DE2731239A1 - Verfahren zum kontinuierlichen vergiessen insbesondere von stahl unter einwirkung eines magnetischen wanderfeldes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Vergießen insbesondere von Stahl, bei dem der eine Kokille durchsetzende Gießstrang während des Erstarrens der Einwirkung eines nicht stationären, parallel zur Achse der Kokille und entgegen der Fließrichtung des Gießstrangs wandernden magnetischen Feldes unterworfen wird.

Es wurde festgestellt, daß bei Durchführung des vorgenannten Verfahrens unvermeidbare nicht metallische Einschlüsse, unter ihnen insbesondere die am meisten störenden großkörnigen Einschlüsse, dazu neigen, sich unmittelbar unter der Oberfläche des erstarrenden Halbzeugs abzulagern. Aus bekannten Gründen der 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 Rohgußerzeugnisse abzubrennen. Bei Gußblöcken grö-

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ßerer Abmessungen, wie z.B. bei Brammen, bedeutet dieses Abbrennen einen Materialverlust von etwa 4 Gewichts-Prozent sowie einen nicht unerheblichen Verbrauch an Sauerstoff und einen entsprechenden Arbeitsaufwand.

Es ist bekannt, daß die Menge und auch die Verteilung solcher Einschlüsse auf die Fließbedingungen in der Kokille zurückzuführen sind und es sind auch schon Möglichkeiten aufgezeigt worden, auf das zur Oberflächenvergütung von Gußerzeugnissen übliche Verfahren des Abbrennens zu verzichten, indem man in ausreichendem Maß auf die Strömung einwirkt, die sich innerhalb der Kokille im schmelzflüssigen Metall ausbilden.

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 nicht-stationären magnetischen Feldes, das entlang der Wände der Kokille wandert, Strömungen zu er zeugen, 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 begünstigt.

Das magnetische Wanderfeld wird üblicherweise durch einen Mehrphaseninduktor, ähnlich dem Stator eines Linearmotors,

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erzeugt, der eine Ringstruktur aufweist und den Gießstrang im Bereich der Kokille umgibt. Die mit solchen Vorrichtungen erzielten Ergebnisse sind insoweit befriedigend, als sie tatsächlich eine Verlagerung der sich sonst unmittelbar unter der Haut anhäufenden Einschlüsse nach dem Inneren der Gußerzeugnisse hin zeigen. Diese Verfahren werfen jedoch noch eine Anzahl von Problemen insbesondere elektrotechnischer Natur auf. Eines dieser Probleme besteht darin, die die Auswirkung des magnetischen Feldes bestimmenden Parameter so genau festzulegen, daß ohne vermeidbares langwieriges und kostspieliges Experimentieren in der Praxis rasch und mit Sicherheit ein gewünschtes Resultat erzielt wird.

Zur Lösung speziell dieser Frage wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, das vorgenannte Verfahren so durchzuführen, 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 Einhäufung der nichtmetallischen Einschlüsse in einer gewünschten Tiefe des erstarrenden Gießstrangs so gesteuert wird, daß die auf die Volumeneinheit des schmelzflüssigen Metalls wirksame Kraftdichte der Gleichung

F > 35d² + 26Od

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genügt, wobei die Maßeinheit für F [Newton/m und d mm, ist.

Diese Aufgabe kann auch in äquivalenter Weise dadurch gelöst werden, daß man die wirksame magnetische Induktion des Magnetfi.des so steuert, daß sie der Gleichung

,1/2

genügt, in der

B .. in [TeslaJ erhalten wird,

d das Maß der Verlagerung der Anhäufung der mmj bedeutet,

V· die elektrische Leitfähigkeit des vergosse-

U ^rr~) -1 -1"

nen Metalls in pe . m j, und

ν das Maß der Wandergeschwindigkeit des magne-

r 1

tischen Feldes in [m/secj bedeutet.

Die Erfindung dient somit dem Zweck, die Reinheit von Stranggußstücken in ihrem Oberflächenbereich dadurch zu verbessern, daß die Anhäufung von nichtmetallischen Einschlüssen in die sem Bereich vermieden wird. Sie stellt ein zuverlässiges Mit- tel zur Steuerung der Wirksamkeit des magnetischen Feldes dar, durch das die Anhäufung von Einschlüssen, die sich bei nicht vorhandener elektromagnetischer Durchwirbelung in ei-

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ner 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.

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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 Bewegunqsimpuls 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 schmelzflüssiqen 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 Metal 1 leicht ein-

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gefangen werden.

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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 obenge-

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nannte Gleichung F = 35d + 26Od wiedergegeben werden kar 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

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

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PUr die Geschwindigkeit ν gilt die Beziehung

ν - 2TN,

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

Daraus ergibt sich für die elektromagnetische Kraft

^Beff.

Es wäre nun möglich, die Größe F zu verändern, indem man beispielsweise die Frequenz N und/oder die wirksame magnetische Induktion B __f 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-

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schwindigkeit ν, - auf einem konstanten Wert hält und die magnetische Induktion entsprechend der nachstehenden Beziehung steuert:

^Beff -fjTv (^{35d2 +} 26Od)) ^a/

Dabei ist es vorteilhaft, die Frequenz des Induktorstroms auf ihren optimalen Wert einzustellen, obwohl dies keine unerläßliche 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 miteinan der 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 Wunde der Kokille nach oben wandert.

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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

3 schmelzflüssigen Metall den Wert F = 4 320 N/m 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 Sc "^ . m betrug, mußte die wirksame magnetische Induktion auf 0,038 Tesla (380 Gauss) eingestellt werden.

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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 erstarrenden Gießstrangs kann von der Art der 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 Obeflächenbeschaffenheit der Produkte gegeben sind, ohne daß es zusätzlicher Vorbehandlungen, wie z.B. des Abbrennens, bedarf.

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Claims (7)

1. DR.-ING. EUGEN ViAlER DR-ING. ECKHARD WOLF
2. PATfe NTANWALTE
3. L H t. ■, I) N t R UANf A *". TIUFON; |O?1l)J«JTil/j STW I TGAMT NR 1»jOS34
4. Tlll«»«uul MCNTOK 7 STUTTOART 1, PlSCHEKSTR. 19 PotrtCMiCK ιτατ a»joo το»
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7. 7. Juli 1977

   INSTITUT DE RECHERCHES DE LA SIDERURÜIE FRANgAISE

   185, rue President Roosevelt Saint Germain-en-Laye, Yvelines (Frankreich)

   Verfahren zum kontinuierlichen Vergießen insbesondere von Stahl unter Einwirkung eines magnetischen Wanderfeldes

   Patentansprüche

   1. Verfahren zur elektromagnetischen üurchwirbelunq scnmelzflüssiger Metalle im Gießkanal einer Stranggußkokille 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

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   ORIGINAL INSPECTED

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   auf das schmelzflüssige Metall zum Zweck der Lokalisierung der Anhäufung der nicht metallischen Einschlüsse in einer gewünschten Tiefe des erstarrenden Gießstrangs so gesteuert wird, daß die auf die Volumeneinheit des schmelzflüssigen Metalls wirksame Kraftdichte der Gleichung

   F - 35d² + 26Od

   genügt, wobei die Maßeinheit für F [_Newton/mJ und für d [mmj ist.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die wirksame magnetische Induktion des Magnetfeldes so gesteuert wird, daß sie der Gleichung

   Β.«

   in der B _ff in [TeslaJ erhalten wird, die elektrische Leitfähigkeit des schmelzflüssigen Metalls in [Q ~ · m J und f die Wandergeschwindigkeit des magnetischen Feldes in |m · sec"* J bedeutet.

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   i - dm 7.7.77

   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das sich auf das schmelzflüssige Metall auswirkende Magnetfeld so in Abhängigkeit von der Tiefe der Ablagerung der nicht metallischen Einschlüsse in dem erstarrenden Gießstrang gesteuert wird, daß die wirksame magnetische Induktion der Gleichung

   ^Beff

   genügt, in der d die Tiefe der Ablagerung in [ mmJ , ^r die elektrische Leitfähigkeit des schmelzflüssigen Metalls in |2 . m J und ν die Wanderungsgeschwindigkeit des elektromagnetischen Feldes in [m . sec" J bedeutet.

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