DE2528931A1

DE2528931A1 - Elektromagnetische zentrifugierverfahren

Info

Publication number: DE2528931A1
Application number: DE19752528931
Authority: DE
Inventors: Bernard Dussart
Original assignee: USINOR SA
Current assignee: USINOR SA
Priority date: 1974-07-22
Filing date: 1975-06-28
Publication date: 1976-06-10
Also published as: DE2528931C2; NL7508074A; GB1520293A; FR2279500A1; NL178395B; JPS5947621B2; BE831516A; LU73029A1; FR2279500B1; JPS5134460A; IT1036493B; NL178395C

Description

Elektromagnetisehe Zentrifugierverfahren

UNION SIDERURGIQUE DU NORD ET DE L¹EST DE LA FRANCE -

abgekürzt: USINOR

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Metall-Zentrifugierverfahren, die in der Strangguß—Erzeugung angewandt werden. Gegenstand der Erfindung ist insbesondere ein solches elektromagnetisches Zentrifugierverfahren sowie ein Gerät zur Anwendung des Verfahrens.

Bekanntlich wurden zur Vergütung von metallurgischen Eigenschaften, namentlich zur Verminderung der ungünstigen baumartigen Struktur, in der Industrie Schleuderverfahren angewandt, bei denen das Metall mechanisch zentrifugiert wurde. Dieses mechanische Verfahren bringt jedoch verschiedene Nachteile mit sich, in der Hauptsache den Nachteil, daß es weder bei jeder beliebigen Stranggießtechnik noch bei jeder beliebigen Art von Stranggußprodukt anwendbar ist, weil es die Rotation der Kokille um eine Senkrechtachse bedingt. So kann das Verfahren insbesondere nicht bei Strangguß auf einer gekrümmten Strecke eingesetzt werden. Außerdem dreht sich der verfestigte Stahl mit, was in bezug auf die Wirksamkeit der Vorgänge auf der Grenzfläche zwischen flüssigem und festem Stahl ungünstig ist. Schließlich ist es auch sehr schwierig, die verhältnismäßig großen mechanischen Bauteile und die sich drehende Kokille unterzubringen.

Aus diesem Grund wurde auch das Schleudern vermittels elektromagnetischen Zentrifugierens angestrebt, wobei die Rotation des flüssigen Metalls durch ein Drehfeld bewirkt wurde, das sich mit Hilfe eines InduktionswechselStroms aufgebaut hatte. Mit diesem Verfahren wurden ermutigende Ergebnisse erzielt, soweit es die metallurgischen Eigenschaften des erzeugten Metalls anbetrifft; allerdings hat es auch sehr schwerwiegende Nachteile, die seiner Anwendung in der Industrie bis heute Schranken setzten. So bewirkt die Erhitzung der Kokille durch den Einfluß der hierbei entstehenden Foucault'sehen Ströme ihren sehr raschen Verschleiß; es mußten daher Kokillen aus einem Metall mit höherem Widerstand als Kupfer verwendet werden. Man nahm also Kokillen aus Messing,

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Aluminiumbronze oder Molybdän. Da diese Metalle jedoch eine geringere thermische Leitfähigkeit als Kupfer haben, ist ihre Lebensdauer nach wie vor gering, was einen erheblichen Nachteil darstellt. Darüber hinaus führen beim bekannten elektromagnetischen Zentrifugierverfahren die einesteils aus der Bildung Foucault * scher Ströme und and ein teils aus einer Dämpfung des elektromagnetischen Feldes beim Durchgang durch die Kokille entstehenden Verluste zu einer besonders geringen Energieleistujg,

Durch die vorliegende Erfindung soll eine Vervollkommnung des bekannten Verfahrens und Geräts zum Zentrifugieren von Metall in einer Stranggußeinrichtung erreicht werden, und zwar durch Einsatz eines Induktionsdrehfelds, was die Verwendung einer gewöhnlichen Kupferkokille sowie eine erheblich höhere Energieleistung ermöglicht.

Dieses Problem wird nach vorliegender Erfindung gelöst durch Aufbau eines Induktionsdrehfelds in dem in der Kokille befindlichen Metall; das Feld wird durch einen Induktionsstrom mit einer Frequenz von weniger als 10 Hz erzeugt. Es wird vorzugsweise eine Frequenz zwischen etwa 2 und 6 Hz gewählt.

Die Stärke des erzeugten induzierten Magnetfelds liegt im übrigen zwischen 500 und 2000 Gauss, wobei der Bereich zwischen 1000 und 1500 Gaues bevorzugt wird.

Wie aus nachfolgender Beschreibung zu entnehmen ist, verringern sich durch den Einsatz eines Induktionsstroms mit besonders schwacher Frequenz die im Metall der Kokille erzeugten Foucault*- sehen Ströme und außerdem wird dadurch der Feldabbau beim Durchgang durch die Kokille gedämpft.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Gerät für die Anwendung des Verfahrens. Das Gerät besteht aus einem Drehstrom— Stator, der konzentrisch um die Kokille angeordnet ist; dabei

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ist die Kokille aus Kupfer, und der Drehstrom-Stator wird durch Wechselstrom mit einer Frequenz von weniger als 10 Hz - vorzugsweise «it einer Frequenz zwischen 2 und 6 Hz - gespeist.

Die Erfindung wird im folgenden detaillierter beschrieben unter Bezugnahme auf die lediglich als Anhaltspunkt beigefügte Zeichnung. Hierauf istχ

- Abb. 1 die schematIsche Teilansicht einer Stranggußeinrichtung,

welche mit einem Gerät nach dieser Erfindung ausgestattet ist;

- Abb. 2 das elektrische Funktionsschema dieses Geräts;

- Abb. 5 «in Diagramm, das die Änderung der Energieleistung in

Abhängigkeit τon der Frequenz des InduktionsStroms zeigt.

Abb. i ieigt einen Teil der herkömmlichen Stranggußeinrichtung, wobei nur ein Teil der Kokille dargestellt wurde. Diese Kokille (l) besteht aus einem kupfernen Innenteil (2) und aus einem ihn umgebenden Mantel (3) in rostfreiem Stahl; der Zwischenraum wird von einem Kühlmittel (4), z. B. Wasser, durchflossen.

Auf der Zeichnung sind weder die Strangguß-Düse, durch die das flüssig· Metall in die Kokille gelangt, noch die Sekundär-Kühlzone dargestellt, die sich im unteren Teil der Kokille befindet.

Nach der Erfindung ist ein Drehstromstator (lO) τοrgesehen, der aus eimern Gehäuse (ll), Spulen (12) und Polen (13) besteht, welche gleichmäßig auf dem Umfang der Kokille angeordnet sind.

Für gewöhnlich ist dieses Gerät mit einem ringförmigen Deckel (l%) «Bd Boden (15) versehen, die den Stator abdecken und schut■en.

Das Schema der Abb. 2 zeigt den elektrischen Schaltkreis des

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auf Abb. 1 dargestellten Geräte. Dieser Schaltkreis besteht in der Hauptsache aus den Drehstromstator (lO), dessen drei Phasen in diesen Beispiel als Dreieckschaltung gezeigt sind und die durch ein Drehwandler-Aggregat (16) gespeist werden. Das Wandler-Aggregat ist faktisch ein Wechselstromgenerator, der seinerseits durch einen Dreiphasen-Wechselstrom mit der in der Industrie üblichen Frequenz von 50 Volt gespeist wird. Vorzugsweise besteht jede der Statorphasen aus mehreren parallel montierten Spulen (17) - im gewählten Beispiel sind es vier -, wobei jede Spule aus 150 Wicklungen aus Draht von 14 mm Querschnitt bestehen kann. Die Eingangsspannung am Wandler-Aggregat kann 380 Volt betragen, wobei dieses Aggregat einen Induktionsstrom mit der Frequenz von 6 Hz und einer Spannung von etwa 57 Volt bei einer Stärke von 1000 A je Phase liefert. Die Leistung des Wandler-Aggregats liegt somit im Bereich von 10 kVa. Diese Kennwerte erlauben den Aufbau eines Induktions-Drehfelds im Bereich von 1000 bis 1500 Gauss.

Die mit einem solchen Zentrifugiergerät durchgeführten Versuche zeigen, daß die Wirksamkeit des elektromagnetischen Zentrifugierens mit einem Induktionsstrom sehr niedriger Frequenz, insbesondere unter 10 Hz, sehr viel höher ist und die Oberflächenstruktur des Strangguß-Stahls dadurch stark beeinflußt wird. Dieser Einfluß kann teils dem Effekt der"Hautbildung" zugeschrieben werden, der durch die Verschiebung des flüssigen Metalls gegenüber dem verfestigten, die Basaltzone begrenzenden Metall entsteht; dieses Gegeneinanderverschieben hat eine Art Abstreifwirkung, wodurch im Metall vorhandene Einschlüsse und Poren oder Blasen entfernt werden. Dies erhöht die Dichte der Oberflächenschicht des Stranggußerzeugnisees erheblich. Der Effekt der Hautbildung wird noch verstärkt durch die allgemeine Zentripetalwirkung, welche die vorgenannten Einschlüsse und Poren aus der Oberflächenschicht des Produkts abscheidet; diese porösen Bereiche, die sehr viel weniger dicht als Stahl sind, werden dadurch dichter an den Kern des Metallstücks herangedrückt·

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Durch den Einsatz der genannten, sehr niedrigen Frequenzen ist es möglich, die Stärke des Drehfelds erheblich zu steigern, mit dem das Metall in Drehbewegung versetzt wird, was wiederum die beiden vorerwähnten Effekte steigert. Dies ist besonders wichtig, da die im Metall enthaltenen Blasen gleichfalls entfernt werden (das frühere Verfahren ließ diese Möglichkeit nicht vermuten) und auf diese Weise der Anwendungsbereich eines derartigen Verfahrens auf die Behandlung von unberuhigtem und teilweise beruhigtem Stahl erweitert werden kann. Diese Ausweitung stellt gegenüber dem früheren Verfahren ebenfalls etwas Neues dar.

Da das Drehfeld den gesamten Querschnitt des Strangguß-Produkts in Drehbewegung versetzt, ist ein bestimmter Einspritzwinkel zur Bewirkung der Drehbewegung nicht erforderlich. Infolgedessen ist es möglich, Stranggießen mit eingetauchter Düse und die Beibehaltung des klassischen Schutzes des Flüssigpunkts mit Pulver zu erwägen.

Die Erklärung wäre noch von Interesse, warum die in Betracht gezogenen Frequenzen ein solches Ergebnis zeitigen, ohne daß hier indessen auf die Berechnungen und Formeln zur Beweisführung eingegangen werden soll.

Bekanntlich wird Stahl unter der Einwirkung elektromagnetischer Kräfte - Laplace*sehe Kräfte genannt - in eine Drehbewegung versetzt. Diese Kräfte sind verhältnisgleich zur Stärke des in den flüssigen Stahl induzierten Stroms sowie zum Induktionsfeld, das auf den in Betracht gezogenen Leiter einwirkt. Diese Bewegungskräfte sind verhältnisgleich zur Frequenz f_ des Induktionsstroms.

Außerdem werden durch die vom Wechselstrom bewirkte Veränderung des Kraftfelds im Kupfer der Kokille auch Foucault'sehe Ströme induziert, deren Stärke verhältnisgleich zur Feldfrequenz ist, wobei die durch Foucault'sehen Ströme verlorene Energie verhältnisgleich zum Quadrat der Frequenz der Induktionsströme ist. Die in der nachfolgenden Tabelle aufgeführten Zahlenwerte geben die

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Höhe der durch Foucault'sehe Ströme im Kupfer verlorene Energie an, und zwar für eine Kokille von 120 mm Durchmesser und 10 mm Wandstärke, für Frequenzen von 50, 6 und 3 Hz. Es geht daraus hervor, daß bei einer Frequenz von 50 Hz die verlorene Energie beträchtlich ist und etwa 40 % des Wärmeentzugs entspricht, welchendie Kokille bei einer Stranggußerzeugung von 15 t je Stunde bewirkt. Bei Frequenzen von 6 und 3 Hz ist dieser Energieverlust indessen vollkommen annehmbar.

Weiterhin ist an diesem Phänomen die Dämpfung des alternierenden Induktionsfelds im Kupfer der Kokille beteiligt Dieses alternierende Induktionsfeld wird durch Bildung von reaktiven Foucault'sehen Strömen nach folgendem Exponentialgesetz abgebaut:

B = B_Qe -^- . Hierbei ist

Bo die Induktionsstärke am Ausgangspunkt,

x_ = l/ **— j— mit: J^= Metallwiderstand

/ Γ /£ = magnetische Permeabilität

•f = Frequenz des Induktionsfelds.

Das Induktionsfeld hängt also allein von den elektromagnetischen Kennwerten des Materials und von der Frequenz des Induktionsstroms ab. Die nachfolgende Tabelle gibt den Wert für χ und für die Felddämpfung an, und zwar in Abhängigkeit von der Frequenz und von den verschiedenen amagnetischen Durchgangsmaterialien wie z. B. Kupfer der Kokille, rostfreier Stahl des Mantels, flüssiger Stahl und unter der Voraussetzung, daß die Wandstärke der senkrecht zum anfänglichen Induktionsfeld angeordneten Kokille 10 mm beträgt. Aus dieser Tabelle geht hervor, daß die Wandstärke umgekehrt verhältnisgleich zur Quadratwurzel der Frequenz und die Felddämpfung sehr viel stärker bei einer Industriefrequenz von 50 Hz als für die beiden gewählten Frequenzen von 6 und 3 Hz ist.

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Tabelle

Durch Foucault'sehe Ströme im Kupfer einer Kokille verlorene Energie, in kw	Kupfer bei 20°C	Fr« 50 Hz	jquenz 6 Hz	3 Hz
Wandstärke	Kupfer bei 100 C	145	9	5
^xo	Rostfreier Stahl bei OC	9,35	27,0	38,1
in mm	Flüssiger Stahl	10,70	31.0	43,6
Felddämpfung =	10 mm Kupfer bei O⁰C	65,5	190	266,0
h ^durchi	10 mm Kupfer bei 100 C	91,0	260	367
10 mm rostfreien Stahl	0,34	0,69	0,77
10 mm Flüssigstahl	0,39	0,72	0^,88
0,86	0,95	0,97
0,90	0,96	0,98

Aus den vorstehenden Betrachtungen ergibt sich, daß sich die Energieleistung des Geräts - ausgedrückt durch den Koeffizienten R, der dem Verhältnis zwischen Bewegungsenergie und der im Kupfer verlorengegangenen Energie entspricht - je nach der Frequenz verändert. Dies geht aus dem Diagramm der Abb. 3 hervor, in welchem die drei Kurven jeweils die Veränderung dieses Verhältnisses R für Wandstärken der Kupferkokille von 10, 15 und 20 mm darstellen, wobei ein Kokillendurchmesser von 120 mm und eine Drehgeschwindigkeit des flüssigen Stahls von etwa 1 Umdrehung/Sek. angenommen wird.

Aus dieser grafischen Darstellung ist zu ersehen, daß der nach der Erfindung empfohlene Frequenzbereich demjenigen Teil der Kurve entspricht, für den ein optimaler Leistungswert ausgewiesen ist, während mit den seit jeher benutzten Industriefrequenzen nur eine äußerst geringe Energieleietung erzielt wird.

Mit anderen Worten: Gleichgültig, welches der Querschnitt des Strangguß-Erzeugnisses ist (Rund- oder Knüppelguß), gleichgültig, wie die Art der induzierten Bewegung ist (gleitendes oder drehendes Schleudern), - die Energieleistung des Zentrifugiervorgangs ist am höchsten bei einer Induktionsstromfrequenz, die

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etwa zwischen der Gleichlauf-Frequenz und dem doppelten Wert derselben liegt. Hierbei wird Gleichlauf-Frequenz als diejenige Frequenz definiert, bei welcher der Stahl in die Umdrehungsgeschwindigkeit versetzt wird, die der Geschwindigkeit des Drehfelds entspricht.

Aus dem Verfahren nach der Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:

- Die damit gewonnenen Erzeugnisse sind von wirklich außergewöhnlich hoher Oberflächenreinheit, wodurch das Säubern vor dem nachfolgenden Walzen entfällt;

- Das Verfahren erlaubt nicht nur die Entfernung von Einschlüssen aus den äußeren Bereichen des Stranggußprodukts, sondern auch die Entfernung von Poren und linsenförmigen Blasen, wodurch eine Anwendung des Verfahrens für die Behandlung von nicht beruhigten und teilweise beruhigten Stählen in Betracht gezogen werden kann;

- Es bewirkt eine erhebliche Verdichtung der basaltischen Struktur, wodurch Strangguß-Risse auf Stählen mit empfindlicher Oberflächenbeschaffenheit vermieden werden, ohne daß die Produktionsgeschwindigkeit eingeschränkt wird;

- Es erlaubt die Verwendung einer Kupfer-Kokille mit normaler Wandstärke, d.h. in der Stärkenordnung 10, 15 oder 20 *v, was beim klassischen elektromagnetischen Zentrifugieren nicht möglich war.

Natürlich beschränkt sich die Erfindung nicht allein auf die Art der Verwirklichung, die hier vorgestellt und beschrieben worden ist. So kann das Verfahren auch zum Zentrifugieren von Knüppelstahl oder anderen ähnlichen Erzeugnissen angewandt werden, die keinen runden Querschnitt haben; dabei weichen die Bewegungsformen des Stahls unter dem Einfluß des Drehfelds

zwar sehr von denen bei Erzeugnissen mit rundem Querschnitt ab, die Ergebnisse sind allerdings vergleichbar.

Das Gleiche gilt für die Bauweise und Anordnung des Zentrifugiergeräts im Verhältnis zur Kokille. Was die Elektromontage angeht, so kann sie sehr abweichend sein und z.B. Sternschaltung oder einen statischen Thyristor-Umformer anstelle des Drehwandler-Aggregats verwenden. Der Stator kann im übrigen, zumindest teilweise, im Kühlmantel anstatt außen am Kühlmantel untergebracht werden.

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Claims

ANSPRÜCHE

1. - Verfahren zum Zentrifugieren von Metall in einer Strangguß-Kokille. Nach dem Verfahren wird in der Kokille ein elektromagnetisches Induktionsdrehfeld um eine Achse aufgebaut, die parallel zur Kokillenachse verläuft oder mit dieser zusammenfällt, und zwar mit Hilfe eines durch Induktionswechselstrom gespeisten Stators. Es wird dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Metall, umgeben von einer Hülle verfestigten Metalls und von einer Kupferkokille, durch ein von einem Induktionsstrom erzeugten Feld in Drehbewegung versetzt wird. Die Frequenz des Induktionsstroms ist geringer als 10 Hz.

2. - Verfahren zum Zentrifugieren von Metall gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Induktionsstromfrequenz etwa zwischen 2 und 6 Hz.

3. - Verfahren zum Zentrifugieren von Metall gemäß einem der vorgenannten Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Stärke des Induktionsfelds zwischen 500 und 2000 Gauss.

4. - Verfahren zum Zentrifugieren von Metall gemäß Anspruch 3» gekennzeichnet durch eine Stärke des Induktionsfelds etwa zwischen 1000 und 1500 Gauss.

5. - Strangguß-Einrichtung zum elektromagnetischen Zentrifugieren, bestehend aus einer Kokille und einem Drehstromstator, der konzentrisch oder in Achsrichtung mit dieser Kokille angeordnet ist. Die Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille aus Kupfer besteht und der Stator (1O) durch Wechselstrom mit einer Frequenz von weniger als 10 Hz - vorzugsweise zwischen 2 und 6 Hz liegend - gespeist wird.

6. - Strangguß-Einrichtung zum elektromagnetischen Zentrifugieren gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch die an sich bekannte Einspeisung des Stators (lO) über ein Drehwandler-Aggregat (l6).

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7. - Strangguß-Einrichtung zum elektromagnetischen Zentrifugieren gemäß Anspruch 5» gekennzeichnet durch die Einspeisung des Stators (lO) über einen statischen Thyristor-Umformer.

8. - Strangguß—Einrichtung zum elektromagnetischen Zentrifugieren gemäß einem beliebigen der vorgenannten Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß - wie an sich bekannt - jede Statorphase aus mehreren parallel montierten Spulen (17) besteht.

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