früheren, noch
nicht publizierten Schwedischen Patentanmeldung Nr. SE9703892-1 diskutiert.
Hohe Wärmeverluste
werden durch eine Wärmezufuhr
zu der oberen Oberfläche,
entweder durch einen gesteuerten Aufwärtsfluss heißer Schmelze
oder durch einen Heizer kompensiert, ansonsten kann der Gießspiegel
anfangen, zu erstarren. Eine derartige Erstarrung wird den Gießprozess stark
stören
und die Qualität
des Gießprodukts
in vielen Aspekten zerstören.
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Ein Hochfrequenzinduktionsheizer,
der an dem oberen Ende einer Stranggießform angeordnet ist, kann
Mittel bereitstellen, um die Fähigkeit
zu verbessern, die Temperatur des Metalls an der oberen Oberfläche der
Schmelze, dem Gießspiegel
zu steuern und gleichzeitig Druckkräfte erzeugen, die wirken, um
die Schmelze und die Form zu trennen, wobei dadurch die Gefahr des
Haftens reduziert wird, Oszillationsmarken reduziert werden, und
im Allgemeinen verbesserte Bedingungen für die Formschmierung bereitgestellt
werden. Die verbesserte Schmierung wird hauptsächlich den Druckkräften zugeschrieben,
die wirken, um die Schmelze von der Form zu trennen. Der Induktionsheizer
kann eine Einphasen- oder Mehrphasen-Auslegung aufweisen. Vorzugsweise
wird ein Hochfrequenzmagnetwechselfeld angelegt. Die Druckkräfte, die
durch das Hochfrequenzmagnetfeld erzeugt werden, vermindern den
Druck zwischen der Formwand und der Schmelze, wodurch die Bedingungen
für die
Schmierung beträchtlich
verbessert werden. Die Oberflächengüte des Gießstrangs
wird verbessert und die Gießgeschwindigkeit
kann gesteigert werden, ohne die Oberflächengüte zu gefährden. Ein Oszillieren bzw.
Schütteln
wird vorzugsweise verwendet, um zu sichern, dass der Gießstrang
die Form verlässt.
Es werden jedoch kleinere Oberflächendefekte,
sogenannte Oszillationsmarken, normalerweise auf dem Gießstrang
bei Kontakten zwischen Form und Strang während der Bildung der Haut
gebildet. Diese Oszillationsmarken bewirken ebenfalls die Struktur
des Gießstrangs,
weil Einschlüsse
oft an ihnen eingeschlossen werden. Weil die Druckkräfte wirken,
um die Schmelze von der Form zu trennen, werden sie irgendeinen
Kontakt zwischen der Schmelze und der Form während anfänglicher Erstarrung der Haut
minimieren und die Zuführung
von Schmiermittel verbessern, wobei dadurch weiterhin die Oberflächengüte des Gießstrangs
verbessert wird. Es wird folglich angenommen, dass die Verwendung
einer Mehrwindungspule, die mit einem Hochfrequenzwechselstrom versorgt
wird und an dem Gießspiegel
angeordnet ist, ein Mittel bereitstellt, um Oszillationsmarken auszuschließen oder
wenigstens zu reduzieren und dadurch die Oberflächengüte, interne Struktur, Reinheit
und ebenfalls die Produktivität
zu verbessern.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
ein Verfahren zum kontinuierlichen Metallstranggießen bereitzustellen,
wobei die Bedingungen für
die Anfangserstarrung des Gießmetalls
in der Form verbessert sind und insbesondere die Bedingungen zur
Formschmierung verbessert sind. Insbesondere ist es eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, das Hochfrequenzmagnetfeld zu steuern,
das angelegt ist, um an dem oberen Ende der Form auf die Schmelze
derart zu wirken, dass die erzeugten Druckkräfte wirken, um die Schmelze
von der Form zu trennen, wobei eine stabile Zuführung von Formschmiermittel
in die Grenzfläche
zwischen der Form und dem Strang und eine Bildung eines Schmierfilms
in der Grenzfläche gesichert
wird. Dadurch können
Oberflächenfehler, wie
beispielsweise interne Oszillationsmarken, und irgendwelche Fehler
oder irgendeine Produktivitätsbeziehung,
die mit ihnen assoziiert sind, im Wesentlichen ausgeschlossen oder
wenigstens beträchtlich reduziert
werden. Dies wird durch die vorliegende Erfindung erreicht, die
gemäß einem
Aspekt ein Verfahren zum kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Gießen von
Metall gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 bereitstellt, das durch die Merkmale des charakterisierenden
Teils von Anspruch 1 gekennzeichnet ist. Weitere Entwicklungen des
Verfahrens sind durch die Merkmale der zusätzlichen Ansprüche 2 bis
13 gekennzeichnet.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Stranggießvorrichtung
bereitzustellen, die eine gekühlte
Stranggießform,
Schüttel-
bzw. Oszillationsmittel, eine Mehrwindungsinduktionsspule, die mit
einem Hochfrequenzwechselstrom versorgt wird, und eine Stromversorgungseinheit
mit Stromsteuermitteln enthält,
um das Hochfrequenzmagnetfeld zu erzeugen und zu steuern, das angelegt
wird, um an dem oberen Ende der Form auf die Schmelze zu wirken.
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Insbesondere soll die Gießvorrichtung
Mittel zur Steuerung des Wechselstroms enthalten, der der Hochfrequenzmagnetfeld
erzeugenden Vorrichtung derart zugeführt wird, dass Gießbedingungen
und Betriebsparameter optimiert sind, um Qualitätsverbesserungen und/oder Produktivitätsverbesserungen
zu vollbringen. Insbesondere soll die Gießvorrichtung mit Mitteln derart
angeordnet sein, dass Kräfte,
die auf die Schmelze wirken, und Bewegungen oder Flüsse in der
Schmelze derart gesteuert werden, dass die Oszillationsmarken im
Wesentlichen ausgeschlossen oder wenigstens beträchtlich reduziert werden können. Es
ist weiterhin eine Aufgabe, eine Stranggießvorrichtung bereitzustellen,
die gute und gesteuerte Wärme-,
Fluss-, Schmierungs- und Gesamtbedingungen an dem oberen Ende der Form
sichert, wobei folglich bedeutende Verbesserungen in Bezug auf die
Qualität
und Produktivität
erhalten werden. Dies wird mit einer Vorrichtung zum kontinuierlichen
Gießen
von Metallen gemäß einem anderen
Aspekt der vorliegenden Erfindung erreicht, die eine Vorrichtung
zum kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Gießen von
Metall gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 14 bereitstellt, die durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils von Anspruch 14 gekennzeichnet ist. Weitere Entwicklungen
der Vorrichtung sind durch die Merkmale der zusätzlichen Ansprüche 15 bis
22 gekennzeichnet.
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Der Ausschluss oder die beträchtliche
Reduktion von Oszillationsmarken verbessert weiterhin das Gussgefüge und die
Beseitigung von Einschlüssen,
weil Einschlüsse
und/oder Fehler an den Oszillationsmarken eingeschlossen sind.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Ein Verfahren zum kontinuierlichen
bzw. Strang- oder halbkontinuierlichen Gießen von Metall, wobei
- – heiße Schmelze
zu einer gekühlten
kontinuierlichen bzw. Stranggießform
zugeführt
wird,
- – die
Schmelze gekühlt
und zu einem wenigstens teilweise festgewordenen bzw. erstarrten
Strang geformt wird, während
sie durch die Form durchläuft,
und
- – ein
Hochfrequenzmagnetfeld mit einer Grundfrequenz von 50 Hz oder mehr
angelegt wird, um auf die Schmelze an dem oberen Ende der Form zu
wirken, wobei eine Induktionsspule derart verwendet wird, dass Wärme in der
Schmelze entwickelt wird, und Druckkräfte erzeugt werden, die wirken,
um die Schmelze von der Formwand zu trennen, wodurch ein Strom von
einer Stromversorgung zu der Spule zur Erzeugung des Hochfrequenzmagnetfelds
zugeführt
wird, wird gemäß der vorliegenden
Erfindung auf eine Weise durchgeführt, bei der der zugeführte Strom
auf eine gepulste, amplitudenmodulierte Weise mit einer amplitudenmodulierten
Modulationsfrequenz von 10 Hz oder weniger gesteuert wird, wodurch
eine Vollamplitude des amplitudenmodulierten Stroms innerhalb einer
Anstiegszeit erreicht wird, die einer Periode der Grundfrequenz
oder weniger bei dem Start eines Impulses entspricht. Diese minimierte
Anstiegszeit der Stromamplitude bei dem Start jeder Impulsperiode
zur Vollamplitude ist notwendig, um die gewünschte Steuerung der Druckkräfte zu erreichen,
die wirken, um den Druck zwischen den Formwand und der Schmelze
an dem oberen Ende der Form zu reduzieren. Die Bedingungen für die Schmierung
werden hierdurch beträchtlich
verbessert und sie können
weiterhin durch die amplitudenmodulierte Stromversorgung gesteuert
werden. Dies bietet eine Fähigkeit
für Verbesserungen
der Oberflächengüte des Gießstrangs
und ebenso für
eine erhöhte
Gießgeschwindigkeit
ohne Gefährdung
der Oberflächengüte. Die
Anstiegszeit ist vorzugsweise derart minimiert, dass eine Vollamplitude
des amplitudenmodulierten Stroms innerhalb einer Anstiegszeit erreicht
wird, die 1/4 (0,25) Periode der Grundfrequenz oder weniger bei
dem Start eines Impulses entspricht.
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Beim Durchführen des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es bevorzugt, einen Hochfrequenzstrom mit einer Grundfrequenz
von 50 bis 1000 Hz zuzuführen
und diesen Strom zu steuern, der von der Stromversorgung zu der
Induktionsspule auf eine gepulste, amplitudenmodulierte Weise mit
einer amplitudenmodulierten Modulationsfrequenz von 0,1 bis 10 Hz
zugeführt
wird. Vorzugsweise wird ein Hochfrequenzstrom mit einer Grundfrequenz
von etwa 200 Hz zugeführt.
Die relative Einschaltdauer des Hochfrequenzstroms kann von 0 bis 100%
der Modulationsfrequenzzeitdauer variiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird
der gepulste Strom auf eine im Wesentlichen rechteckige Weise zugeführt, wobei
der Ausgangsstrom zwischen zwei Strompegeln variiert wird. Der Ausgangsstrom
kann dann auf eine Ein-Aus-Weise zugeführt werden, wobei der Ausgangsstrom
in den Aus-Zeitdauern im Wesentlichen ein Nullausgangsstrom ist.
Alternativ wird der gepulste Strom auf eine im Wesentlichen rechteckige
Weise zwischen zwei Stromamplitudenpegeln zugeführt, wobei der Ausgangsstrom
an beiden Pegeln von Null verschieden ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform
wird ebenfalls der Zeitraum zum Abfallen der Stromamplitude an dem
Ende eines Impulses auf eine Zeit, die 1 Periode der Grundfrequenz
des Hochfrequenzstroms oder weniger entspricht, vorzugsweise auf
eine Zeit minimiert, die 1/4 (0,25) Periode der Grundfrequenz des
Hochfrequenzstroms oder weniger entspricht.
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Typischerweise wird die Form während des Gießens geschüttelt bzw.
oszilliert und wenn das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
in einer derartigen oszillierten bzw. geschüttelten Form durchgeführt wird,
ist es oft vorteilhaft, eine bevorzugte Ausführungsform des vorliegenden
Verfahrens zu übernehmen,
in dem die gepulste Modulationsfrequenz des amplitudenmodulierten
Stroms mit der Frequenz der Formoszillation derart verknüpft ist, dass
die Variationen in den Druckkräften
mit der Formoszillation koordiniert sind.
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Der Strom wird dann gemäß einer
bevorzugten Weise mit einer Modulationsfrequenz in der gleichen
Ordnung wie die Schwingungsfrequenz gepulst, aber die gepulste Frequenz
und die Schwingungsfrequenz können
ebenfalls auf irgendeine geeignete Weise assoziiert sein, die eine
Steuerung der Druckkräfte
erzeugt, die wirken, um den Druck zwischen der Formwand und der
Schmelze an dem oberen Ende der Form zu reduzieren.
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Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung eines
Verfahrens zum kontinuierlichen bzw. Strang- oder halbkontinuierlichen
Gießen
von Metall gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält
- – eine
gekühlte
Stranggießform,
- – Mittel
zur Zuführung
heißer
Schmelze zu der Form,
- – Mittel
zum Extrahieren und/oder Empfangen eines Gießstrangs, der in der Form gebildet
wird, aus der Form,
- – eine
Induktionsspule, die an dem oberen Ende der Form angeordnet ist,
um, wenn mit einem elektrischen Hochfrequenzwechselstrom versorgt,
ein Hochfrequenzmagnetfeld zu erzeugen, um auf die Schmelze in der
Form zu wirken, wodurch Wärme
in der Schmelze entwickelt wird, und Druckkräfte erzeugt werden, die wirken,
um die Schmelze von der Formwand zu trennen, und
- – eine
Stromversorgungseinheit mit Stromsteuermittel, um einen elektrischen
Hochfrequenzwechselstrom mit einer Grundfrequenz von 50 Hz oder mehr
zu der Induktionsspule zuzuführen,
wobei das Stromsteuermittel gemäß der vorliegenden Erfindung
weiterhin ein Modulationsmittel zur Modulation und Steuerung des
zugeführten
Stroms auf eine gepulste, amplitudenmodulierte Weise mit einer Modulationsfrequenz
von 10 Hz oder weniger enthält,
wodurch eine Vollamplitude des amplitudenmodulierten Stroms innerhalb
einer Anstiegszeit bei dem Start eines Impulses erreicht wird, die
1 Periode der Grundfrequenz oder weniger entspricht, wobei das Modulationsmittel
einen Löschthyristor
parallel zu einer Gleichstromglättungsdrossel
bzw. einem Gleichstromglättreaktor enthält.
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Das Stromsteuermittel enthält ein Mittel,
das in Abhängigkeit
der Stranggießmaschinen
und Gießvariablen
zur Modulation angepasst ist:
- – zur Ein-Aus-Modulation
des Belastungs- bzw. Last-Spulenstroms, der der Spule zugeführt wird;
- – zur
Modulation zwischen irgendwelchen zwei Strompegeln des Belastungs-
bzw. Last-Spulenstroms,
der der Spule zugeführt
wird;
- – zur
Modulation von Wellenformhüllkurvenformen
mit irgendeinem periodischen Wellenformmuster, wie beispielsweise
Sinus-, Dreieck- oder Trapezmodulationshüllkurven des Belastungs- bzw.
Last-Spulenstroms, der der Spule zugeführt wird; oder
- – zu
einer programmierbaren, willkürlichen
Modulationswellenformmustererzeugung des Belastungs- bzw. Last-Spulenstroms,
der der Spule zugeführt
wird.
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Gemäß einer Ausführungsform
enthält
das Stromsteuermittel einen Wandler mit einem Reihenresonanzkreis
mit Modulationsmitteln zur Zuführung eines
Stroms mit einem Amplitudenmodulationsmuster, das eine im Wesentlichen
rechteckige Wellenkonfiguration zeigt. Bevorzugt sind Modulationsmittel,
die angeordnet sind zur Zuführung
eines Stroms mit einem Amplitudenmodulationsmuster, das eine im
Wesentlichen rechteckige Wellenkonfiguration zeigt, wobei Aus-Zeitdauern
mit Ein-Zeitdauern in einer Netzfrequenz alternieren, wobei die
Aus- und Ein-Zeitdauern eine Vielzahl von Perioden der Grundfrequenz
des amplitudenmodulierten Stroms enthalten, der der Induktionsspule
zugeführt
wird.
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Der in einer Ausführungsform verwendete Reihenresonanzkreis
enthält
typischerweise einen Löschthyristor
parallel zu einer Gleichstromglättungsdrossel
bzw. einem Gleichstromglättreaktor,
wobei
der Thyristor in dem rechteckigen Ein-Aus-Modulationsmodus angepasst
ist:
- – die
Spannung, zu der der Reihenresonanzkondensator an dem Ende jeder
Modulationszeitdauer geladen wird, auf einen optimalen Pegel zu steuern,
und
- – die
Energie einzufangen, die in der Glättungsdrossel während der
Aus-Zeitdauer in jeder Modulationsperiode gespeichert wird, wobei
dadurch ein Freisetzen der Energie in eine Inverterschaltung bei
dem Starten der nächsten
Ein-Modulationszeitdauer ermöglicht
wird. Diese zwei Funktionen sind zum Erreichen einer nahezu perfekt rechteckigen
Vorderflanken-Modulations-Hüllkurvenform
des Ausgangsstroms des Wandlers entscheidend, die wiederum für eine optimale
Oberfläche
und metallographische Mikrostruktur des Stranggießendprodukts
notwendig ist.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind
die Modulationsmittel zur Zuführung
eines Stroms mit einem Modulationsmuster angeordnet, das eine im
Wesentlichen rechteckige Wellenkonfiguration zeigt, die zwischen
zwei Pegeln variiert, sodass die Stromamplitude an diesen zwei Pegeln
für Zeitdauern
im Wesentlichen konstant gehalten wird, die eine Vielzahl von vollständigen Perioden
der Grundfrequenz des amplitudenmodulierten Stroms enthalten, der
der Induktionsspule zugeführt
wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Im Folgenden wird die Erfindung mittels
einer bevorzugten Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren detaillierter und
beispielhaft erläutert.
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1 zeigt
einen Schnitt entlang der Gießrichtung
durch das obere Ende einer Form zum Stranggießen vom Metall mit einer ein
elektromagnetisches Feld erzeugenden Vorrichtung, die an dem oberen
Ende der Form angeordnet ist;
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2 zeigt
einen Reihenresonanzkreis, der in einer Stromversorgungseinheit
enthalten ist, die zur Steuerung der Stromzufuhr zu der Mehrwindungspule
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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3 ist
eine Darstellung eines typischen Resonanz-Last-Spulenstroms des
Reihenresonanzwandlers, der in einer Vorrichtung gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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4 ist
eine Darstellung eines typischen Belastungs- bzw. Last-Spulenstroms
während
des Betriebs einer Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wenn in der speziellen schnellen Anstiegszeit,
im rechteckigen Ein-Aus-Modulationsmodus unter Verwendung des speziellen
Löschthyristors.
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5 zeigt
den Belastungs- bzw. Last-Spulenstrom während des Betriebs einer Vorrichtung
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wenn in dem Zwei-Pegel-Rechteck-Impulsmodulationsmodus.
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6 ist
der Belastungs- bzw. Last-Spulenstrom während des Betriebs einer Vorrichtung
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wenn in dem Sinus-Modulationsmodus.
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7 ist
der Belastungs- bzw. Last-Spulenstrom während des Betriebs einer Vorrichtung
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wenn in dem Dreieck-Modulationsmodus.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die in der 1 gezeigte Vorrichtung zum Stranggießen von
Metall enthält
eine Stranggießform 22.
Eine Stranggießform
ist an beiden Enden in die Gießrichtung
offen und ist mit Kühlmitteln
angeordnet, vorzugsweise enthält
die Form ein System innerer Hohlräume oder Kanäle, worin
ein Kühlmittel fließt, und
Mittel zum Sichern, dass der gebildete Gießstrang 20 kontinuierlich
die Form verlässt.
Die gekühlte
Form 20 wird kontinuierlich mit einem Primärfluss heißer Schmelze
versorgt, das heiße
Metall 21 wird gekühlt
und ein Gießstrang 20 wird
in der Form 22 gebildet. Die Form ist im Allgemeinen eine mit
Wasser gekühlte
Kupferform. Die Form 22 und irgendein Tragebalken enthält innere
Hohlräume
oder Kanäle,
die nicht gezeigt sind, in denen das Wasser während des Gießens fließt. Während des
Gießens wird
ein Primärfluss
heißer
Schmelze zu der Form 22 zugeführt. Während das Metall durch die
Form 22 durchgeht, wird es gekühlt und erstarrt, wodurch ein Gießstrang 20 gebildet
wird. Wenn der Gießstrang 20 die
Form 22 verlässt,
enthält
er eine erstarrte, selbsttragende Oberflächenschicht um eine verbleibende Restschmelze 21.
Es kann im Allgemeinen gesagt werden, dass die Oberflächenbedingungen
und natürlich
das Gussgefüge
von den Anfangserstarrungsbedingungen hoch abhängig ist. Auch die Metallreinheit
wird von den Bedingungen in dem oberen Ende der Form, d. h. den
Orten, an denen das Metall beginnt, zu erstarren, und den Bedingungen
an der Grenzfläche
Form/Strang und von dem Gießspiegel abhängen. Zur
Steuerung des Wärmeverhältnisses an
dem oberen Ende der Form 22 und den Schmierungsbedingungen
ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochfrequenz-Magnetfelds,
z. B. eine Induktionsspule 24, 25 an diesem oberen
Ende auf gleicher Höhe
mit der oberen Oberfläche
der Schmelze in der Form, dem Gießspiegel 26, angeordnet.
Die Spule 24, wie in 1 gezeigt,
ist außerhalb
der Form 22 angeordnet und das Hochfrequenzmagnetwechselfeld,
das durch die Spule 24 erzeugt wird, muss durch die Form 22 und
in die Schmelze dringen. Die Induktionsspule 24 kann eine
Einphasen- oder
eine Mehrphasen-Spule sein. Wenn das Hochfrequenz-Magnetfeld angelegt
wird, um auf die Schmelze 21 zu wirken, wird Wärme in der
Schmelze entwickelt, sodass die Temperatur der Schmelze benachbart
zu dem Gießspiegel 26 gesteuert
werden kann. Zur selben Zeit werden Druckkräfte, die auf die Schmelze wirken,
durch das Hochfrequenz-Wechselfeld entwickelt. Die Druckkräfte reduzieren
den Druck zwischen der Form 22 und der Schmelze 21 und
verbessern folglich die Schmierungsbedingung beträchtlich.
Beim Gießen
gemäß der vorliegenden
Erfindung erhaltene Verbesserungen betreffen viele Qualitäts- und
Produktivitätsaspekte
wie beispielsweise:
Wärmeausnutzung;
Mechanisch
stabilere Form;
Reinheit;
Oberflächengüte;
gesteuertes Gussgefüge;
reduzierte
Stillstandszeit; und
Vorkehrungen zur Erhöhung der Gießgeschwindigkeit
und/oder Reduzierung von Oszillation.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird ein Wandler, der einen Reihenresonanzbelastungskreis
einschließt,
zur Erzeugung eines Wechselstroms bereitgestellt, der derart amplituden-
oder impulsmoduliert ist, sodass Anstiegszeiten zur Vollamplitude
in der Ordnung von 1/4 Periode der Eigenresonanzfrequenz des Reihenresonanzbelastungskreises
erhalten werden, der in der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
und zur Erleichterung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird.
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Unter Bezugnahme auf 2 wird ein Schaltplan des speziell konfigurierten
Reihenresonanzwandlers dargestellt, der gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird. Unter Bezugnahme auf die in diesem Plan gezeigten
Elemente, werden die Betriebsprinzipien beschrieben. Die elektrische Versorgungsstromquelle,
typischerweise eine Drei-Phasen-Wechselspannung
(AC-Spannung) geeigneter Nennleistung ist mit dem Gleichrichter 1 verbunden.
Der Gleichrichter wandelt die AC in eine proportionale Gleichspannung
(DC-Spannung) um.
Die Gleichspannung wird durch eine Glättungsdrossel an die Anode
des Inverter-Thyristors 3 angelegt.
Obwohl ein Thyristor gezeigt ist, kann irgendeine geeignete Schaltvorrichtung,
wie beispielsweise ein Transistor, IGBT, IGCT usw. verwendet werden.
Eine Diode 4 ist mit dem Thyristor antiparallel geschaltet.
Ein in Reihe geschalteter Resonanzbelastungskreis, der aus Kondensator 5 und
Induktionsspule 6 besteht, ist mit dem Inverter-Thyristor 3 parallel
geschaltet. Ein spezielles Merkmal des Inverters ist der Löschthyristor 7,
der mit der Glättungsdrossel 2 parallel
geschaltet ist.
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Die Tätigkeit des Reihenresonanzwandlers wird
nun beschrieben.
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Bei Anlegen von Versorgungsspannung
an die Eingangsanschlüsse
des Gleichrichters 1 wird eine proportionale Gleichspannung
an den Ausgangsanschlüssen
des Gleichrichters entwickelt.
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Der Reihenresonanzkondensator 5 ist
anfangs in einem entladenen Zustand. Ein Strom fließt folglich
durch die Glättungsdrossel 2,
der einer Sinuskontour folgt, bis Kondensator 5 vollständig geladen ist.
Die in Drossel 2 gespeicherte Energie wird in Kondensator 5 entladen,
folgend der Beziehung 1/2*L*I2 =
1/2*C*V2
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Dies führt zu einem gespeicherten
Spannungspegel über
Kondensator 5, der etwa zweimal der Nenngleichspannung
an den Ausgangsanschlüssen
des Gleichrichters 1 ist. Diese Spannung wird zu dem Nenn-Gleichrichter-Gleichspannungspegel durch
Beschaltungsdiode 8 in Widerstand 18 abgelassen,
dessen Wert die Entladezeitkonstante bestimmt.
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Zwei Betriebsmodi werden im Wesentlichen bereitgestellt.
In dem Ein-Aus-Impulsmodulationsmodus
wird ein variabler relative Einschaltdauer-Impulssteuersignalgenerator 10 aktiviert.
Das Ausgangssignal weist unabhängig
variable Periodendauer und Folgefrequenz auf. Die Folgefrequenz
kann ebenfalls durch den externen Triggereingang 11 geregelt
werden, der mit dem kontinuierlichen Gießformlängsoszillationsmechanismus
verknüpft
ist. Diese Verknüpfung
erlaubt irgendeine gewünschte
Synchronisierung der Formbewegung und der Modulation der Ausgangsstroms
des Wandlers, zum Zweck der Prozessoptimierung, wie vorher beschrieben.
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Das Ausgangssignal des Modulationsimpulsgenerators
wird auf einen Zündimpulsgenerator 17 angewendet,
der geeignete Signale erzeugt, wie sie für zuverlässiges Zünden des Inverter-Thyristors erforderlich
sind.
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Wenn der Zündimpuls über den Gate des Thyristors
angelegt wird, beginnt er zu leiten und Strom fließt von Gleichrichter 1 durch
Drossel 2 in Thyristor 3. Der Gleichstrom steigt
linear durch Drossel 2 bei einer Geschwindigkeit an, die
durch ihre Induktivität
geregelt wird. Zur gleichen Zeit wird Reihenresonanzkondensator 5 durch
Induktor 6 in Thyristor 3 entladen, wobei eine
Resonanzhalbsinusstromkontour durch den Thyristor resonant erzeugt wird.
Der Strom steigt sinusförmig
zu einem Spitzenwert an, der durch die Impedanz der Induktionsspule 6 und
der Anfangsladespannung durch Kondensator 5 bestimmt wird.
Der Strom schwingt dann resonant abwärts in Richtung zu Null. Kurz
nachdem der Strom durch Thyristor 3 Null durchläuft, schaltet
sich der Thyristor in einen nicht-leitenden Zustand um. Der Strom
fährt jedoch
fort, in die negative Richtung mittels Leitung durch die antiparallele
Diode 4 resonant zu schwingen. Während der Zeit der Leitung
von Diode 4 fährt
der Gleichstrom durch Drossel 2 fort, anzusteigen und wird
tatsächlich
von dem Strom durch Diode 4 abgezogen. Der Resonanzstrom
durch Diode 4 schwingt dann in Richtung zu dem Null-Kreuzungspunkt
resonant zurück.
Kurz nachdem Null durchlaufen ist, schaltet sich die Diode 4 zu
dem Aus-Zustand um. An diesem Punkt wird die Energie, die sich in
Drossel 2 aufgebaut hat, in Reihenresonanzkondensator 5 entladen,
wobei die Spannung über
ihn anfängt,
zu steigen. Während
dieses Prozesses, wenn die Spannung über Drossel 2 auf
einen Pegel steigt, der der Einstellung von Spannungsschwellendetektor 9 entspricht,
wird ein Zündimpuls zu
Löschthyristor 7 zugeführt, der
die Anschlüsse
von Drossel 2 kurzschließt, wobei verhindert wird,
dass die Spannung über
sie irgendwie weiter als der voreingestellte Pegel ansteigt. Ein
alternativer Mechanismus zur Triggerung des Löschthyristors 7 ist
variabler Verzögerungsgenerator 19,
der einen Zündimpuls
durch Zündimpulsgenerator 16 bei
gesteuerter Verzögerungszeit
von der Hinterflanke des variablen relative Einschaltdauer-Ein-Aus-Modulations-Impulsgenerators 10 erzeugen
kann. Es können
entweder variable Verzögerungsmittel 11 oder
Spannungsvergleichermittel 9 oder eine Kombination von
Beiden zum Zwecke einer geeigneten Steuerung des Zündpunktes
von Löschthyristor 7 verwendet
werden.
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Löschthyristor 7 schränkt die
Spannung über Reihenresonanzkondensator 5 auf
einen vorbestimmten optimalen Pegel ein, um zu sichern, dass die
nächste
ansteigende Modulations-Hüllkurvenflanke
die quadratischst mögliche
Modulations-Hüllkurve
der Stromkurve bzw. - wellenform
aufweist. Zur gleichen Zeit fängt
er die in der Drossel gespeicherte Energie für eine maximale Zeitdauer ein,
die der (L/R)-Zeitkonstante des Löschthyristors in Kombination
mit der Drossel 2 entspricht. Die Zeit kann in Abhängigkeit
der Induktivität
der Drossel 2 bis zu einigen Sekunden sein. Das Einfangen
von Energie in Drossel 2 stellt einen weiteren Stabiliserungseffekt auf
die Vorderflanke der Strom-Modulations-Hüllkurvenform unter Unterstützung des
Erreichens der nahezu perfekten rechteckigen Modulations-Hüllkurvenmuster
bereit. An dem Ende jeder Modulations-Hüllkurve läuft der Gleichstrom durch Null
und die Recovery-Energie der Dioden in Gleichrichter 1 erscheint
in der Form eines Hochenergiespannungsübergangs, der durch Diode 8 in
Kondensator 12 geleitet wird, wonach seine Energie in Widerstand 18 abgeführt wird.
Ohne dieses Merkmal werden potentiell schädigende Übergangsspannungspegel über Gleichrichter 1 während des
Stromübergangs
durch Null angelegt werden.
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Ohne die vorstehend beschriebenen
Löschthyristormittel
und assoziierten Steuermittel wird die Vorderflanke des Modulations-Hüllkurvenmusters eine
gedämpfte
bzw. abklingende Sinuskontour aufweisen, die die Rechteck-Impuls-Modulations-Hüllkurve überlagert,
die auf die für
die Oberflächencharakteristiken
des kontinuierlich gegossenen Endprodukt schädlich sein können.
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Der beschriebene Schwingprozess wiederholt
sich selbst bei der programmierten Zündfrequenzrate, die typischerweise
eine feststehende Frequenz nicht größer als 80 Prozent der Eigenresonanzfrequenz
des in Reihe geschalteten Belastungskreises ist. Die durchschnittliche
Leistung und der durchschnittliche Strom des Belastungskreises werden
mittels Variierens dieser Zündfrequenz über einen
Bereich von etwa 10 bis 1 in Bezug auf seinen maximalen Wert mittels
Spannungs-Frequenz-Umsetzers 13 in Kombination mit Stromsollwertpotentiometer 14 gesteuert,
das eine variable Steuerspannung für die Steuersignaleingabe des
Spannungs-Frequenz-Umsetzers 13 bereitstellt.
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Als eine Alternative der Ein-Aus-Modulation mit
spezieller schneller Anstiegszeit und Rechteck-Hüllkurven-Steuermitteln,
wie vorstehend beschrieben, kann die Modulation des Ausgangsstroms des
Umsetzers gemäß irgendeiner
anderen periodischen oder willkürlichen
Wellenform mittels Anwendung eines gewünschten Steuersignals von dem Ausgang
des Modulation-Hüllkurven-Signal-Generators 15 zu
dem Steuereingang des steuerbaren Gleichrichters 1 ausgeführt werden.
Kontinuierlich variable Amplitudenmodulation gemäß Sinus-, Dreieck-, Trapez-,
2-Pegelimpuls- und zufälligen
Mustern mit einer voreingestellten Folgefrequenz oder bei einer
Rate, die durch den externen Triggereingang von dem Formlängsoszillationsmechanismus
bestimmt wird, kann dann, wie zur Optimierung der Oberflächengüte oder
metallographischer Mikrostruktur des kontinuierlich gegossenen Endprodukts
erfordert, erhalten werden.
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In 3 bis 7 sind typische Betriebswellenformen
gezeigt, die mit dem Belastungs- bzw. Last-Spulenstrom während des
Betriebs für
den Reihenresonanzumsetzers assoziiert sind, der in verschiedenen
Ausführungsformen
der Stranggießvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird.
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3 zeigt
eine typische Darstellung des Resonanz-Belastungs-Spulenstroms während des Betriebs
in einer Ausführungsform,
die einen Reihenresonanzumsetzer einsetzt, wie vorstehend beschrieben.
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4 zeigt
einen typischen Belastungs-Spulenstrom während des Betriebs in einer
Ausführungsform,
die einen Reihenresonanzumsetzer einsetzt, der durch die spezielle
schnelle Anstiegszeit, einen Rechteck-Ein-Aus-Modulationsmodus unter
Verwendung des speziellen Löschthyristors
gekennzeichnet ist.
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5 zeigt
eine typische Belastungsspule während
des Betriebs in einer alternativen Ausführungsform, die einen Reihenresonanzumsetzer
einsetzt, der durch den Zwei-Pegel-Rechteck-Impuls-Modulationsmodus gekennzeichnet
ist.
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6 zeigt
einen typische Belastungs-Spulenstrom während des Betriebs in einer
weiteren Ausführungsform,
die einen Reihenresonanzwandler einsetzt, der durch den Sinusmodulationsmodus
gekennzeichnet ist.
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7 zeigt
einen typischen Belastungs-Spulenstrom während des Betriebs in einer
noch anderen Ausführungsform,
die einen Reihenresonanzwandler einsetzt, der durch den Dreickmodulationsmodus
gekennzeichnet ist.