DE2726623A1

DE2726623A1 - Elektromagnetische einrichtung zur rotation einer metallschmelze

Info

Publication number: DE2726623A1
Application number: DE19772726623
Authority: DE
Inventors: Jean Delassus
Original assignee: Compagnie Electro Mecanique SA
Current assignee: Compagnie Electro Mecanique SA
Priority date: 1976-06-14
Filing date: 1977-06-13
Publication date: 1977-12-15
Also published as: NL163444B; SE420578C; GB1517887A; IT1082071B; BR7703629A; SU818469A3; NL163444C; CA1083653A; FR2355392B1; SE7706627L; BE855613A; US4294304A; ES459757A1; MX145145A; NL7705914A; SE420578B; DE2726623B2; JPS5325235A; FR2355392A1; ZA773551B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere betrifft die Erfindung einen elektromagnetischen Zentrifugier-Induktor, der ein geschmolzenes Metall um eine Achse in Rotation zu versetzen gestattet, und einen ringförmigen Magnetkern mit einer Wicklung enthält, der in einem ringförmigen Behälter angeordnet ist, welcher von einer starken Wasserströmung durchsetzt ist und dessen Wicklung mit einem dreiphasigen Wechselstrom niedriger Spannung und niedriger Frequenz gespeist ist.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung eignet sich besonders für Stranggießanlagen mit vertikal verlaufender oder schwach gegen die Vertikale geneigter Gießachse, wie sie für das kontinuierliche Herstellen von Blöcken oder Strängen aus einem einem Metall hohen Schmelzpunktes verwendet werden, z.B. Stahl- oder Eisenlegierungen.

Es ist bekannt, daß man aus einer Metall- oder Legierungsschmelze Verunreinigungen und Schlackeeinschlüsse, die in der Schmelze enthalten sind, durch Rotation der Schmelze abtrennen kann, dabei sammeln sich die leichteren Bestandteile in der Mitte an und steigen zur Oberfläche des Schmelzbades empor, wo man sie in bekannter Weise sammeln kann.

Andererseits kann man durch ein Zentrifugieren gewisse Legierungsbestandteile aus dem Umfangsbereich eines Gußblockes entfernen und dadurch die Oberflächenhärte des für ein Walzen bestimmten Produktes verringern.

Bisher hat man in der Praxis die Rotation einer Schmelze ausschließlich auf mechanischem Wege bewirkt, indem man eine Blockgießkokille bzw. die Halterung einer Stranggießkokille drehbar ausgebildet hat, was schwere und umständliche Anlagen bedingt.

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Es ist ferner aus der FR-PS 22 11 305 bekannt, eine örtliche Rotation eines geschmolzenen Metalles mittels eines magnetischen Drehfeldes zu bewirken, indem man in einer Stranggießanlage in einem gewissen Abstand unterhalb der Eingießkokille eine elektromagnetische Rührvorrichtung angeordnet hat. Diese Vorrichtung bewirkt eine Rotation des flüssigen Metalles im inneren Teil des Stranges während seiner Verfestigung und macht die Kristallstruktur im Kern des Stranges homogener. Vorrichtungen dieser Art sind bereits bei zahlreichen Stahlstranggießanlagen bekannt/ ihr Einflußbereich befindet sich im allgemeinen in einem vertikalen Abstand von etwa 3 m unterhalb dem Niveau der Kokille in einer Zone, die im allgemeinen als sekundäre Kühlzone bezeichnet wird. In der sekundären Kühlzone kann die verfestigte Wand des Stranges wegen der intensiven Wasserkühlung bereits eine Dicke von mehreren Zentimetern erreichen. Die elektromagnetische Rühr- oder Zentrifugierwirkung erfolgt daher zu spät, um einen Nutzeffekt auf die Peripherie, also den Außenbereich des Stranges, ausüben zu können.

Für gewisse ejsenmetallurgische Zwecke, z.B. die Herstellung von nahtlosen Rohren aus massiven Knüppeln, werden Brammen oder Knüppel mit sehr hoher Güte im Oberflächenbereich gefordert, um beim Walzen der Rohre Risse zu vermeiden. Solche Risse haben ihre Ursache in erster Linie in Schlackeeinschlüssen, die in der Wand des Stranges oder der Bramme ganz am Anfang der Verfestigung entstehen, d.h. während sich das Metall in der Kokille befindet, die die primäre Kühlzone bildet und an deren Ende die für die Festigkeit des Stranges erforderliche Dicke der erstarrten Wand je nach dem Querschnitt des Gußstranges zwischen einigen Millimetern und einem Zentimeter schwankt.

Wenn man das Produkt, das die elektromagnetische Einrichtung gemäß dem oben erwähnten französischen Patent durchlaufen hat, walzen will, muß man die sichtbaren Verunreinigungen von der äußeren Schicht des Gußstranges durch Schleifen entfernen, was eine langwierige und mühselige Arbeit erfordert.

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Wenn man andererseits das geschmolzene Metall auf der Höhe der Kokille in magnetische Rotation versetzen will, ergibt sich das Problem, daß das Rohr der Kokille im allgemeinen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht und eine erhebliche Dicke hat, so daß dieses Rohr das Magnetfeld daran hindert, bis zu dem geschmolzenen Metall durchzudringen. Mit der in der oben genannten französischen Patentschrift beschriebenen elektromagnetischen Einrichtung läßt sich jedenfalls kein magnetisches Drehfeld mit solchen Eigenschaften erzeugen, die eine Rotation der Schmelze ermöglicht, da die isolierten Drähte, die gegen das in den Nuten befindliche Wasser resistent sind, wegen des großen Volumens, das für die Isolation erforderlich ist, kein Magnetfeld ausreichender Intensität zu erzeugen gestattet. Bei der in der genannten französischen Patentschrift beschriebenen Wicklung wäre auch im Falle der Anordnung auf der Kokille eine sehr lange Zeit zum Aufbringen der Wicklung erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung anzugeben, die auf der Höhe einer Gießkokille ein sich mit niedriger Frequenz drehendes Magnetfeld zu erzeugen gestattet, dessen Intensität ausreicht, um das Gießrohr der Kokille und das geschmolzene Metall zu durchdringen, und die leicht realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine elektromagnetische Einrichtung oder ein Induktor in bekannter Weise um eine Kokille oder ein Rohr einer Stranggießkokille angeordnet und enthält einen ringförmigen Magnetkern mit einer Mittelöffnung, welche sechs regelmäßig angeordnete große Zähne enthält. Die Wicklung besteht aus sechs vorgefertigten Polspulen, die jeweils auf einem entsprechenden Zahn des Magnetkerns angeordnet sind,

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wobei für jede Phase jeweils zwei gewölbte Spulen mit unterschiedlichen Krümmungsradien auf zwei gegenüberliegenden Zähnen angeordnet und so miteinander gekoppelt sind, daß sich die von ihnen erzeugten magnetischen Flüsse addieren; die eine der beiden Spulen jeder Phase befindet sich am Grund der beiden an den entsprechenden Zahn angrenzenden Nuten, während die andere Spule am Rand bzw. oben in den beiden Nuten angeordnet ist, die an den gegenüberliegenden Zahn angrenzen, so daß sich in einer Nut Spulen zweier verschiedener Phasen teilweise überlappen.

Es ist bereits aus der DT-OS 17 83 060 bekannt, eine elektromagnetische Rühreinrichtung in einer Kühlwasserkammer um eine rohrförmige Gießkokille anzuordnen, das Rühren oder Durchmischen geschieht hier jedoch entlang den Erzeugenden eines Torus und dient zur Homogenisierung der Masse des Gießstranges. Die Einrichtung gemäß der Erfindung dient hingegen nicht zur Homogenisierung des Gießstranges, sondern zum Erzeugen eines Zentrifugiereffektes durch Rotierenlassen des geschmolzenen Metalls um eine Gießachse zum Zwecke der Verbesserung des Zustandes der Oberfläche eines kontinuierlich gegossenen Stranges durch Zentrifugalabtrennung von Einschlüssen.

Da die Einrichtung gemäß der Erfindung ferner ein sehr intensives Magnetfeld liefert, lassen sich vielseitig verwendbare elektromagnetische Einrichtungen realisieren, insbesondere kann man mit ein und derselben Einrichtung Metall in Rohrkokillen unterschiedlicher Durchmesser in Rotation versetzen, wie sie in einer Stranggießanlage für die Herstellung von Strängen unterschiedlicher Kaliber verwendet werden.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt einer Stranggießkokille, die mit einer elektromagnetischen Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung versehen ist;

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Fig. 2 eine teilweise geschnittene Draufsicht der Einrichtung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 eine graphische Darstellung des durch die vorliegende Einrichtung in einem bestimmten Augenblick erzeugten Magnetfelds.

In Fig. 1 ist ein aus Kupfer bestehendes Rohr 1 einer Stranggießkokille dargestellt, das von einem Wasserkühlmantel 2 umgeben ist. Es sind ferner beispielsweise ein Strahl 15 aus geschmolzenem Netall, mit dem die Kokille kontinuierlich gespeist wird, und das in der Kokille eine Oberfläche 16 bildet, sowie eine sich fortlaufend bildende verfestigte Wand 17 des gegossenen Stranges dargestellt.

Das Rohr 1 ist von einer dem Ständer eines Drehstrommotors entsprechenden elektromagnetischen Einrichtung 3 umgeben, die in einem ringförmigen Behälter 4 angeordnet ist, durch den im Betrieb eine starke Wasserströmung geleitet wird. Auf der dem Rohr 1 zugewandten Seite besteht der Behälter 4 aus einem Rohr 4A aus nichtmagnetischem Metall hohen spezifischen Widerstandes, vorzugsweise nichtrostendem Stahl. Die Einrichtung hat eine Wicklung, deren Wickelköpfe 5 über bzw. unter Zähne 6 eines Magnetkreises der Einrichtung vorspringen, der in bekannter Weise auf einem Stapel von ebenen Magnetblechen besteht, welche durch Zugstangen 7 zwischen Ringe 8 und 8¹ aus einem gut leitenden Metall eingeklemmt sind. Die Ringe 8, 8¹ erstrecken sich Ober die ganze Höhe der Wickelköpfe 5 und haben den Zweck, das Magnetfeld zur Mitte der Kokille hin zu reflektieren.

Das Kühlwasser wird durch eine Leitung 9 in einen ringförmigen Raum 10 eingeleitet und durch Offnungen 11, die auf den Umfang des inneren Rohres 4A, einen Boden 4B und eine Außenwand 4C des Behälters 4 verteilt sind, zum einen Teil dem Kühlmantel 2 und zum anderen Teil der magnetischen Einrichtung 3 zugeführt. Eine entsprechende Anordnung ist am oberen Teil der Kokille für das Ableiten des Kühlwassers vorgesehen, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist.

Fig. 2 zeigt vorgefertigte, vorimprägnierte und im Betrieb durch Phasen U, V bzw. W eines dreiphasigen Wechselstromes gespeiste Spulen 12U, 12V und 12W, welche auf Zähnen 6A, 6C und 6E des Magnetkreises angeordnet sind. Die drei Spulen 12U, 12V und 12W sind jeweils am Boden der beiden Nuten, die an den zugehörigen Zahn 6A, 6C bzw. 6E angrenzen, angeordnet und so ausgebildet, daß sie ohne Verformung um den entsprechenden Zahn gelegt werden können. Die Abmessungen in Umfangsrichtung des Magnetkreises müssen daher so bemessen werden, daß sie aufgesetzt werden können, ohne die benachbarten Zähne zu berühren. Genauer gesagt, ist die Breite jeder Spule kleiner als die gesamte Breite eines Zahnes und der beiden an diesen angrenzenden Nuten. Die Spulen sind ferner so gebogen, daß sie sich gut an die Nuten anlegen.

In entsprechender Weise sind vorgefertigte und vorimprägnierte Spulen 13U, 13V und 13W, die im Betrieb durch die Phasen U, V bzw. W des dreiphasigen Wechselstromes gespeist werden, auf den Zähnen 6D, 6F bzw. 6B angeordnet. Jede der drei Spulen 13U, 13V und 13W befindet sich am Rand der beiden Nuten, die an den entsprechenden Zahn 6D, 6F bzw. 6B angrenzen. Die Spulen 12U und 13U, welche die einander gegenüberliegenden Zähne 6A bzw. 6B umgrben und mit der gleichen Phase U gespeist werden, sind so miteinander verbunden, daß die durch sie erzeugten Flüsse in der gleichen Richtung verlaufen. Dasselbe gilt für die Spulen 12V und 13V sowie die Spulen 12W und 13W. Die Spulen 13U, 13V und 13W sind mit kleinerem Krümmungsradius als die Spulen 12U, 12V und 12W gekrümmt. Es ist ferner ersichtlich, daß die Spulen der verschiedenen Phasen der Reihe nach auf den Zähnen 6A bis 6F angeordnet sind und sich paarweise teilweise überlappen.

Die Enden der Zähne 6A bis 6E sind mit schwalbenschwanzförmigen Einschnitten versehen, in die isolierende Nutschließkanäle 18 zur Halterung der Spulen eingesetzt sind.

Die Spulen werden auf einer Wickel- bzw. Biegeschablone mit einem halbflachen Kupferdraht hergestellt, der mit einer verhältnismäßig dünnen, wasserdichten Isolierung überzogen ist,

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z.B. einer Schicht eines Polyimidharzes, ζ.B. Poly-(diphenyloxidpyromellithimid). Die Spulen werden dann mit Glasseide umwickelt und durch und durch mit einem wärmehärtbaren Harz getränkt, das ihnen eine sehr gute mechanische Festigkeit, einen guten Schutz beim Eintauchen in Wasser und eine gute Isolation zwischen den Windungen und bezüglich Masse verleiht. Jede Spule bildet also einen kompakten Block mit einem Kupferquerschnitt, der einen großen Anteil des Gesamtquerschnitts der Spule ausmacht und daher ein intensives Magnetfeld zu erzeugen gestattet.

Das Ubereinanderliegen und überlappen der Spulen zweier aufeinanderfolgender Phasen in derselben Nut verleiht der Drehung des Magnetfeldes eine gute Progressivität, die eine Verringerung der Amplitude der räumlichen Oberwellen zur Folge hat.

In der Praxis können geradzahlige Oberwellen in einer Wicklung des beschriebenen Typs mit zwei Lagen pro Nut nicht auftreten und die Oberwellen der dritten Ordnung und ihre Vielfache können in einer dreiphasigen Wicklung nicht entstehen, es verbleiben also nur noch die Oberwellen der Ordnung 6K _+ 1, von denen die der fünften und siebten Ordnung die störendsten sind. Diese werden jedoch durch das Aufeinanderliegen bzw. überlappen der Phasenspulen in den einzelnen Nuten stark verringert. Man erhält daher eine ausgezeichnete Wellenform, die einen minimalen Stromverbrauch für eine gegebene motorische Kraft der elektromagnetischen Einrichtung (Induktor) ergibt. Der Verbrauch läßt sich noch weiter verringern, wenn man jedes Magnetblech des Magnetkreises oder Kernes der Einrichtung 10 in bekannter Weise aus einem einzigen gestanzten Blech herstellt, das einen äußeren Ring oder Kranz 14 und die mit diesem aus einem Stück bestehenden 6 inneren Zähne 6A bis 6F bildet, und wenn man die Feldreflektorringe 8 und 8' in geeigneter Weise dimensioniert.

Aufgrund dieser Maßnahmen kann eine elektromagnetische Einrichtung gemäß der Erfindung ein intensives Magnetfeld in der Größenordnung von 1000 A/cm mit einem Minimum an Spannung erzeugen, so daß man das Volumen des Isoliermaterials, das hin-

sichtlich der erforderlichen Isolation und dem Betrieb in Kasser nötig ist, entsprechend klein bemessen kann.

Fig. 3 zeigt den Verlauf des Flusses, den die beschriebene dreiphasige elektromagnetische Einrichtung in dem Augenblick erzeugt/ in dem der Strom in den Spulen 12 und 13 für die Phase V seinen Maximalwert hat und der Strom dementsprechend in den Spulen 12 und 13 für die Phasen U und W das (-1/2)-fache dieses Maximalwertes aufweist.

Es sei darauf hingewiesen, daß das Magnetfeld im ganzen Luftspalt oder Inneren des Magnetkerns des Induktors oder der Einrichtung 3 praktisch gleichförmig ist, so daß alle Stränge oder Brammen mit den verschiedensten Querschnitten, die im Innenraum der Einrichtung 3 gegossen werden können, gleich gut gerührt bzw. in Umdrehung versetzt werden.

Die Einrichtung 3 ist daher polyvalent und eignet sich besonders für Gießanlagen mit wechselnden Kalibern oder Querschnitten.

Die Erfindung eignet sich zwar besonders für Stranggußanlagen und wurde daher oben auch in Anwendung auf eine solche erläutert, sie ist jedoch nicht hierauf beschränkt und läßt sich auch in Verbindung mit einer Kokille oder Gießform verwenden, die einen Boden hat und zum Gießen von Brammen begrenzter Länge dient.

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Claims

CEM - Compagnie Electro-Mecanique, 12, Rue Portalis, Paris-Cedex Frankreich Elektromagnetische Einrichtung zur Rotation einer Metallschmelze Patentansprüche

1. Elektromagnetische Einrichtung für eine Gießkokille, insbesondere einer Stranggußanlage, welche eine geschmolzene Metallmasse um eine Achse in Rotation zu versetzen gestattet:, mit einem vorspringende Pole aufweisenden Magnetkern, der in einem die Kokille umgebenden und von einer starken Wasserströmung durchsetzten ringförmigen Behälter angeordnet und mit einer Wicklung für einen dreiphasigen Wechselstrom niedriger Spannung und niedriger Frequenz versehen ist, dadurch gekennzeichnet , daß der ringförmige Magnetkern (3) in an sich bekannter Weise sechs große Zähne (6A bis 6F) ohne verbreiterte Polenden aufweist; daß die Wicklung in an sich

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ORIGINAL INSPECTED

bekannter Weise aus sechs vorgefertigten Polspulen (12, 13) besteht, die jeweils einen entsprechenden Zahn des Magnetkernes umfassen; daß die beiden Spulen (12, 13) jeder Phase in an sich bekannter Weise mit unterschiedlichen Krümmungsradien gebogen sind; daß die beiden Spulen jeder Phase auf gegenüberliegenden Zähnen angeordnet und derart miteinander verbunden sind, daß sich die von ihnen erzeugten magnetischen Flüsse addieren; daß die eine (12) der beiden Spulen (12, 13) jeder Phase (U, V, W) am Boden der beiden Nuten, die an den zugehörigen Zahn angrenzen, angeordnet ist, während die andere Spule (13) oben bzw. am Rand der beiden Nuten, die an den gegenüberliegenden Zahn angrenzen, angeordnet sind und daß sich in einer Nut die Spulen von zwei verschiedenen Phasen teilweise überlappen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Spulen in an sich bekannter Weise aus halbflachem Kupferdraht hergestellt sind, der mit einer wasserundurchlässigen Isolierung überzogen ist.

3. Einrichtt ig nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Abmessung der Spulen in Umfangsrichtung des Magnetkernes nahezu gleich der gesamten Breite eines Zahnes und der beiden benachbarten Nuten ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen in an sich bekannter Weise mit Glasfasergewebe isoliert und durch und durch mit einem Harz imprägniert sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden des Magnetkerns außerhalb der Köpfe (5) der Spulen Magnetfeldreflektorringe (8) aus einem elektrisch gut leitenden Metall angeordnet sind.

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6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern in an sich bekannter Weise geschichtet ist und aus einem Stapel von ebenen Blechen besteht, die so geschnitten sind, daß sie einen äußeren Ring (14) und sechs mit diesem aus einem Stück bestehende große innere Zähne (6) bilden.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne und die Nuten in Umfangsrichtung wenigstens annähernd gleich breit sind.

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