DE2731239C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektromagnetischen Durchwirbelung schmelzflüssiger Metalle im Gießkanal einer Stranggießkokille mittels eines nicht stationären, entlang den Kokillenwänden wandernden magnetischen Feldes.

Bei Durchführung dieser Verfahren wurde festgestellt, daß unvermeidbare nichtmetallische Einschlüsse, unter ihnen insbesondere die am meisten störenden grobkörnigen Einschlüsse, dazu neigen, sich unmittelbar unter der Oberfläche des erstarrenden Halbzeugs abzusetzen. Zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von Walzerzeugnissen, insbesondere von Blechen, die zur Herstellung von Gegenständen im Tiefzieh- oder Tiefstanzverfahren bestimmt sind, war es seither notwendig, vor der Weiterverarbeitung des Halbzeugs die obersten Millimeter der Haut der Rohgußer­ zeugnisse abzubrennen. Bei Gußblöcken größerer Abmessungen wie z. B. bei Brammen, bedeutet dieses Abbrennen einen Materialverlust von etwa vier Gewichts-Prozent sowie einen nicht unerheblichen Verbrauch an Sauerstoff und einen ent­ sprechenden Arbeitsaufwand.

Da es bekannt ist, daß die Menge und auch die Verteilung solcher Einschlüsse auf die Fließbedingungen in der Kokille zurückzuführen sind, ist, um auf das zur Oberflächenvergütung von Gußerzeugnissen übliche Verfahren des Abbrennens zu verzichten, auch schon vorgeschlagen worden, auf die sich innerhalb der Kokille im schmelzflüssigen Metall aus­ bildenden Strömungen einzuwirken.

In den Anmeldungen P 24 48 275.5, P 26 41 261.3 und P 26 41 260.2 wurde vorgeschlagen, im schmelzflüssigen Metall mit Hilfe eines nichtstationären magnetischen Feldes, das entlang der Wände der Kokille wandert, Strömungen zu erzeugen, die an der Erstarrungsfront des Gießstrangs eine nachhaltige Reinigung bewirken und insbesondere, wenn das magnetische Feld von unten nach oben wandert, ein rasches Dekantieren der Einschlüsse an der freien Oberfläche des Metalls begünstigen.

Das magnetische Wanderfeld wird üblicherweise durch einen Mehrphaseninduktor, ähnlich dem Stator eines Linearmotors, erzeugt, der eine Ringstruktur aufweist und den Gießstrang im Bereich der Kokille umgibt. Die mit solchen Vorrichtungen erzielten Ergebnisse sind insoweit befriedigend, als an diesen tatsächlich eine Verlagerung der sich sonst unmittelbar unter der Haut anhäufenden Einschlüsse nach dem Inneren der Gußerzeugnisse hin festgestellt werden kann.

Die Durchführung dieser Verfahren macht es jedoch notwendig, zur Erzielung eines optimalen Effektes die die Auswirkung des magnetischen Feldes bestimmenden Parameter durch ein meist langwieriges Experimentieren zu ermitteln.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem sich Verunreinigungen aus einem Gießstrang effektiv beseitigen bzw. verlagern lassen. Insbesondere sollen langwierige Versuche vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit Hilfe der in Anspruch 1 genannten Schritte gelöst.

In äquivalenter Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren auch so durchgeführt werden, daß man die wirksame magnetische Induktion des Magnetfeldes so steuert, daß sie der im Kennzeichen des Anspruchs 2 angegebenen Gleichung genügt.

Die Lehre der Erfindung stellt ein zuverlässiges Mittel zur Steuerung der Wirksamkeit des magnetischen Feldes dar, durch das die Anhäufung von Einschlüssen, die sich insbesondere ohne elektromagnetische Durchwirbelung in einer unmittelbar unter der Oberfläche gelegenen, nur wenige Millimeter starken Schicht ablagern, in Richtung auf die Achse der Gußstücke bis zu einer gewünschten vorbestimmten Tiefe verlagert wird.

Diese Verlagerung kann jedoch den Tiefenwert nicht übersteigen, der der Dicke der am unteren Ende des magnetischen Spaltes bereits erstarrten Oberflächenschicht entspricht. Über diesen Wert hinaus kommt den von dem magnetischen Feld des Induktors in dem schmelzflüssigen Metall etwa erzeugten Strömungen und deren Steuerung keinerlei Bedeutung im Sinne des angestrebten Effektes zu.

Im industriellen Rahmen durchgeführte Untersuchungen haben einerseits ergeben, daß eine längs der Kokillenwände aufsteigende mindestens bis zur freien Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls reichende elektromagnetische Durchwirbelung, also eine Wellenfortpflanzung des magnetischen Flusses in einem der Fließrichtung des Metalls entgegengesetzten Sinn, nicht nur eine Verminderung der Menge der Einschlüsse insgesamt, sondern auch und vorwiegend eine Verlagerung der Anhäufung dieser Einschlüsse in Richtung auf die Achse der Gußstücke verursacht, und andererseits, daß das Maß dieser Verlagerung sich mit der vom Induktor abgegebenen Leistung vergrößert. Diese Erscheinung läßt sich wie folgt erklären:

Der in die Kokille eingeleitete Gießstrahl dringt mit einem seiner Geschwindigkeit entsprechenden Bewegungsimpuls in das vorhandene schmelzflüssige Metall ein und ruft somit eine sich in der Achse des Gießstrangs ausbildende abwärts gerichtete Strömung hervor. Andererseits übt das magnetische Wanderfeld auf das schmelzflüssige Metall, das sich in dem mit der Erstarrungsfront im Kontakt befindlichen äußeren Bereich des Gießstrangs befindet, einen nach oben gerichteten Bewegungsimpuls aus.

Durch das Zusammenwirken dieser beiden Bewegungsimpulse bildet sich in dem noch flüssigen Teil des Gießstrangs eine dauernde Zirkulationsströmung aus, so daß das flüssige Metall an der Peripherie des Gießstrangs aufsteigt und im Achsenbereich nach unten fließt. Auf diese Weise werden die Einschlüsse gegen die freie Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls bewegt, wo ein Teil von ihnen auf natürliche Weise dekantiert und der Rest im achsennahen Bereich des Gießstrahls von der Strömung bis zu einer Tiefe nach unten mitgerissen wird, in der unterhalb des wirksamen Bereichs des Induktors die elektromagnetischen Kräfte das flüssige Metall nicht mehr erreichen, so daß die Verunreinigungen an dieser Stelle der Erstarrungsfront von dem erstarrenden Metall leicht ein­ gefangen werden.

Weitere Untersuchungen bezüglich des Zusammenhangs zwischen der Wirkleistung des Induktors und dem Maß der Verlagerung der Einschlüsse in Richtung auf die Achse des Gießstrangs haben ergeben, daß dieser Zusammenhang durch die obengenannte Gleichung F = 35d² + 260d wiedergegeben werden kann, in der F und d die obengenannten Bedeutungen haben.

Die in dieser Gleichung angegebene, auf die Volumeneinheit des schmelzflüssigen Metalls wirksame Kraftdichte F stellt keine konkrete physikalische, einer unmittelbaren Messung zugängliche Größe dar. Sie muß in der Praxis daher ausgehend von der Messung anderer elektrischer oder magnetischer Parameter des Induktors errechnet werden. Unter diesen Parametern ist der am leichtesten veränderbare die magnetische Feldstärke, da zu ihrer Veränderung lediglich eine Veränderung der Stromstärke des den Induktor speisenden Stroms erforderlich ist.

Es ist bekannt, daß die Kraftdichte sich durch den Ausdruck

F = γ vB² _eff

darstellen läßt, in der die einzelnen Größen die oben angegebene Bedeutung haben.

Für die Geschwindigkeit v gilt die Beziehung

v = 2τ N,

in der τ die Polteilung des Induktors in [m] und N die Frequenz des den Induktor speisenden Stroms [Hz] darstellt.

Daraus ergibt sich für die elektromagnetische Kraft

F = 2γτ NB² _eff .

Es wäre nun möglich, die Größe F zu verändern, indem man bei­ spielsweise die Frequenz N und/oder die wirksame magnetische Induktion B _eff verändert. Es konnte jedoch schon nachgewiesen werden (Patentanmeldung P 27 04 918.9), daß bei einer aus elektrisch leitendem Material bestehenden Kokille das diese Kokille durchsetzende Magnetfeld gegenüber der Frequenz des Erregerstroms nicht unempfindlich ist. Es besteht vielmehr für eine gegebene Kokille eine optimale Frequenz des Induktorstroms, oberhalb der sich die in dem flüssigen Metall auswirkende elektromagnetische Kraft verringert.

Bei der praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geht man daher zweckmäßigerweise so vor, daß man die Frequenz des Stroms - das ist gleichbedeutend mit der Ge­ schwindigkeit v - auf einem konstanten Wert hält und die magnetische Induktion entsprechend der nachstehenden Beziehung steuert:

Dabei ist es vorteilhaft, die Frequenz des Induktorstroms auf ihren optimalen Wert einzustellen, obwohl dies keine un­ erläßliche Voraussetzung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt.

Im folgenden ist ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, bei dem einen quadratischen Querschnitt aufweisende Knüppel mit einer Kantenlänge von 120 mm gegossen wurden. Die zur Durchführung des Verfahrens dienende Kokille war von einem elektromagnetischen Induktor umgeben, der aus sechs übereinander angeordneten, vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise gleichen Spulen besteht und dessen oberste Spule sich auf der Höhe der freien Oberfläche des zu vergießenden Metalls befindet. Diese sechs Spulen sind an Drehstrom angeschlossen und paarweise so in Serie miteinander verbunden, daß die Stromrichtungen in zwei miteinander verbundenen Leitern einander entgegengesetzt sind und im Gießkanal der Kokille eine Welle magnetischen Flusses bilden, die längs der Wände der Kokille nach oben wandert.

Der Gießkanal der Kokille wies einen aus einer Kupfer-Chrom- Zirkonium-Legierung bestehenden gehärteten Mantel mit einer Wandstärke von 8 mm auf. Ein solcher Mantel hat den Vorteil, trotz seiner geringen Wandstärke eine hohe mechanische Festigkeit und infolge seiner geringen Wandstärke eine hohe magnetische Durchlässigkeit aufzuweisen. Die Geschwindigkeit, mit der die Knüppel abgezogen wurden, betrug dauernd etwa 2 m/min, und die erstarrte Oberflächenschicht betrug unter den herrschenden Kühlbedingungen im Bereich des unteren Endes des Magnetspaltes etwa 12 mm. Der Induktor wies eine Länge von 0,48 m auf, was einem zweifachen Betrag seiner Polteilung entspricht. Der Induktor war so ausgelegt, daß in jeder Phase bei einer Spannung von 55 Volt ein Strom von einem maximalen Effektivwert von 350 A fließen konnte. Die Vorrichtung sollte so betrieben werden, daß die maximale Anhäufung der Einschlüsse in einer Tiefe von etwa 8 mm unter der Oberfläche der Knüppel erfolgte. Der Induktor mußte daher so betrieben werden, daß die elektromagnetische Kraftdichte in dem schmelzflüssigen Metall den Wert F = 4320 N/m³ annahm. Die Frequenz des Erregerstroms wurde auf 10 Hz eingestellt, was unter den gegebenen Umständen einen optimalen Wert darstellte. Da die elektrische Leitfähigkeit des schmelzflüssigen Metalls etwa

6,25 · 10^-5Ω^-1 · m^-1

betrug, mußte die wirksame magnetische Induktion auf 0,038 Tesla (380 Gauss) eingestellt werden.

Versuche haben ergeben, daß eine Verlagerung des Maximums der Einschlüsse in eine Tiefe von 8 mm bei einer Feldstärke von 420 Gauss erreicht wurde. Die Abweichung von dem theoretisch nach der erfindungsgemäßen Beziehung errechneten Wert beträgt somit nur etwa 10%, was innerhalb der in der Praxis annehmbaren Grenzen liegt.

Die Erfindung kann bei beliebigen Stranggußverfahren Verwendung finden, einerlei welche Zusammensetzung das zu vergießende Metall und welche Abmessungen das zu gießende Halbzeug aufweist. Das Maß der Zurückdrängung der nicht-metallischen Einschlüsse in das Innere des erstarrten Gießstrangs kann von der Art nachfolgenden metallurgischen Behandlung des Halbzeugs, wie z. B. der Besonderheit des Walzverfahrens abhängig gemacht werden, so daß auf diese Weise zuverlässige Voraussetzungen für die Erzielung einer guten Oberflächen­ beschaffenheit der Produkte gegeben sind, ohne daß es zu­ sätzlicher Vorbehandlungen, wie z. B. des Abbrennens, bedarf.

Claims (2)

1. Verfahren zur elektromagnetischen Durchwirbelung schmelzflüssiger Metalle im Gießkanal einer Stranggießkokille mittels eines nicht stationären, entlang den Kokillenwänden wandernden magnetischen Feldes, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Feld entgegen der Fließrichtung des Metalls vom unteren Ende der Kokille bis zur oberen freien Oberfläche des Metalls wandert und daß die Einwirkung des magnetischen Feldes auf das schmelzflüssige Metall zum Zweck der Lokalisierung der Anhäufung der nichtmetallischen Einschlüsse in einer gewünschten Tiefe des erstarrenden Gießstrangs so gesteuert wird, daß die auf die Volumeneinheit des schmelzflüssigen Metalls wirksame Kraftdichte F der Gleichung F = 35d² + 260dgenügt, wobei die Maßeinheit für F [N/m] und für d [mm] ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame magnetische Induktion des Magnetfeldes so gesteuert wird, daß sie der Gleichung genügt, in der
F die auf die Volumeneinheit des schmelzflüssigen Metalls wirksame Kraftdichte in [N/m],
γ die elektrische Leitfähigkeit des schmelzflüssigen Metalls in [Ω^-1 · m^-1],
v die Wandergeschwindigkeit des magnetischen Feldes in [m · sec^-1] bedeutet, und
B _eff in [Tesla] erhalten wird.