DE1583601A1

DE1583601A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kuehlen eines schmelzfluessigen Metallstranges

Info

Publication number: DE1583601A1
Application number: DE19671583601
Authority: DE
Inventors: Otto Stenzel; Rummel Dr-Ing Theodor
Original assignee: Demag Elektrometallurgie GmbH
Current assignee: Demag Elektrometallurgie GmbH
Priority date: 1967-07-05
Filing date: 1967-07-05
Publication date: 1970-09-17

Description

DEMAG-Elektrometallurgie GmbH 3. Juli 1967

41' Duisburg ■;■ Demet 378 - H/Schi

Königstraße 57

Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen eines schmelzflüssigen Metallstranges

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die zu dessen Ausführung erforderliche Vorrichtung zum Kühlen eines schmelzflüssigen Metallstranges, insbesondere in Stranggießanlagen.

Infolge der metallurgischen und technologischen Gegebenheiten erfolgt das Gießen metallischer Stränge nur mit relativ kleinen Geschwindigkeiten. Aus Gründen eines rationel len Arbeitsablaufes ist Jedoch eine Erhöhung der Gießgeschwindigkeit wünschenswert. Eine Erhöhung der Gießgeschwindigkeit ist dann möglich, wenn es gelingt, den Wärmeübergang innerhalb der Schmelze, soweit sich diese in der Kokille ·befindet, zu erhöhen-» Unter Anwendung von Rührbewegungen läßt sich der Wärmeübergang in der Schmelze wesentlich erhöhen.

Da mechanische Rührwerke aus naheliegenden Gründen nicht in Betracht kommen, wurde für andere als dieser Erfindung zugrunde liegende Zwecke beim Gießen von Aluminiumsträngen bereits ein induktives Rührwerk vorgeschlagen, welches oberhalb des Badspiegels der Schmelze, also weit entfernt von der kühlenden Kokillenwand, angeordnet ist.

Der bekannte-Vorschlag geht offenbar von dem Gedanken aus, daß bei diesem oder ähnlichem Material eine Rührbewegung beim Stranggießen.vor allem deshalb erforderlich sei, weil

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zwischen dem aus einem Gießbecher ausfließenden und in ■ eine wassergekühlte Kupferkokille einlaufenden, langsam erstarrenden Gießgut ein recht erhebliches Temperaturgefälle von außen nach innen verhanden ist, wodurch starke Inhomogenitäten hervorgerufen würden. Diese Inhomogenitäten wurden im Schliffbild an der ungleichmäßigen und zum Teil großen Kornausbildung nachgewiesen.

Wenngleich bei diesem Vorschlag bereits - wenn auch nicht als primärer Effekt - der Wert erkannt wurde, den die Rotationsbewegung auf die Vergleichmäßigung der GieSgut-Temperatur und damit auch auf die Homogenität 'des Stranggefüges ausübt, besteht ein wesentlicher Nachteil der dazu erforderlichen Anordnung darin, daß das vorgeschlagene Verfahren keine-Anwendung im großindustriellen Maßstab zuläßt, Mit diesem Nachteil sind auch noch weitere verbunden: :■

Zum einen, wird die Abkühlungsgeschwindigkeit nur unwesentlich herabgesetzt, weil die kühlenden Koklllenwänaa zu weit vom Drehfeld entfernt liegen, und zum anderen ist die Anwendung eines größervolumigen Samrnel- und Vorteilergefäßes ausgeschlossen.

Das flüssige Gut mußte dem bekannten Vorschlag zufolge der Kokille mittels Gießrinne und Gießbecher-im -Zentrumder Anlage, d. h. durch den Induktor hindurch, zugeführt vrerden. Hierbei ergab sich schließlich noch der v/eitere Nachteil, daß durch die" relativ große Fallhöhe der Schmelze ein Schäumen des "Gießgutes hervorgerufen wurde, was -. im Falle des Aluminiumgießens die unerwünschte Bildung von Aluminium-Oxyd zur Folge hatte.

Demgegenüber hat sich die vorgeschlagene Erfindung die Aufgabe gestellt, nicht nur die vorstehend aufgezeigten Nachteile zu vermeiden, sondern vor allern auch die Anwen-

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dung und Ausbildung induktiver Felder derart forzuentwikkeln bzw. auszugestalten, daß mit deren Hilfe ein relativ großer und guter Wärmeaustausch zwischen Gießgut und Kokille erzielt wird. Dadurch wird neben einer weiteren Verbesserung der Gießgut-Homogenität vor allem als Haupteffekt eine wesentliche Steigerung der Gießgeschwindigkeit erzielt, was schließlich für die großindustrielle Nutzung von ausschlaggebender Bedeutung ist.

Die vorgeschlagene Erfindung besteht demzufolge im wesentlichen in einem Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die aus dem Sammel- oder Verteilergefäß ausfließende Metallschmelze, vorzugsweise im Bereich der nachgeschalteten Kokille, mindestens einem sie umschließenden elektromagnetischen Drehfeld ausgesetzt ist, und daß bei Anwendung eines weiteren oder mehrerer sie umfassender Drehfelder diese abwechselnde Drehfeldrichtung aufweisen, und die Schmelze sodann einer Beruhigungsstrecke zugeführt v/ird, wobei die Magnet-Drehfelder im wesentlichen senkrecht auf die Schmelzegerichtet sind und die Kraft-Drehfeldrichtung die Längsachse des Metallstranges umschließt.

Ein anderes verfalirensvresentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß ein oder auch mehrere Drehfelder durch geringfügig asymmetrische Anordnung ihrer Spulen unrund sind.

Von Vorteil hat sich nach einem anderen Verfahrensmerkmal gezeigt, daß die Frequenz 'des die Drehfelder erregenden Drehstromes mindestens Netsfrequenz, vorzugsweise höhere Frequenz, ist.

Zur Ausführung des Verfahrens wird in vorrichtungsapparfetiver Hinsicht eine Drehfeldeinrichtung aus an sich bekanntenünd mit koaxialem Abstand auf der Kokille angeordneten Ständerwicklungen besteht, die ggf. viassergeküiilt sind.

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Nach einem anderen vorrichtungstechnischen Merkmal bildet ^ die Beruhigungsstrecke den Teil der Kokille, der dem Aue- - :*'i [

ti if ■ '·*! lauf des Sammel- oder Verteilergefäßes abgekehrt ist» ' * , ■*

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In vorteilhafter Ausbildung besteht nach einem weiteren -

Merkmal die Kokille ganz oder teilweise aus unmagnetieehern Stahl oder dergleichen.

Als vorteilhaft hat es sich nach einem letzten Merkmal

der Erfindung erwiesen, daß die Kokille in ihren Metall- ^#

oder Eisenteilen zur Längsachse parallel oder annähernd

parallel geschlitzt ist. -Jt

Die Vorteile, die sich durch die Erfindung ergeben, sind einleuchtend und überzeugend zugleich:'

Infolge der Umschließung des Gießstranges durch ein oder mehrere Drehfelder in unmittelbarer Nachbarschaft der kühlenden Kokillenwand wird eine äußerst wirksame Abkühlung der Schmelze über den gesamten Schmelzenquerschnitt innerhalb der Kokille erreicht. Der Rühreffekt dient dabei in zweifacher Weise: Zum einen v.'ird die Wärmeübergangszahl zwischen Kokillera/and und Schmelze vervielfacht und zum anderen wird der Temperaturausgleich auch innerhalb der Schmelze vervielfacht, vrodurch die erhöhte WäraieUbergangszahl erst zum Tragen kommen kann.

Somit ergibt sich die Fiöglichkeit, mit weitaus höheren Geschwindigkeiten als bisher insbesondere großinduetrielle Stranggießanlagen für Stahl zu betreiben und diese in technisch-wirtschaftlicher Hinsicht optimal auszunutzen. "

Das auf Erhöhung des Wärmeüberganges zwischen Strang und Kokille mittels elektromacnetischer Rührung basierende ₍ Verfahren läßt sich also insbesondere für das Gießen von

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Stahlsträngen anwenden, glelchnun, ob die dazu erforderlichen Anlagen nach dem Vertikal- oder Hoizontalprinzip arbeiten. Schließlich ist es auch möglich, das Verfahren und die zu dessen Ausführung erforderliche Vorrichtung nachträglich .an bereits bestehenden Stranggießanlagen zu benutzen bzw. anzuordnen.

Die Drehfelder lassen sich auch eisenlos mittels wassergekühlter Spulen erzeugen. Die Frequenz beträgt mindestens 50 Hz.j mit einer erhöhten Frequenz zu arbeiten, ist jedoch zu bevorzugen.

In vorrichtungsapparativer Hinsicht ist es recht vorteilhaft, der Turbulenzzone der Kokille eine weitere Zone nachzuschalten, in der das Gießgut sich beruhigend erstarren kann. Aus elektromagnetischen Gründen ist es zweckmäßig, wenn die Kokille ganz oder teilweise aus unmagnetischem Stahl hergestellt wird. In einem solchen Falle empfiehlt es sich, zweckmäßigerweise mit starken Feldern und mit einer Kokille zu arbeiten, die in Längsrichtung mit Schlitzen versehen ist.

In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Dabei zeigt"

Fig. 1 den Längsschnitt durch eine Vertikal-Stranggießeinrichtung,

Fig. 2 den Querschnitt durch einen rotationssymmetrischen Strang, die Kokille und die asymmetrisch angeordneten Spulen der Drehfeldeinrichtung, und schließlich

Fig. 3 den Querschnitt durch einen quadratischen Strang, die Kokille und die ebenfalls asymmetrisch angeordneten Spulen der Drehfeicheinrichtung.

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In Figur 1 ist das Sammel- und Verteilergefäß mit 1 und das in diesem befindliche Gießgut mit 2 bezeichnet; der Spiegel des Gießgutes ist durch das Dreieck 3 markiert. Die unterschiedlich starke Punktierung symbolisiert den Aggregatzustand des schmelzflässigen Metalls: V/ie zu erkennen ist, bleibt die Schmelze durch die stark turbulente Rührung auf einer vergleichsweise langen Strecke innerhalb der Kokille flüssig. Sie wird dabei gleichmäßig über den Querschnitt abgekühlt, bis sie schließlich ziemlich plötzlich erstarrt. Ohne Drehfeld-RUhrung würde die Schmelze sehr langsam, und zwar vom Rande her, erstarren, wodurch dann außerhalb der Kokille bei senkrechten Stranggießanlagen die bekannte Durchbruchgefahr und bei waagerechten Anlagen die Gefahr von Deformationen entstünde.

Am unteren Teil la des Gefäßes 1 schließt sich die Kokille an, in die beim oberen Pfeil das ihrer Kühlung dienende Wasser ein- und beim unteren Pfeil v/ieder austritt. Es ist zweckmäßig, wenn die Kokille raöslichst dünnwandig ausgebildet wird und die Viassermäntel nur geringen Querschnitt aufweisen, um die Kopplung des Drehfeldes mit dem Einsatz günstig gestalten zu können.

Konzentrisch um die Kokille 4 sind mit Abstand die Ständerv.'icklungen 5, 5a angeordnet. Der am unteren Kokillenende 4a austretende nicht mehr flüssige Strang ist mit 2a bezeichnet.

Die in den Ständerwicklungen 5, 5a erzeugten Magnet-Drehfelder v/irken in Richtung der eingezeichneten Pfeile, d. h. also senkrecht, auf die Schmelze ein, während die dadurch erzeugten Kraft-Drehfelder um die Schmelzenachse drehen. Bei Anwendung mehrerer Drehfelder (beispielsweise in den Spulen 5, 5a erzeugt) wird die Phasenfolge so eingerichtet, daß aufeinander folgende Drehfelder entgegengesetzten

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Richtungssinn ergeben. Dadurch entstehen überlagerte Turbulenzen, die den Wärmeübergang sehr stark anheben, indem sie das Gießgut durcheinanderwirbeln. Außer der Homogenisierung - als Nebeneffekt - wird dadurch überraschenderweise eine sehr beträchtliche Steigerung der Ziehgeschwindigkeit des Stranges ermöglicht.

Die mit 4b bezeichnete Beruhigungsstrecke dient schließlich der Ausbildung einer starren Außenhaut und erleichtert den ungestörten Austritt des Stranges aus der Kokille. Wenn diese "Beruhigungsstrecke" fehlt, so träte die Erstarrung unregelmäßig über den Strang verteilt auf, was aber der Gleichmäßigkeit des Produktes sehr abträglich vräre.

Die Kokille ist normalerweise ays Stahl hergestellt und mit Wasserkühlung versehen. Für den Fall der Anv/endur*g sehr starker Magnetfelder lassen sich die magnetischen Kurzschlüsse durch diese Kokille in Kauf nehmen. Soll diese Einbuße Jedoch vermieden werden, so wird die Kokille entweder mit Längsschlitzen versehen und/oder aus unmagnetischem Material hergestellt.

In den Fig. 2 und 3 sind zwei Horizontalschnitte dargestellt, die (Fig. 2) einen rotationssymmetrischen und (Fig. 3) einen quadratischen Gießstrang 2 zeigen. Um den Gießetrang herum ist jeweils die wassergekühlte KojfctiUyp 4 angeordnet. Die Spulen R, S, T der insgesamt « ÖiP5 bzw. 5a bezeichneten Ständerwicklung sind gering- 'i fttgig asymmetrisch angebracht. Dadurch ergeben sich unrunde Drehfelder, die sich in bezug auf die Durchmischung des Gießgutes und damit auch auf den Wärmeaustausch günstig auswirken.

^ Betracht gezogene Druckschriften; Aufsatz "Sin induktives Rührwerk für metallische Schmelzen"

von Dr.-Ing. K. H. Bromkamp, TH Aachen, abgedruckt in "ETZ"-A, Bd. 8j5, H. 24, Seiten 511 bis äl5, von 19. Nov. 1962.

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Claims

DEHAG-Elektrometallurgie GmbH J>. Juli I967

hl Duisburg Demef 378 - H/Sohi

Königstraße 57 g

!'583RfH

Patentansprüche

1. Verfahren zum Kühlen eines schmelzflüssigen Metallstranges, insbesondere in Stranggießanlagen, dadurch gekennzeichnet,

daß die aus dem Sammel- und Verteilergefäß (1) ausfließende Metallschmelze (2), vorzugsweise im Bereich der nachgeschalteten Kokille, mindestens einem sie umschließenden elektromagnetischen Drehfeld ausgesetzt ist, und daß bei Anwendung eines weiteren oder mehrerer sie umfassender Drehfelder (5a) diese abwechselnde Drehfeldrichtung aufweisen, und die Schmelze (2) sodann einer Beruhigungsstrecke (4b) zugeführt wird, v.'obei die !-!agnet-Drehfelder (5, 5a) im wesentlichen senkrecht auf die Schmelze gerichtet sind und die Kraft-Drehfelcrichtung die Längsachse des Metallstranges (2a) umschließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß ein cder auch mehrere Drehfelder (5, 5a) durch geringfügig asymmetrische Anordnung ihrer Spülen (Π, S, T) unrund sind.

J. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

da3 die Frequenz des die Drehfelder (5, 5a) erregenden DrehstrcHies mindestens Netzfrequenz, vorzugsweise höher Frequenz, ist.

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8AD CRiGiNAL

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4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Drehfeldeinrichtung aus an sich bekannten und mit koaxialem Abstand auf der Kokille (4) angeordneten Ständerwicklungen (5, 5a) besteht, die ggf. v/assergekühlt sind.

5. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Beruhigungsstrecke (4b) den Teil der Kokille (4) bildet, der dem Auslauf (la) des Sammel- und Verteilergefäßes (1) abgekehrt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille (4) ganz oder teilv/eise aus unmagnetischem Stahl oder dergleichen besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille (4) in ihren rietall- oder Eisenteilen zur Längsachse den Stranges (2a) parallel oder annähernd parallel geschlitzt ist.

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