EP1694455A1 - Magnetische bremse für stranggiesskokille - Google Patents

Magnetische bremse für stranggiesskokille

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EP1694455A1
EP1694455A1 EP04803301A EP04803301A EP1694455A1 EP 1694455 A1 EP1694455 A1 EP 1694455A1 EP 04803301 A EP04803301 A EP 04803301A EP 04803301 A EP04803301 A EP 04803301A EP 1694455 A1 EP1694455 A1 EP 1694455A1
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EP
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continuous casting
permanent magnets
casting mold
mold
field strength
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Hans Streubel
Walter Trakowski
Karl Rittner
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SMS Demag AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/10—Supplying or treating molten metal
    • B22D11/11—Treating the molten metal
    • B22D11/114—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means
    • B22D11/115—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means by using magnetic fields
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/16—Controlling or regulating processes or operations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/02—Use of electric or magnetic effects
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/02—Permanent magnets [PM]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets

Definitions

  • the invention relates to a continuous casting mold, in particular thin slab mold, in which the flow of the liquid metal in the mold is influenced by a magnetic field generated by means of permanent magnets arranged on the mold, the permanent magnets having different magnetic strengths or different distances from one another over the width and / or height for a different field strength.
  • Document EP 0 880 417 B1 describes a magnetic brake for casting metal in a mold, consisting of a magnetic core and a coil supplied with direct current or with low frequency alternating current. A magnetic return line is also provided in order to close the magnetic circuit.
  • Document EP 0 568 579 describes a method for controlling the flow of molten metal into the non-solidified metal areas of a casting mold, wherein this is supplied with at least one primary flow of molten metal and a cast strand is formed in the mold, with at least one static magnetic field from Poles are generated, which are arranged next to the mold and consist of permanent magnets, the magnetic field being used to brake and split the primary stream of molten metal flowing into the mold and to control the secondary currents that arise, the magnetic field being essentially arranged in this way that it works across the entire width of the strand formed in the mold.
  • the magnetic field strength should vary in the plane that extends perpendicular to the casting direction and at the level at which the magnetic field strength reaches its maximum value within an interval of 60 to 100% of this maximum value, while at the same time the field strength at one level with the highest surface / meniscus of the molten metal has a maximum value of 500 GAUß.
  • the magnetic field is controlled and distributed by the magnetic poles being movable and / or provided with adjustable core elements.
  • Document EP 0 040 383 (B1) describes a method for stirring the non-solidified areas in a casting strand, the strand being formed in a mold and a pouring jet flowing through a pouring tube or directly into the mold. Where the pouring jet penetrates the melt already in the mold, at least one static magnetic field acting in the melt is generated, which brakes the pouring jet and splits it in such a way that its momentum is weakened or consumed.
  • a device provided for this purpose can consist of one or more permanent magnets.
  • the document JP 08155610 has a mold with a rectangular design, at the four corners of which permanent magnets are arranged to generate south and north magnetic fields.
  • Bo is the induction field strength of one of the permanent magnets
  • z is the distance from one of the magnets
  • d is the distance between the magnets
  • h is the effective height of the magnet.
  • the effective height h is determined by measurement.
  • cosh is the hyperbolic cosine (see Figure 1).
  • the object of the invention is to provide means for varying the magnetic field strength of permanent magnets on a continuous casting mold.
  • the object is achieved according to the invention in that the permanent magnets can be set differently for a different field strength distribution in groups.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the permanent magnets can be moved on the mold by means of displaceable and / or pivotable adjusting means in order to adapt the field strength.
  • ⁇ is the magnetic flux
  • B is the magnetic field strength
  • A is the passage area to the casting mold
  • cos is the cosine of the angle between the vector of the magnetic field strength and the surface normal vector of the passage area.
  • the rotation facilitates the detachment of the magnets from the passage surface, because according to the regulations for the assembly of these permanent magnets it is necessary to place them on one edge and then to place them on the carrier at a constantly decreasing angle (see Figure 3).
  • the magnets are not placed directly on the carrier made of ferromagnetic material, but a layer of non-ferromagnetic material is placed between them for easier detachment for rotation or assembly. This can be austenitic steel, but an approx. 1 mm thick plastic plate is also sufficient.
  • the uneven spacing of the magnets from the passage surface associated with the rotation is magnetically compensated by a passage body through the water box of the casting mold made of ferromagnetic material.
  • Casting mold with window for external magnetic brake The magnetic field generated by the permanent magnets must remain adjustable in its field strength.
  • the permanent magnets are mounted on the teeth of a rake that engages in the support ribs of the water boxes of the casting mold.
  • a device makes it possible to adjust the distance between the teeth and the mold by displacement. This makes it possible to vary the strength of the magnetic field.
  • the device can be moved using a mechanical spindle or a hydraulic cylinder.
  • Casting mold with integrated magnetic brake The previous electrical device for generating the magnetic field is removed and a device for holding the permanent magnets is mounted on the then exposed ferromagnetic block (passage window) in the water tank.
  • This device can be moved by rotation and thus the magnetic field strength can be varied.
  • the device can be moved by a mechanical spindle or by a hydraulic cylinder.
  • the magnetic field strength can also be set in this way.
  • Permanent magnets are so strong that they cannot be produced over a large area. Such a magnet would be blown up by its own field forces, i.e. are literally torn apart. One is therefore forced to produce large-area magnets for the width of a continuous casting mold from many individual magnets which are glued to a large-area carrier made of ferromagnetic material in order to convert the magnetic flux densities of the many individual magnets into a large-area magnetic flux, which then has the metallurgical effects in the mold has to unite. This is important insofar as the same orientation of the magnetic poles means that small magnets cannot be placed as close to one another as desired, since poles of the same name repel the magnets. This forces the magnet carrier to have multiple layers, since in the second layer the permanent gaps in the first layer must be covered by permanent magnets.
  • the magnets must not only sit on the teeth of the Ruler, but also on the back of the magnet carrier (Rulers) made of ferromagnetic material and again here in several layers, since otherwise the required magnetic flux density in the metallurgical part of the mold is reached.

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Description

Magnetische Bremse für Stranggießkokille
Die Erfindung betrifft eine Stranggießkokille, insbesondere Dünnbrammenkokille, bei welcher eine Beeinflussung der Strömung des Flüssigmetalls in der Ko- kille durch ein mittels an der Kokille angeordnete Permanentmagnete erzeugtes Magnetfeld erfolgt, wobei die Permanentmagnete über die Breite und / oder Höhe unterschiedliche Magnetstärken oder unterschiedliche Abstände zueinander für eine unterschiedliche Feldstärke aufweisen.
Der Einsatz magnetischer Mittel zur Abbremsung und Vergleichmäßigung von Flüssigmetallströmen ist eine bekannte Technik und wurde in mehreren technischen Dokumenten beschrieben. Die in den Dokumenten aufgeführten Anlagenteile weisen allesamt große Massen auf, die eine für den Betrieb erforderliche Oszillation der Gießkokille erschweren. Zudem ist die Ausrüstung sehr kos- tenintensiv.
Das Dokument EP 0 880 417 B1 beschreibt eine Magnetbremse für das Gießen von Metall in einer Kokille, bestehend aus einem Magnetkern und aus einer mit elektrischem Gleichstrom oder mit niederfrequentem Wechselstrom versorgten Spule. Ferner ist eine magnetische Rückleitung vorgesehen, um den Magnetkreis zu schließen.
Fortschritte in der Entwicklung auf dem Gebiet der Permanentmagnete (Hartfer- rite, Seltenerdmagnete) haben in der Zwischenzeit einen neuen Einsatz an möglichen Feldstärken der Permanentmagnete eröffnet, welche Permanentmagnete für den Einsatz als Alternative für die oben genannten Elektromagnete geeignet erscheinen lassen.
Es ist daher schon vorgeschlagen worden, die bisher für die elektromechani- sehe Bremse (EMBr) verwendete Ausrüstung zur Erzeugung des Magnetfeldes (Feldspule, elektrische Ansteuerung, äußeres Joch zur Leitung des magneti- sehen Flusses, etc.) durch Permanentmagnete zu ersetzen, die direkt an der Kokille zum Einsatz kommen.
Das Dokument EP 0 568 579 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung des Stromes aus geschmolzenem Metall in die nicht erstarrten Metallbereiche einer Gießkokille, wobei dieser mindestens ein Primärstrom aus geschmolzenem Metall zugeführt wird und ein Gussstrang in der Kokille gebildet wird, wobei mindestens ein statisches magnetisches Feld von Polen erzeugt wird, die neben der Kokille angeordnet sind und aus Dauermagneten bestehen, wobei das magnetische Feld dazu dient, den in die Kokille strömenden Primärstrom aus geschmolzenem Metall zu bremsen und aufzusplitten und entstehende Sekundärströme zu steuern, wobei das magnetische Feld im wesentlichen so angeordnet ist, dass es über die gesamte Breite des in der Kokille gebildeten Stranges wirkt. Die magnetische Feldstärke soll in derjenigen Ebene, die sich senkrecht zur Gießrichtung erstreckt und die auf dem Niveau, auf dem die magneti- sehe Feldstärke ihren Maximalwert erreicht, innerhalb eines Intervalls von 60 bis 100 % dieses Maximalwertes variieren, während gleichzeitig die Feldstärke auf einem Niveau mit der höchsten Oberfläche/Meniskus des geschmolzenen Metalles einen Maximalwert von 500 GAUß besitzt. Das magnetische Feld wird gesteuert und verteilt, indem die magnetischen Pole beweglich und/oder mit verstellbaren Kernelementen versehen sind.
Das Dokument EP 0 040 383 (B1 ) beschreibt ein Verfahren zum Umrühren der nicht erstarrten Bereiche in einem Gießstrang, wobei der Strang in einer Kokille geformt und ein Gießstrahl durch ein Gießrohr oder direkt in die Kokille strömt. Dort, wo der Gießstrahl in die in der Kokille bereits befindliche Schmelze eindringt, wird mindestens ein in der Schmelze wirkendes statisches Magnetfeld erzeugt, das den Gießstrahl bremst und ihn derart zersplittet, dass sein Impuls geschwächt oder aufgezehrt wird. Eine hierfür vorgesehene Vorrichtung kann aus einem oder mehreren Dauermagneten bestehen. Das Dokument JP 08155610 weist eine Kokille in rechteckiger Bauart auf, an deren vier Ecken jeweils Dauermagnete zur Erzeugung von Magnetfeldern Süd und Nord angeordnet sind.
Permanentmagnete weisen bei gleicher magnetischer Induktionsfeldstärke eine wesentlich kürzere Bauform und damit drastisch reduzierte Massen auf. Es ist keine zusätzliche Einrichtung zur Leitung des magnetischen Flusses in Form eines äußeren Joches erforderlich. Bei Bedarf reicht es aus, die im Rahmen der Kokille vorhandenen ferromagnetischen Materialien zur Schließung des magnetischen Flusskreises zu verwenden.
Der Einsatz von Permanentmagneten erfordert jedoch andere Vorgehensweisen. Es werden zwar beim Stand der Technik Permanentmagnete als mögliche Quellen des statischen magnetischen Feldes aufgeführt, jedoch nur Ausrüstungen für den Fall einer Erzeugung des magnetischen Feldes über Stromspulen mit Gleichstrom DC oder niedrigstfrequentem Wechselstrom AC beschrieben, nicht jedoch für Permanentmagnete.
Da Permanentmagnete keinen Schalter zum Ein- und Ausschalten haben, bedingt das zum einen besondere Sicherheitsmaßnahmen zum Einbau und War- tung der Ausrüstung. Anders als beim Wechselstrom-Betrieb sind aber auch besondere Verfahren und Ausrüstungen zum Anfahren einer Stranggießmaschine erforderlich.
Bei der magnetischen Bremse hat man gegenüberliegend auf beiden Seiten der Gießkokille in diesem Fall Permanentmagnete zur Erzeugung des Magnetfeldes. Die Induktionsfeldstärke B bei dieser Anordnung folgt in ihrem Abstand im Zwischenraum zwischen den Permanentmagneten der Formel:
wobei Bo die Induktionsfeldstärke eines der Permanentmagneten ist, z der Abstand von einem der Magnete aus gemessen, d der Abstand zwischen den Magneten und h die wirksame Höhe des Magneten ist. Die wirksame Höhe h wird durch Messung bestimmt. Zudem ist π die Zahl Pi (= 3,14...) und cosh ist der Kosinus Hyperbolikus (siehe Abbildung 1 ).
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, an einer Stranggießkokille Mittel zur Variation der magnetischen Feldstärke von Permanentmagneten bereit zu stellen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass die Permanentmagnete für eine unterschiedliche Feldstärkenverteilung in Gruppen unterschiedlich anstellbar sind.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Permanent- magnete auf verschiebbaren und/oder schwenkbaren Stellmitteln an die Kokille zur Anpassung der Feldstärke verfahrbar sind.
Das geschieht z.B. durch Veränderung des Abstandes der Magnete voneinander, bevorzugt durch Drehung des Trägers der Permanentmagnete von der Gießkokille weg. Es bestehen weitere Möglichkeiten durch gerades Verfahren mittels drehbarer Spindeln oder hydraulischer Zylinder (siehe Abbildung 2). Im Falle der Drehung des Magnetträgers von der Gießkokille weg, folgt die Feldschwächung der folgenden Formel: - → →- →
Φ = I Bl • I A| • cos ( < ( B , A ) )
wobei Φ der magnetische Fluss, B die magnetische Feldstärke, A die Durchtrittsfläche zur Gießkokille und cos der Kosinus des Winkels zwischen dem Vek- tor der magnetischen Feldstärke und dem Flächennormalenvektor der Durchtrittsfläche ist. Die Veränderung des magnetischen Flusses erfolgt über die Feldschwächung B gemäß der Formel B(z) und dem Winkel. Im Falle der mechanischen Verschiebung als Änderung des Abstandes erfolgt die Änderung von Φ nur über die Feldschwächung B gemäß der o. g. Formel über B(z).
Die Drehung erleichtert zum einen die Ablösung der Magnete von der Durch- trittsfläche, denn gemäß der Vorschriften zur Montage dieser Permanentmagnete gehört es, diese auf einer Kante anzusetzen und dann mit ständig verkleinerndem Winkel auf den Träger aufzusetzen (siehe Abbildung 3). Die Magnete werden nicht direkt auf den Träger aus ferromagnetischem Material aufgesetzt, sondern zur leichteren Ablösung zur Drehung bzw. Montage wird eine Schicht aus nicht ferromagnetischem Material dazwischen gelegt. Das kann austeniti- scher Stahl sein, es genügt aber auch eine ca. 1 mm dicke Kunststoffplatte. Die mit der Drehung verbundenen ungleichmäßigen Abstände der Magnete zur Durchtrittsfläche werden durch einen Durchtrittskörper durch den Wasserkasten der Gießkokille aus ferromagnetischem Material magnetisch ausgeglichen.
Es gibt 2 Bauformen der Gießkokille, die Kokille mit Aussparung für eine von außen zugeführte magnetische Bremse und die Bauform mit der in den Wasserkasten integrierten magnetischen Bremse. Für beide Anwendungen sind folgende Vorrichtungen erforderlich:
Gießkokille mit Fenster für von außen zugeführte magnetische Bremse: Das von den Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld muss in seiner Feldstärke einstellbar bleiben. Dazu werden die Permanentmagnete auf die Zähne eines Rechens montiert, der in die Stützrippen der Wasserkästen der Gießkokil- le greift. Eine Vorrichtung ermöglicht es, den Abstand der Zähne zur Kokille durch Verschiebung einzustellen. Dadurch wird es möglich, das Magnetfeld in seiner Stärke zu variieren. Die Vorrichtung kann per mechanische Spindel oder per Hydraulikzylinder bewegt werden.
Gießkokille mit integrierter magnetischer Bremse: Die bisherige elektrische Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes wird entfernt und auf den dann freiliegenden ferromagnetischen Block (Durchtrittsfenster) im Wasserkasten wird eine Vorrichtung zum Halten der Permanentmagnete montiert. Diese Vorrichtung kann durch Drehung bewegt werden und somit die magnetische Feldstärke variiert werden. Die Vorrichtung kann durch eine me- chanische Spindel oder per Hydraulikzylinder bewegt werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, diese Vorrichtung auch um eine Achse am unteren Rand drehbar zu machen und somit für einen veränderlichen Abstand zwischen Permanentmagneten und ferromagnetischem Block zu sorgen. Darüber lässt sich ebenfalls die magnetische Feldstärke einstellen.
Permanentmagnete sind so stark, dass sie sich nicht großflächig herstellen lassen. Ein solcher Magnet würde durch seine eigenen Feldkräfte gesprengt, d.h. förmlich zerrissen werden. Man ist also gezwungen, großflächige Magnete für die Breite einer Stranggießkokille aus vielen einzelnen Magneten herzustellen, die auf einen großflächigen Träger aus ferromagnetischem Material geklebt sind, um die magnetischen Flussdichten der vielen Einzelmagnete zu einem großflächigen magnetischen Fluss, der dann die metallurgischen Wirkungen in der Kokille hat, zu vereinen. Das ist in sofern von Bedeutung, da man durch gleiche Ausrichtung der magnetischen Pole, kleine Magnete auch nicht beliebig dicht nebeneinander setzen kann, schließlich stoßen sich gleichnamige Pole der Magnete ab. Man ist dadurch gezwungen, den Magnetträger mehrschichtig zu machen, da man in der zweiten Schicht durch Permanentmagnete die noch offenen Zwischenräume der ersten Schicht überdecken muss.
Des Weiteren müssen bei einem Ruler oder Rechen (kammförmige Bremse) die Magnete nicht nur auf den Zähnen des Rulers sitzen, sondern auch auf der Rückseite des Magnetträgers (Rulers) aus ferromagnetischem Material und auch hier wieder in mehreren Schichten, da man ansonsten wieder nicht die erforderliche magnetische Flussdichte im metallurgischen Teil der Kokille er- reicht.

Claims

Patentansprüche
1. Stranggießkokille, insbesondere Dünnbrammenkokille, bei welcher eine Beeinflussung der Strömung des Flüssigmetalls in der Kokille durch ein mittels an der Kokille angeordnete Permanentmagnete erzeugtes Magnetfeld erfolgt, wobei die Permanentmagnete über die Breite und/oder Höhe unterschiedliche Magnetstärken oder unterschiedliche Abstände zueinander für eine unterschiedliche Feldstärke aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete für eine unterschiedliche Feldstärkenverteilung in Gruppen unterschiedlich anstellbar sind.
2. Stranggießkokille nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Permamentmagnete auf verschiebbaren und/oder schwenkbaren Stellmitteln an die Kokille zur Anpassung der Feldstärke verfahrbar sind.
3. Stranggießkokille nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellmittel für die Permanentmagnete als Drehvorrichtungen, als Hydraulikzylinder oder als Drehspindeln ausgebildet sind.
4. Stranggießkokille nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Magneten und der Kupferplatte ein Eisenkern angeordnet ist.
5. Stranggießkokille nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Permanentmagnete im Wasserkasten der Stranggießkokille angeordnet sind und zur direkten Anlage an die Kokillenplatte anstellbar sind.
6. Stranggießkokille nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eisenkern als Durchtrittskörper den Wasserkasten zwischen Kupferplatte und Permanentmagnet ausfüllt.
7. Stranggießkokille nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Durchtrittskörper und dem anstellbaren Permanentmagneten eine Trennschicht vorzugsweise aus nicht ferromagnetischem Metall oder aus Kunststoff einschiebbar ist.
8. Stranggießkokille nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete aus einer Mehrzahl von kleineren Einzelmagneten bestehen, die auf einem größerflächigen Träger aus ferromagnetischem Material angeordnet sind und mehrschichtig wirkungsmäßig zu einem großflächigen Magneten verbunden sind.
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