DE19533577C1 - Elektromagnetische Einrichtung für eine Stranggießkokille - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine stationäre Stranggießkokille, insbesondere zum Gießen von Stahl, mit einer elektromagnetischen Einrichtung, die eine Vielzahl Teilumrührer umfaßt, welche auf der Außenwand der Stranggießkokille mit Abstand zueinander angeordnet und an eine elektrische Wechselspannung mit entsprechender Phasenlage zur Erzeugung eines rotierenden elektromagnetischen Kraftfeldes angeschlossen sind.

Eine Stranggießkokille dieser Art ist aus der DE 31 12 880 C3 bekannt.

Stationäre Stranggießkokillen eignen sich für die Durchführung des Verfahrens zum Gießen von Stahl im Tauchrohrgießverfahren, bei dem das in die Stranggießkokille hineinreichende Tauchrohr in die Schmelze eintaucht. Es ist bekannt, die Erstarrung beim Stranggießen hochschmelzender Metalle, wie Stahl, durch Erzeugung rotierender elektromagnetischer Felder in der stationären Stranggießkokille durch Rühren zu beeinflussen. Eine Rühreinrichtung für stationäre Stranggießkokillen mit zwei unabhängig voneinander betreibbaren Teilrühreinrichtungen, die hintereinander in Gießrichtung auf der Außenwand der Stranggießkokille angeordnet sind, ist beispielsweise aus der DE-OS 38 19 492 bekannt. Die elektromagnetischen Drehfelder werden dabei in der Kokille erzeugt. Mit dieser Rühreinrichtung soll insbesondere eine gleichmäßige feinere Gefügestruktur des gegossenen Stranges, eine gleichmäßige Verteilung nichtmetallischer Einschlüsse, eine bessere Wärmeabfuhr usw. erzielt werden.

Zur Erzeugung des Magnetflusses kann die Rühreinrichtung ("Herrmann, E., Handbuch des Stranggießens, Aluminium-Verlag GmbH, Düsseldorf 1958, Seiten 417- 429") beispielsweise aus mehreren Elektromagneten aus hufeisenförmigen Transformatorblechen ausgebildet sein, die vertikal oder horizontal auf der Wand der Stranggießkokille angeordnet sind. Der Induktionsfluß geht dabei von einem Schenkel des Hufeisens zum anderen durch die flüssige Metallschmelze. Die durch die Kokille geleitete Metallschmelze wird dabei durch die erzeugten Magnetflüsse einer kontinuierlichen mechanischen Umwälzströmung unterworfen. Die Rühreinrichtung wird so betrieben, daß die Elektromagnete, deren magnetisches Feld sich beispielsweise in Richtung zur vertikalen Achse der Kokille ausbreitet, derart angesteuert werden, daß die Richtung des maximalen Magnetflusses um die vertikale Achse der Kokille rotiert. Damit soll eine gute Umwälzung der Metallschmelze bei gleichzeitig gutem Wirkungsgrad erzielt werden.

Das Rühren der Schmelze mit einer solchen Rühreinrichtung hat aber verschiedene Nachteile. So kommt es trotz des Rührens regelmäßig zu Aufwallungen an der Oberfläche der Schmelze, mit der Folge, daß Gießpulver und Schlackenteilchen am Tauchrohr in den Strangschalenbereich eingezogen werden. Ein weiterer Nachteil ist, daß sich trotz des Rührens immer wieder Brücken aus erstarrtem Metall zwischen Keramikeinlaufrohr und Kokillenwand im oberen Bereich der Stranggießkokille bilden. Auch kommt es bei dieser Art des Rührens immer noch zu einem Stau von Oberhitzungswärme im inneren Bereich der Kokille, was die Bildung von Dendriten verstärkt, die sich dann meist unerwünschtenweise als Globuliten an der Erstarrungsfront der Schmelze anlagern. Obwohl mit der bekannten Vorrichtung eine gleichmäßige Erstarrungsfront erzielbar ist, entstehen in der Schmelze Bänder mit negativer Seigerung.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektromagnetische Einrichtung für eine stationäre Stranggießkokille anzugeben, bei der die Schmelze in der Stranggießkokille so gerührt wird, daß Aufwallungen an der Oberfläche der Schmelze, die Bildung von Brücken aus erstarrtem Metall zwischen Keramikeinlaufrohr und Kokillenwand im oberen Bereich der Stranggießkokille und ein Stau von Überhitzungswärme im inneren Bereich der Kokille vermieden wird.

Die Erfindung löst das Problem durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Durch die kennzeichnenden Merkmale der Unteransprüche 2 bis 7 ist die erfindungsgemäße Einrichtung der stationären Stranggießkokille in vorteilhafter Weise ausgestaltbar.

Die Erfindung sieht vor, daß die elektromagnetische Einrichtung mindestens zwei Paare Teilumrührer umfaßt und die Teilumrührer jeden Paares einander gegenüberliegend angeordnet sind, und zwar um einen Winkel x-förmig gegeneinander verdreht, wobei die Verdrehung in einer Ebene parallel zur Gießrichtung erfolgt. Alle Paare sind dabei im wesentlichen in derselben Höhe angeordnet.

Hierdurch wird erreicht, daß die ursprünglich vertikal gerichteten Strömungs­ geschwindigkeiten der flüssigen Metallschmelze im Bereich des Einlaufrohrs umgekehrt, zumindest aber stark vermindert werden, wobei einer Temperaturschichtung bei starker vertikaler Strömungsverminderung dadurch entgegengewirkt wird, daß die Teilrühreinrichtungen jeweils zusätzlich ein horizontales Rühren der flüssigen Metallschmelze bewirken. Die elektromagnetischen Einrichtungen führen jeweils zu einer wendelförmig nach oben gerichteten Rotationsbewegung der flüssigen Metallschmelze im mittleren Bereich der Kokille, was bewirkt, daß überhitzter Stahl vom unteren Bereich der Kokille aufwärts bewegt wird, was wiederum eine Erstarrung der Schmelze zwischen Keramikeinlaufrohr und Kokillenwand (sogenannte Brückenbildung) verhindert. Durch die erfindungsgemäße elektromagnetische Einrichtung kommt es zu einer horizontalen und vertikalen Rotation der Schmelze. Diese in der Schmelze erzeugten Rotationsbewegungen verhindern wirkungsvoll das Entstehen weißer Bänder (Bänder mit negativer Seigerung).

Die elektromagnetische Einrichtung führt weiterhin zu einer Verbesserung des Reinheitsgrades des gegossenen Stranges, da die Verminderung vertikaler Strömungen in der Schmelze das Aufschwimmen von Verunreinigungen in die Schlackenzone begünstigt.

Mit Vorteil wird bei einer stationären Stranggießkokille mit rechteckigem, sogenanntem beam-blank Querschnitt vorgeschlagen, zwei Paare von Teilumrührern vorzusehen, wobei die Teilumrührer der Paare einander gegenüberliegend auf den Breitseiten angeordnet sind. Beide Paare erzeugen dabei unabhängig voneinander jeweils in dem zwischen ihnen liegenden Kokillenbereich eine wendelförmig nach oben gerichtete Rotationsbewegung mitentgegengesetztem Drehsinn, wobei sich die Strömungen der Stahlschmelze in der stationären Stranggießkokille im Bereich des Tauchrohrs gegenseitig so beeinflussen, daß auch um das Tauchrohr herum eine wendelförmig nach oben gerichtete Rotationsbewegung der Schmelze entsteht.

Die Ansteuerung der Teilumrührer bei einer stationären Stranggießkokille mit rechteckigem Querschnitt mit zwei Paaren von Teilumrührern vereinfacht sich, wenn die Teilumrührer eines jeden Paares elektrisch in Reihe geschaltet werden.

Eine besonders gute Wirkung weist die erfindungsgemäße elektromagnetische Einrichtung auf, wenn der Betrag des Winkels, um den die Teilumrührer gegenüber der Gießrichtung verdreht angeordnet sind, im Bereich zwischen und 30° und 60° liegt.

Bei einer günstigen Ausführungsform sind die Teilumrührer als Spulen mit einem ferromagnetischen U-förmigen Kern ausgebildet. Dadurch läßt sich ein starkes Magnetfeld mit geringem Aufwand in der stationären Stranggießkokille erzeugen.

Eine einfach zu handhabende Anpassung an verschiedene Gießbedingungen wird durch einen vorgesehenen Stellantrieb erreicht, durch den die Teilumrührer jeden Paares während des Betriebs gegeneinander verdreht werden können. So kann die elektromagnetische Einrichtung mit geringem Aufwand optimal eingestellt werden. Die Teilumrührer sind dazu zweckmäßigerweise in drehbaren Halterungen gelagert, die von einem Stellantrieb verstellt werden können. Die Ansteuerung erfolgt üblicherweise entweder von Hand geregelt oder anhand eines vorgegebenen Einstellalgorithmus. Als Stellgröße kann beispielsweise die Häufigkeit der Aufwallungen an der Oberfläche der Schmelze dienen, es kann aber auch die Tiefe des sich am Tauchrohr bildenden Einsaugtrichters der Metallschmelze verwendet werden.

Ein Ausführungsbeispiel einer stationären Stranggießkokille zum kontinuierlichen Gießen von Metallen, insbesondere Stahl, mit einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Einrichtung wird nachfolgend anhand der schematischen Zeichnung beschrieben. Diese zeigt in:

Fig. 1 eine schematische räumliche Darstellung einer stationären Stranggießkokille zum kontinuierlichen Gießen von Metallen mit einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Einrichtung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die in Fig. 1 dargestellte stationäre Stranggießkokille mit dem Anschlußschema der Teilumrührer der elektromagnetischen Einrichtung an eine Wechselspannungsquelle und

Fig. 3 eine schematische räumliche Darstellung einer stationären Stranggießkokille nach Fig. 1 mit den durch die erfindungsgemäße elektromagnetische Einrichtung in der Schmelze induzierten mechanischen Kraftfeldern.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist eine stationäre Stranggießkokille 10 zum kontinuierlichen Gießen von Metallen eine Stranggießkokillenform auf, die durch vier Kokillenwände 11, 12 aus Metall, nämlich zwei Breitseiten 12 und zwei Schmalseiten 11, gebildet wird. Die Stranggießkokille 10 ist unten und oben offen; die untere Querschnittsfläche, durch die der Metallstrang die Kokille verläßt, ist normalerweise kleiner gleich der oberen Querschnittsfläche der Stranggießkokille 10. Die Kokillenwände 11, 12 umschließen den Kokillenhohlraum 13, in den ein Tauchrohr 14 hineinragt, das am freien Ende eine oder mehrere Ausströmöffnungen aufweist. In dem Kokillenhohlraum 13 befindet sich geschmolzenes Metall, das kontinuierlich über das Tauchrohr 14 zuführbar ist und durch die untere Kokillenaustrittsöffnung kontinuierlich abgeführt wird. Das geschmolzene Metall erstarrt bei Kontakt mit den gekühlten Kokillenwänden 11, 12 in der Stranggießkokille 10, so daß eine Schale gebildet wird. Die Dicke dieser Schale nimmt allmählich zu, wenn das Metall die Stranggießkokille 10 passiert, bis es als Strang aus dem Unterteil der Stranggießkokille 10 austritt. Die Schale muß bei Austritt aus der Stranggießkokille 10 eine ausreichende Dicke haben, weil der Strang zu dem Zeitpunkt noch nicht vollständig erstarrt ist, um den geschmolzenen Kern zurückzuhalten, der schließlich erstarrt und einen festen Strang bildet.

Der sich im Kokillenhohlraum 13 einstellende Gießspiegel liegt oberhalb der Ausströmöffnung des Tauchrohrs 14 und ist mit Gießpulver bedeckt. Das Gießpulver dient als Gleitmittel und verringert die Reibung zwischen der Außenfläche der Schmelze und den Kokillenwänden 11, 12.

Die Stranggießkokille 10 ist mit einer elektromagnetischen Einrichtung 20 versehen, die aus den auf den Kokillenwänden 11, 12 angeordneten Teilumrührern 21-24 gebildet wird. Die Teilumrührer 21-24 sind zu Paaren 21, 24 und 22, 23 zusammengeschaltet. Beim Ausführungsbeispiel sind je zwei Paare 21, 24 und 22, 23 vorgesehen, die rechts und links zur Gießrichtung A angeordnet sind, die Teilumrührer eines Paares 21, 24 und 22, 23 jeweils einander gegenüberliegend auf den Breitseiten 12 der Stranggießkokille 10. Wie Fig. 1 erkennen läßt, sind die Teilumrührer 21, 24 und 22, 23 eines Paares dabei in einer Ebene parallel zur Gießrichtung gegeneinander um einen Winkel x-förmig verdreht. Der Winkel, um den die Teilumrührer eines Paares jeweils gegeneinander verdreht angeordnet sind, liegt vorzugsweise im Bereich zwischen und 30° und 60°. Im Ausführungsbeispiel sind die Teilumrührer eines Paares jeweils um 45° gegeneinander verdreht, d. h. die Verdrehung der Teilumrührer eines Paares ist (2 mal 45° gleich) 90°. Der genaue Winkel richtet sich in bekannter Weise nach der Phasenlage der Wechselspannung, die für die Erregung der Teilumrührer 21- 24 sorgt. Werden wie im Ausführungsbeispiel die Teilumrührer 21-24 an Wechselspannungen angeschlossen, die sich in der Reihenfolge der Teilumrührer 21- 24 jeweils um eine Phasendifferenz von 45° unterscheiden, so ergibt sich für den Winkel, um den die Teilumrührer eines Paares jeweils gegeneinander verdreht anzuordnen sind, ein Wert von 45°.

Jeder Teilumrührer 21-24 besitzt einen ferromagnetischen U-förmig ausgebildeten Kern. Beim Kern handelt es sich im Ausführungsbeispiel um einen Eisenkern, der aus Dynamoblech hergestellt ist und Spulen aus Kupferdrähten trägt. Der Querschnitt der Kerne ist rechteckig ausgebildet; die Pohlschuhe liegen auf den Kokillenwänden 11, 12 auf. Die generierten Magnetfelder der Teilumrührer 21-24 dringen durch die Kokillenwände 11, 12 in den Kokillenhohlraum 13 ein und durchdringen die Metall­ schmelze.

In der sich bewegenden Schmelze wird nach dem Induktionsgesetz eine Spannung induziert, die gleich der Ableitung des magnetischen Flusses nach der Zeit ist. Die aus der induzierten Spannung resultierenden elektrischen Ströme bewirken nach dem Biot-Savartschen Gesetz eine Kraftwirkung in der Schmelze, die dem vektoriellen Produkt aus Induktion und Strom proportional ist. Das durch das Magnetfeld induzierte Kraftfeld führt in der Schmelze zu mechanischen Strömungen, die ein Umrühren der Schmelze bewirken.

Jedes Paar Teilumrührer 21, 24 und 22, 23 wird unabhängig voneinander betrieben und phasenmäßig so angeschlossen, daß im Kokillenhohlraum 13 zwischen den Teilumrührern 21, 24 und 22, 23 jeweils ein resultierendes magnetisches Drehfeld erzeugt wird, das in der Schmelze ein drehendes mechanisches Kraftfeld, wie in Fig. 3 gezeigt, induziert, welches in der linken Kokillenhälfte seinen Ursprung nahe der vorderen Breitseite 12 und in der rechten Hälfte nahe der hinteren Breitseite 12 hat. Das drehende Kraftfeld ist dabei jeweils aufwärts, aber zur gegenüberliegenden Kokillenwand gerichtet, d. h. es liegen Kraftkomponenten sowohl in vertikaler, als auch in horizontaler Richtung vor. Es werden also in der linken und rechten Kokillenhälfte gegensinnig verlaufende Kraftfelder induziert, die in der linken Kokillenhälfte eine von der Mitte zur linken äußeren Wand und in der rechten Kokillenhälfte eine von der Mitte zur rechten Wand rotierende Strömung in der Schmelze erzeugen. Dabei sind im mittleren Teil der Kokille die vertikalen Komponenten der Kraftfelder nach oben gerichtet; die horizontalen Vektorkomponenten verlaufen jedoch gegensinnig für beide Kokillenhälften. Der Abstand der Teilumrührerpaare 21, 24 und 22, 23 ist so gewählt, daß die Schmelze im Bereich des Tauchrohrs eine Rührbewegung ausführt, ohne daß die durch das Tauchrohr in die Kokille eintretende Schmelze bereits im Tauchrohr abgebremst wird. Außerhalb des Tauchrohrs ist die elektromagnetische Bremswirkung der Einrichtung 20 durchaus erwünscht.

Im mittleren Bereich der Kokille wird durch die Teilumrührerpaare 21, 24 und 22, 23 folglich ein ständiges Aufwärtsströmen von heißer Schmelze erzeugt; der Schmelze wird dabei eine nach oben gerichtete wendelförmige Rotationsbewegung aufgezwungen. Diese ist der natürlichen Bewegungsrichtung der Schmelze im Kokillenhohlraum 13 entgegengerichtet, so daß es innerhalb des Kokillenhohlraums 13 mindestens teilweise zu einer Unterdrückung der natürlichen Bewegung der Schmelze kommt und die damit verbundenen Aufwallungen an der Oberfläche mit den Nachteilen des Einziehens von Gießpulver und Schlackenteilchen in den Strangschalenbereich verhindert werden.

Die elektromagnetische Einrichtung 20 ermöglicht eine Umkehrung der vertikalen Strömungsrichtungen in der stationären Stranggießkokille mit den genannten Vorteilen bei gleichzeitiger horizontaler Rührung der Schmelze.

Durch die gleichzeitig erfolgende horizontale Rührung im linken und rechten Teil der Kokille wird einer Temperaturschichtung entgegengewirkt, die Überhitzungswärme gleichmäßig abgebaut. Es werden sich bildende Dendriten weggerührt, die sich dann als Globuliten an der Erstarrungsfront der Schmelze anlagern. Bedingt durch die horizontale und vertikale Rührung der Schmelze wird die Bildung negativer Seigerungen (sogenannte weiße Bänder) verhindert.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die in Fig. 1 dargestellte stationäre Stranggießkokille. Zusätzlich ist das Anschlußschema der Teilumrührer 21 - 24 der elektromagnetische Einrichtung 20 dargestellt. Wie Fig. 2 erkennen läßt, sind die Paare 21, 24 und 22, 23 der elektromagnetischen Einrichtung 20 jeweils elektrisch in Reihe geschaltet. So sind die oberen Anschlüsse der Spulen 25, 27 und 26, 28 miteinander verbunden. Durch die Reihenschaltung können die Teilumrührer eines Paares 21, 24 und 22, 23 an einer normalen Wechselspannungsquelle betrieben werden.

Derselbe Effekt ist natürlich auch mit mehrphasigen um 120° zueinander phasenverschobenen Drehströmen erzielbar, wenn eine entsprechende asymmetrische räumliche Anordnung der Teilumrührerpaare 21, 24 und 22, 23 verwendet wird.

Um eine Anpassung an verschiedene Gießbedingungen zu erzielen, ist ein Stellantrieb (nicht gezeigt) vorgesehen, durch den die Teilumrührer jeden Paares 21, 24 und 22, 23 während des Betriebs vorgebbar gegeneinander verdreht werden können, um so die elektromagnetische Einrichtung 20 optimal einzustellen. Die Teilumrührer 21, 24 und 22, 23 sind dazu zweckmäßigerweise in drehbaren Halterungen gelagert, ,die von dem Stellantrieb verstellt werden können. Die Ansteuerung erfolgt üblicherweise durch einen Mikroprozessor, entweder von Hand geregelt oder anhand eines vorgegebenen Einstellalgorithmus. Als Stellgröße kann beispielsweise die Häufigkeit der Aufwallungen an der Oberfläche der Schmelze dienen, es kann aber auch die Tiefe des sich am Tauchrohr bildenden Einsaugtrichters der Metallschmelze verwendet werden.

Natürlich kann die elektromagnetische Einrichtung 20 auch aus einer Vielzahl von Teilumrührerpaaren 21, 24 und 22, 23 aufgebaut sein, die jeweils in einem Teilraum der stationären Stranggießkokille die entsprechenden oben beschriebenen magnetischen Drehfelder mit entsprechendem Drehsinn erzeugen, was durch phasenrichtige Ansteuerung der Teilumrührerpaare sowie einer entsprechenden Winkelverdrehung der Teilumrührer eines Paares 21, 24 und 22, 23 gegeneinander eingestellt werden kann.

Bezugszeichenliste

10 Stranggießkokillenform
11 Schmalseiten
12 Breitseiten
13 Kokillenhohlraum
14 Tauchrohr
20 elektromagnetische Einrichtung
21-24 Teilumrührer
25-28 Spulen
A Gießrichtung

Claims (7)

1. Stationäre Stranggießkokille, insbesondere zum Gießen von Stahl, mit einer elektromagnetischen Einrichtung, die eine Vielzahl Teilumrührer umfaßt, welche paarweise auf der Außenwand der Stranggießkokille mit Abstand zueinander angeordnet und an eine elektrische Wechselspannung mit entsprechender Phasenlage angeschlossen sind zur Erzeugung eines rotierenden elektro­ magnetischen Kraftfeldes, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilumrührer (21-24) mindestens zwei Paare (21, 24 und 22, 23) umfassen und die Teilumrührer jedes Paares (21, 24 und 22, 23) einander gegenüberliegend und in einer Ebene parallel zur Gießrichtung gegeneinander um einen Winkel x-förmig verdreht und alle Paare (21, 24 und 22, 23) im wesentlichen in derselben Höhe angeordnet sind.

2. Strangießkokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer stationären Stranggießkokille mit rechteckigem Querschnitt die Teilumrührer der Paare (21, 24 und 22, 23) einander gegenüberliegend auf den Breitseiten (12) angeordnet sind.

3. Strangießkokille nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilumrührer eines jeden Paares (21, 24 und 22, 23) elektrisch in Reihe geschaltet sind.

4. Strangießkokille nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch in Reihe geschalteten Teilumrührer (21, 24 und 22, 23) jeweils an um 90° phasenverschobene Wechselspannungen angeschlossen sind.

5. Strangießkokille nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag des Winkels, um den die Teilumrührer (21, 24 und 22, 23) jeweils gegeneinander verdreht angeordnet sind, 30° bis 60° beträgt.

6. Strangießkokille nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilumrührer (21, 24 und 22, 23) als Spulen (25-28) mit einem ferromagnetischen U-förmigen Kern ausgebildet sind.

7. Strangießkokille nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellantrieb vorgesehen ist, durch den die Teilumrührer jedes Paares (21, 24 und 22, 23) während des Betriebs vorgebbar gegeneinander verdrehbar sind.