DE19515230A1 - Verfahren zum induktiven Aufheizen eines feuerfesten Formteils sowie ein entsprechendes Formteil hierfür - Google Patents

Verfahren zum induktiven Aufheizen eines feuerfesten Formteils sowie ein entsprechendes Formteil hierfür

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines feuerfesten Formteils mittels einer Induktorvorrichtung sowie ein entsprechendes Formteil.
Aus der US-Patentschrift 3,435,992 ist eine Ausgußhülse für das kontinuierliche Gießen von flüssigem Metall, insbesondere Stahl bekannt, welche vor dem in Kontakt bringen mit dem flüssigen Metall induktiv aufgeheizt wird. Die in der US-Patentschrift 3,435,992 beschriebene Ausgußhülse weist einen elektrisch leitfähigen Einsatz in der aus einem im wesentlichen nicht elektrisch leitfähigen Feuerfestmaterial geformten Ausgußhülse auf. Durch eine Induktionsspule, welche die Ausgußhülse umgibt und im wesentlichen hierzu koaxial angeordnet ist, kann der elektrisch leitfähige Einsatz, der vorzugsweise aus einem Graphitteil besteht, durch einen Strom geeigneter Frequenz im Bereich von 3 bis 50 kHz aufgeheizt werden. Dabei nimmt jedoch nur der elektrisch leitfähige Einsatz Induktionsenergie auf und erhitzt sich, wobei die erzeugte Wärme durch Wärmeleitung auf die eigentliche, aus dem nicht elektrisch leitfähigen Feuerfestmaterial gebildete Ausgußhülse übertragen wird.
Die FR 2 609 914 A1 zeigt eine Ausgußhülse, deren Außenteil induktiv aufheizbar ist. In das Außenteil sind mehrere, die Ausgußöffnung bildende Rohre eingesetzt. Auch hier wird die durch die Induktionsenergie erzeugte Wärme durch Wärmeleitung auf die, die eigentliche Ausgußöffnung bildenden Rohre übertragen.
Nachteilig bei dem hier aufgezeigten Stand der Technik ist es, daß die Induktionswärme nicht direkt, sondern erst durch Wärmeleitung auf das gesamte feuerfeste Formteil übertragen wird. Dies ist insbesondere auch dann der Fall, wenn das Formteil nicht vollständig von der Induktor­ vorrichtung umschlossen wird, sondern aus dieser mehr oder weniger weit "herausragt". Dies ist oft nicht zu vermeiden, da aus Platz- oder konstruktiven Gründen keine andere Lösung möglich ist. In einem solchen Fall wird das feuerfeste Formteil sehr ungleichmäßig aufgeheizt, was zu Spannungsrissen usw. führen kann.
Deshalb ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes und variableres Verfahren zum induktiven Aufheizen sowie eine entsprechendes Formteil hierfür vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Formteil, außerhalb eines mit der Induktorvorrichtung erzeugten elektromagnetischen Hauptfeldes, mindestens ein elektromagnetisches Nebenfeld erzeugt wird, wodurch das Formteil auch im Bereich des elektromagnetischen Nebenfeldes induktiv aufgeheizt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die rasche und gleichmäßige induktive Erwärmung eines entsprechend gestalteten erfindungsgemäßen Formteils, auch im Bereich der elektromagnetischen Nebenfelder. Die Induktorvorrichtung kann somit an einem unkritischen und konstruktiv günstigen Bereich des Formteils plaziert werden und trotzdem kann das komplette Formteil gleichmäßig induktiv aufgeheizt werden.
Ein erfindungsgemäßes Formteil für das Verfahren besteht aus mindestens einem der direkten elektromagnetischen Einwirkung unterliegenden Bereich und mindestens einem die elektromagnetischen Wirbelströme unterbrechenden und umlenkenden Zwischenbereich, wodurch mindestens ein außerhalb des elektromagnetischen Hauptfeldes liegender Bereich durch die umgelenkten Wirbelströme beaufschlagt wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Formteil ein keramisches Tauchgießrohr für das Einleiten von Metallschmelze, in einen Schmelzen­ sumpf, insbesondere in eine Kokille zur Erzeugung von Dünnbrammen oder Bändern. Das Tauchgießrohr ragt in die Kokille hinein und taucht, wenn die Kokille nach dem Angießen mit Metallschmelze gefüllt ist, mit seinem unteren Bereich in den mit Gießpulver bedeckten Metallsumpf ein. Durch die Möglich­ keit mittels einer oberhalb der Kokille angeordneten Induktorvorrichtung, das Tauchgießrohr ebenfalls im von der Kokille umgebenen Bereich zu erwärmen, wird die, insbesondere bei Dünnbrammen und Tauchgießrohren bestehende Gefahr der Brückenbildung zwischen dem Tauchgießrohr und der Kokillenwand vermieden. Darüber hinaus kann das Gießpulver gezielt aufgeschmolzen werden, wodurch die Reproduzierbarkeit dieses Verfahrens bzw. die Qualität des erzeugten Produktes verbessert wird. Ebenso wird die Gefahr des Cloggings verringert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Formteil ein keramischer Zufuhrkanal für die Aufgabe von Metallschmelze auf ein Transportband.
Ein erfindungsgemäßes Formteil, welches insbesondere für das Einleiten oder Aufgeben von Metallschmelze verwendet wird, weist im wesentlichen die folgenden Merkmale auf:
Das aus einer elektrisch leitfähigen Schicht bestehende Formteil ist in Längsrichtung mit einem durchgehenden, nicht unterbrochenen, elektrisch isolierenden Längsschlitz versehen. Dieser elektrisch isolierende Längsschlitz ist vorteilhafterweise mit einem elektrisch isolierenden, feuerfesten keramischen Material ausgefüllt. Der von dem Formteil umfaßte Innenbereich, durch welchen die Metallschmelze eingeleitet oder aufgegeben wird, ist mit einer elektrisch isolierenden, feuerfesten keramischen Innen­ schicht versehen. Die übrigen Bereiche des Formteils, welche im Einsatz entweder in den Schmelzensumpf eintauchen oder beim Aufgeben der Metallschmelze auf ein gekühltes Transportband mit der Metallschmelze in Kontakt kommen, sind mit einer elektrisch isolierenden, feuerfesten keramischen Schicht versehen. Für die Erzeugung eines elektromagne­ tischen Nebenfelds weist ein erfindungsgemäßes Formteil in einem Zwischenbereich einen weiteren elektrisch isolierenden Längsschlitz auf. Dieser Längsschlitz verbindet mindestens zwei in diesem Zwischen­ bereich nahezu um den gesamten Umfang des Formteils verlaufende, das elektromagnetische Feld unterbrechende elektrisch, isolierende Querschlitze. Mit dieser Anordnung werden Wirbelströme umgelenkt und es bildet sich neben einem elektromagnetischen Hauptfeld ein weiteres elektromagnetisches Nebenfeld, das eine gleichmäßigere Aufheizung des Formteils gewährleistet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Formteil in Längsrichtung durch eine elektrisch isolierte Trennwand geteilt. Diese Trennwand kann in dem durchgehenden, elektrisch isolierenden Längsschlitz und dem oder den elektrisch isolierenden Längsschlitzen im Zwischenbereich verankert sein. Diese Trennwand kann beispielsweise auch als Strömungsteiler in einem Tauchgießrohr ausgebildet werden oder dazu dienen, die mechanische Stabilität des Tauchgießrohres oder eines Zufuhrkanals zu erhöhen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Formteil eine seitliche Begrenzungsplatte, wie man sie insbesondere für eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Vergießen von Metallschmelze zwischen Gießwalzen, einem sogenannten Twin-roll-caster benötigt. Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Formteils gestattet in diesem Fall, die Induktorvorrichtung nicht unmittelbar am Wirkort montieren zu müssen und trotzdem eine vorzeitige Erstarrung von Metallschmelze in den Zwickeln zu den Gießwalzen hin zu vermeiden. Ein solches Formteil ist ein geometrisch offenes Gebilde mit in Längsrichtung seitlichen Begrenzungen. Insofern entfällt für ein solches Formteil auch die Notwendigkeit eines durchgehenden, elektrisch isolierenden Längsschlitzes wie er noch bei kanalförmig ausgebildeten Formteilen erforderlich war.
Folgende Merkmale kennzeichnen ein derartiges erfindungsgemäßes Formteil:
  • - Das Formteil besteht aus einer elektrisch leitfähigen Schicht oder weist eine solche auf. Es ist auf der, der Metallschmelze zugewandten Seite mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen und weist in dem Zwischenbereich mindestens einen weiteren elektrisch isolierenden Längsschlitz auf, welcher im Abstand mindestens zwei, in diesem Zwischen­ bereich nahezu über die gesamte Breite des Formteils verlaufende, das elektro­ magnetische Feld unterbrechende Querschlitze verbindet. Eine derartige Ausgestaltung des Formteils gestattet die Aufheizung auch, im Bereich des elektromagnetischen Nebenfeldes.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Schlitze in dem Zwischenbereich sich kreuzende Längsschlitze, wodurch eine gezielte Umlenkung der Wirbelströme in das elektromagnetische Nebenfeld oder die elektromagnetischen Nebenfelder bewirkt wird.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung haben die elektrisch leitfähigen Materialien einen spezifischen elektrischen Widerstand <1000 Ωcm, vorzugsweise <200 Ωcm. In Versuchen hat sich gezeigt, daß solche Materialien über ein gutes Ankopplungsverhalten verfügen. Besonders gute Ergebnisse wurden mit einem kohlenstoffgebundenen, graphithaltigen Aluminiumoxidwerkstoff erreicht. Für die elektrisch isolierenden Schlitze und die elektrisch isolierende Innen- und/oder Außenschicht kommen elektrisch nicht leitfähige, feuerfeste Werkstoffe, wie z. B. Zirkonoxid in Betracht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der anhand der Zeichnungen nachfolgend näher erläuterten Ausführungsbeispiele.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein feuerfestes Formteil mit rechteckigem Querschnitt einschließlich einer Induktorvorrichtung.
Fig. 2 schematisch ein Tauchgießrohr, welches Metallschmelze aus einem Verteilergefäß in eine Kokille einleitet.
Fig. 3 schematisch einen Zufuhrkanal, durch welchen aus einem Verteilergefäß Metallschmelze auf eine Fördervorrichtung aufgegeben wird.
Fig. 4 eine seitliche Begrenzungsplatte an einem Twin-roll-caster.
Fig. 5 eine Ansicht X gemäß Fig. 4.
Fig. 6 eine weitere Variante der Anordnung einer Begrenzungsplatte.
Fig. 7 die Abwicklung der elektrisch leitfähigen Schicht gemäß Fig. 1.
Fig. 1 zeigt ein Formteil 1, beispielsweise ein feuerfestes keramisches Tauchgießrohr für das Einleiten von Metallschmelze in eine Kokille bzw. einen feuerfesten keramischen Zufuhrkanal für die Aufgabe von Metallschmelze auf ein Transportband. Im Bereich 3 ist das Formteil 1 von einer Induktorvorrichtung 2 umgeben, die ein elektromagnetisches Hauptfeld A erzeugt. Zur Erzeugung eines elektromagnetischen Nebenfelds B im Bereich 4 und 5 ist das im wesentlichen aus einer elektrisch leitfähigen Schicht 6 aufgebaute Formteil 1 in Längsrichtung mit einem durchgehenden, elektrisch isolierenden Längsschlitz 7 versehen, sowie den weiteren Schlitzen 10 und 11 im Längs­ bereich 4.
Die im Zwischenbereich 4 nahezu um den gesamten Umfang des Formteils 1 verlaufenden, elektrisch isolierenden Querschlitze 11 sind durch einen ebenfalls elektrisch isolierenden Längsschlitz 10 miteinander verbunden. Durch diese Gestaltung des Formteils 1 wird durch die Induktorvorrichtung 2 in den Bereichen 4 und 5 ein elektro­ magnetisches Nebenfeld B erzeugt, wodurch es zur induktiven Erwärmung des Formteils 1 auch in den Bereichen 4 und 5 kommt. Um das in diesem Fall unerwünschte Ankoppeln von Metallschmelze zu vermeiden, ist das Formteil 1, welches sich im wesentlichen aus der elektrisch leitfähigen Schicht 6 zusammensetzt, gegenüber den mit Metallschmelze beaufschlagten Flächen mit elektrisch isolierenden Schichten 8 und 9 versehen. Diese elektrisch isolierenden Schichten umfassen auch die Stirnflächen des Formteils 1, soweit diese mit Metallschmelze beaufschlagt werden können. Die elektrisch isolierende Innenschicht 8 erstreckt sich über sämtliche innenliegenden Flächen des Formteils 1 Die elektrisch isolierende Außenschicht 9 erstreckt sich mindestens über die Oberfläche des schematisch dargestellten Schmelzensumpfes hinaus. Die Schlitze 7, 10 und 11 sind in aller Regel mit einem elektrisch isolierenden, keramischen Material verfüllt.
In Fig. 2 ist ein Formteil 1 in einer Verwendung als Tauchgießrohr 16 dargestellt.
Aus einem Verteilergefäß 18 wird mittels eines als Tauchgießrohr 16 ausgebildeten Formteils 1 Metallschmelze in eine Kokille 12 einge­ leitet. Das Formteil 1 wird über eine schematisch dargestellte Induktorvorrichtung 2 induktiv erwärmt. Durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des Formteils 1 läßt sich dieses auch im Bereich des Badspiegels des Schmelzensumpfes erwärmen. Außer der hierdurch bewirkten geringeren Thermoschockempfindlichkeit des Formteils 1 beim Angießen wird auch die Gefahr der Brückenbildung, wie sie insbesondere beim Dünnbrammengießen besteht, durch die Möglichkeit der induktiven Erwärmung des Formteils 1 im Bereich des Badspiegels während des laufenden Gießvorgangs vermindert.
Fig. 3 zeigt eine Anordnung analog Fig. 2, wobei die Metallschmelze nicht in eine Kokille, sondern auf eine Fördervorrichtung 13 aufge­ geben wird. In diesem Fall taucht das als Zufuhrkanal 17 ausgebildete Formteil 1 nicht bzw. nur in sehr geringem Maße in die Metallschmelze ein. Dementsprechend kann eine elektrisch isolierende Außenschicht 9 schmaler gestaltet werden.
In Fig. 4 ist schematisch ein Twin-roll-caster mit einer Begrenzungsplatte 15 zur seitlichen Begrenzung dargestellt. Mittels einer Induktorvorrichtung 2 und elektrisch isolierenden Schlitzen 10 und 11 im Zwischenbereich 4 läßt sich die Begrenzungsplatte 15 auch im unteren Bereich induktiv erwärmen. Mit dieser Maßnahme kann das unerwünschte Einfrieren von Metallschmelze in den Zwickeln, welche aus den Gießwalzen und der oder den Begrenzungsplatten gebildet werden, und was zu einer Zerstörung der Gießwalzen bzw. einer schlechten Bandqualität führt, vermieden werden.
Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Begrenzungsplatte 15, die im wesentlichen aus einer elektrisch leitfähigen Schicht 6 sowie einer elektrisch isolierenden Schicht 8, welche über den Badspiegel des Schmelzensumpfes hinausragt, besteht.
Fig. 6 ist eine Anwendung analog Fig. 4 dargestellt, wobei die Begrenzungs­ platte 15 abgewinkelt ist. Dadurch ergeben sich weitere Möglichkeiten, die Induktorvorrichtung 2 zu positionieren.
Fig. 7 ist eine Abwicklung des in Fig. 1 dargestellten Formteils 1 wieder­ gegeben. Diese Abwicklung beinhaltet die elektrisch leitfähige Schicht 6 unterbrochen durch die elektrisch isolierenden Längs- und Quer­ schlitze 10 und 11. Über eine nicht in Fig. 7 dargestellte Induktor­ vorrichtung wird im Bereich 3 induktiv eingekoppelt und durch die besondere Ausgestaltung im Zwischenbereich 4 ein Verlauf der skizzierten Wirbelströme im Bereich 5 bewirkt.

Claims (13)

1. Verfahren zum Aufheizen eines feuerfesten Formteils mittels einer Induktorvorrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - in dem Formteil (1), außerhalb eines mit der Induktorvorrichtung (2) erzeugten elektromagnetischen Hauptfeldes (A),
  • - mindestens ein elektromagnetisches Nebenfeld (B) erzeugt wird, wodurch das Formteil (1) auch im Bereich des elektromagnetischen Nebenfelds (B) induktiv aufgeheizt wird.
2. Feuerfestes Formteil zum induktiven Aufheizen für ein Verfahren gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - das Formteil (1) mindestens einen der direkten elektromagnetischen Einwirkung unterliegenden Bereich (3) und
  • - mindestens einem die elektromagnetischen Wirbelströme unterbrechenden und umlenkenden Zwischenbereich (4) aufweist,
  • - wodurch mindestens ein außerhalb des elektromagnetischen Hauptfeldes (A) liegender Bereich (5) durch die umgelenkten Wirbelströme beaufschlagt wird.
3. Formteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (1) ein keramisches Tauchgießrohr (16) für das Einleiten von Metallschmelze in einen Schmelzensumpf, insbesondere in einer Kokille (12), ist.
4. Formteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (1) ein keramischer Zufuhrkanal (17) für die Aufgabe von Metallschmelze auf eine Fördervorrichtung (13), insbesondere ein Transportband, ist.
5. Formteil nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - das Formteil (1) eine elektrisch leitfähige Schicht (6) mit einem in Längsrichtung durchgehenden, elektrisch isolierenden Längsschlitz (7) sowie eine elektrisch isolierende Innenschicht (8) aufweist,
  • - das Formteil (1) an einem auch außen mit Metallschmelze in Berührung stehenden Bereich (5) eine elektrisch isolierende Außenschicht (9) aufweist, so daß die elektrisch leitfähige Schicht (6) nicht in Kontakt mit Metallschmelze kommt,
  • - das Formteil (1) in einem Zwischenbereich (4) mindestens einen weiteren, elektrisch isolierenden Längsschlitz (10) aufweist, welcher mindestens zwei in diesem Zwischenbereich (4) nahezu um den gesamten Umfang des Formteils (1) verlaufende, elektrisch isolierende Querschlitze (11) verbindet.
6. Formteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es durch eine elektrisch isolierte Trennwand (14) in Längsrichtung geteilt ist.
7. Formteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (1) eine Begrenzungsplatte (15) für eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Vergießen von Metallschmelze ist.
8. Formteil nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - das Formteil (1) eine elektrisch leitfähige Schicht (6) sowie eine elektrisch isolierende Innenschicht (8) aufweist,
  • - das Formteil (1) in einem Zwischenbereich (4) mindestens einen weiteren, elektrisch isolierenden Längsschlitz (10) aufweist, welcher mindestens zwei in diesem Zwischenbereich nahezu über die gesamte Breite des Formteils verlaufende, elektrisch isolierende Querschlitze (11) verbindet.
9. Formteil nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (10, 11) in dem Zwischenbereich (4) sich kreuzende Längsschlitze sind.
10. Formteil nach einem der Ansprüche 5, 6, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Schlitze zur Umlenkung der elektrischen Wirbelströme vor­ handen sind.
11. Formteil nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwicklung der elektrisch leitfähigen Schicht (6) mindestens eine in sich geschlossene Fläche bildet, derart, daß sich dort elektrische Wirbelströme ausbilden können (Fig. 7).
12. Formteil nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Schicht (6) einen spezifischen elektrischen Widerstand <1000 Ωcm, vorzugsweise <200 Ωcm aufweist.
13. Formteil nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die elektrisch leitfähige Schicht (6) aus kohlenstoffhaltigen, feuerfesten Werkstoffen, insbesondere kohlenstoffgebundenem, graphithaltigem Al₂O₃ besteht, und daß
  • - die elektrisch isolierende Innen- und/oder Außenschicht (8, 9) aus elektrisch nichtleitfähigen, feuerfesten Werkstoffen, insbesondere ZrO₂ besteht.
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