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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Stranggießen von
Metallen, insbesondere von Stahl. Sie betrifft Im Besonderen das
elektromagnetische Rühren
beim Stranggießen
von Produkten mit länglichem
Querschnitt und genauer noch die Schaffung einer besonderen Verteilung
der Ströme
innerhalb des noch im flüssigen
Zustand befindlichen Teils des gegossenen Metalls mittels angelegter
Magnetfelder.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass unter „Produkt mit länglichem
Querschnitt" metallurgische
Produkte zu verstehen sind, deren Breite mindestens doppelt so groß ist wie
die Dicke, insbesondere Brammen, Vorbrammen, Dünnbrammen, etc.
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Das
elektromagnetische Rühren,
das im Bereich des Stranggießens
von Stahl in den frühen
70er Jahren erschienen ist, hat sich dort rapide als quasi unumgängliches
Mittel zur Kontrolle der Ströme
im Kern des erstarrenden Flüssigmetalls
durchgesetzt. Es wird darauf hingewiesen, dass das am häufigsten angewandte
Prinzip die allgemein bekannte Magnethydrodynamik (MHD) ist, die
mithilfe eines beweglichen Magnetfeldes (Dreh- oder Gleitfeld),
das von einem oder im Allgemeinen mehreren, in unmittelbarer Nähe des gegossenen
Produktes angeordneten Mehrphaseninduktoren erzeugt wird, das flüssige Metall
in der Feldbewegung mitführt.
In geeigneter Weise in Höhe
des Metallbadspiegels der Gießmaschine
angeordnet, ermöglichen
diese mit elektrischem Strom mit einstellbarer Frequenz gespeisten Induktoren
dann verschiedene, an die Bedürfnisse des
Metallarbeiters anpassbare Rührmodi.
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Zudem
zeigen die konstanten Fortschritte, die im Verständnis der Erstarrungsmechanismen
des Metalls beim Stranggießen
verzeichnet werden, die Bedeutung gerade der Umlaufbewegungen des
flüssigen
Metalls für
die Qualität
des erhaltenen erstarrten Produkts im Allgemeinen (d.h. interne
Gesundheit, Oberflächen-
oder Einschlussreinheit, Erstarrungsstruktur, etc.).
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Diesbezüglich lassen
sich die der Metallschmelze beim Stranggießen aufgeprägten Bewegungen schematisch
in zwei getrennte Kategorien einordnen, je nachdem, ob man die Kokille
oder darunter die Sekundärkühlstufen
der Gießmaschine
betrachtet.
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Die
Bewegungen, die der Metallschmelze in der Kokille da aufgeprägt werden,
wo der flüssige Metallanteil
bei weitem am größten ist,
bezwecken im Wesentlichen eine Kontrolle der Strömungen an dieser empfindlichen
Stelle. Denn genau da befindet sich die freie Oberfläche des
gegossenen Metalls, dessen innere Reinheit zum Beispiel stark von
der geometrischen Form dieser Oberfläche abhängt. Dort entsteht auch insbesondere
die erste Erstarrungshaut, deren wichtige Bedeutung sowohl für die Oberflächenqualität des erhaltenen
Gießproduktes als
auch für
die Kontrolle des Gießprozesses
selbst bekannt ist.
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Dagegen
wird mit einem Rühren
des Metalls im Erstarrungsbereich unter der Kokille, also in der Sekundärkühlzone (man
sagt eher „in
der Sekundärkühlung"), vielmehr eine
Verbesserung der internen metallurgischen Struktur des Produktes
angestrebt, und zwar durch die Entwicklung einer weitestmöglichen äquiaxialen
Erstarrung, von der man weiß,
dass sie sowohl für
die Mikroseigerung der Legierungselemente als auch insbesondere
für die
Porenfreiheit in der Mitte des gegossenen Produktes günstig ist.
Daher wird immer häufiger
auf ein elektromagnetisches Rühren
beim Stranggießen
von Brammen zurückgegriffen,
wenn es darum geht, Produkte herzustellen, die eine porenfreie innere
Gesundheit erfordern, wie zum Beispiel dicke Stahlbleche für Kesselplatten oder
dicke geschweißte
Rohre.
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Zum
besseren Verständnis
der nachfolgend dargestellten Erfindung ist hier lediglich festzuhalten, dass
es allgemein bekannt ist, wie das Schema der aus der Druckschrift
FR 72.20546 stammenden
3 zeigt,
in der Sekundärkühlung einer
Maschine zum Stranggießen
von Brammen über
lineare Induktoren
41,
41' zu verfügen, die einander gegenüberliegend
beiderseits der Breitseiten des gegossenen Produktes angeordnet
sind und Magnetfelder erzeugen, die je nach dessen Breite in Querrichtung
gleiten. Man bezweckt damit, innerhalb des flüssigen Metalls Strömungen aufzubauen,
die sich im Wesentlichen zu zwei aneinander grenzenden, gegensinnig drehenden
Schleifen entwickeln. Diese Schleifen
42,
43 bilden
sich parallel zu den Breitseiten und sind je nach Höhe des gegossenen
Produktes beiderseits einer gemeinsamen, querverlaufenden Wirkzone
des Magnetfeldes abgestuft, wobei die Strömungen jeder Schleife an einer
Schmalseite aufsteigen und an der gegenüberliegenden Schmalseite wieder
absteigen. Eine solche Bewegungskonfiguration wird klassischerweise
mit „Schmetterlingsflügel-Konfiguration" bezeichnet.
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Dabei
ist es möglich,
wie in der beigefügten
4 gezeigt,
die ihrerseits der Druckschrift
FR 2528739 entnommen
wurde, die querverlaufenden Wirkzonen
51,
52...
der Magnetfelder je nach Höhe der
Gießmaschine
zu vermehren. In diesem Fall erhalten sie paarweise entgegengesetzte
Drehrichtungen zwischen den am nächsten
beieinander liegenden Schleifen, so dass sie bei einer gegebenen
verfügbaren
Rührleistung
beispielsweise ein größtmögliches
Rührvolumen
betreffen. Auf diese Weise wird eine Bewegungstopologie in „Drei-Null-Konfiguration" gebildet, die aus
drei aneinander grenzenden, paarweise gegensinnig drehenden Schleifen
besteht: einer mittleren Schleife
60, die zwischen den
beiden querverlaufenden Wirkzonen
51 und
52 liegt,
und zwei äußeren Schleifen
61 und
62 beiderseits
der mittleren Schleife, die gleichsinnig drehen.
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Welche
Variante auch immer gewählt
wird, sie kann mit Induktoren durchgeführt werden, die sowohl hinter
den Stützrollen
der Sekundärkühlzone der
Gießmaschine
als auch zwischen diesen Rollen (
FR
2187468 ) angeordnet oder auch in diesen selbst (
FR 2187467 ) untergebracht
sind. Gleiches gilt im Übrigen
auch für
die Mittel zur Durchführung
der Erfindung, die nachstehend ausführlicher beschrieben werden.
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Historisch
gesehen sieht es so aus, als sei die Entdeckung dieser Art von Bewegungen,
die auf einer schleifenförmigen
Rezirkulation des Metalls in einer Ebene parallel zu den Breitseiten
der Bramme basiert, darauf zurückzuführen, dass
sich im Gegensatz zu länglichen
Produkten beim Stranggießen
von Flachprodukten die längliche
Querschnittsform des Produktes nicht gut für den Aufbau einer stabilen
Rotationsbewegung um die Gießachse
eignet. Dies liegt vermutlich hauptsächlich an den starken Geschwindigkeitsgradienten,
die dafür
in der Dicke eines Produktes notwendig sind, welche Dicke, was die
dicksten Produkte betrifft, kaum mehr als 20 cm beträgt.
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Eine
Konfiguration mit abgestuften Schleifen in der in den 3 und 4 gezeigten
Art, die sich in Badhöhe
parallel zu den Breitseiten des Produktes aufbaut, weist hingegen
ein solches Handikap nicht auf. Sie hat überdies den Vorteil, dass sie
einen besseren Wärmeaustausch
zwischen oberem und unterem Bereich der Gießmaschine gewährleistet.
Die oben wärmere
Metallschmelze wird durch erzwungene Konvektion mit den absteigenden
Strömen 42a und 43a nach
unten transportiert, während
durch die aufsteigenden Ströme 42b und 43b Kristallite
aus erstarrtem Metall, die sich im unteren Bereich angesammelt haben,
in den oberen Bereich eingeimpft werden, so dass die vorzeitige
Entwicklung einer breitflächigen
und regelmäßigen äquiaxialen
Erstarrung des Randbereichs bis zur Mitte des gegossenen Produktes
gefördert
wird. Diese Schleifen 42, 43 können allerdings nach oben nicht
so stark wie gewünscht
ausgebildet werden, weil sonst die freie Metalloberfläche in der
Kokille beeinträchtigt
würde. Man
weiß nämlich heute,
wie wichtig die Aufrechterhaltung des in diesem Bereich maßgeblichen
instabilen, hydrodynamischen Gleichgewichts der Strömungen in
der Kokille für
die Erzielung der Oberflächenqualität, der Qualität unter
der Oberfläche
und im Innern des gegossenen Produktes ist.
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Nun
hat sich aber gerade das Einfüllen
des Gießmetalls
von oben in die Kokille mit Hilfe eines Tauchgießrohrs mit seitlichen, zu den
Schmalseiten der Kokille offenen Austrittsöffnungen heutzutage fast allgemein
verbreitet und das gerade Tauchrohr mit nur einer axialen Austrittsöffnung verdrängt, das seitdem
fast nur noch für
lange Produkte reserviert ist. Ein wesentlicher Vorteil für die Strömungen in
der Kokille besteht darin, wie dies im Schema der 1 gezeigt
ist, dass sich der warme Flüssigmetallstrahl aus
jeder seitlichen Austrittsöffnung 27, 2T des
Gießrohrs 26 infolge
eines Abprallvorgangs an den schmalen Stirnwänden der Kokille auf natürliche Weise
in zwei Fraktionen teilt. Eine Hauptfraktion 21 ist dabei
nach unten in die Abziehrichtung des gegossenen Produktes gerichtet.
Die andere Fraktion 22 wird nach oben geleitet, derart,
dass dem Nahbereich der freien Oberfläche 23 des Metalls
in der Kokille die notwendige Enthalpie zugeführt wird, um Erstarrungsvorgänge des
gegossenen Metalls im Bereich des Meniskus zu verhindern, die oftmals
Ursache unbeabsichtigter Stillstände
beim Gießen
sind. Man bezweckt damit, in der Kokille einen sogenannten „zweischleifigen" Umlaufmodus herzustellen,
im Gegensatz zum „einschleifigen" Modus.
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Dieser
letztgenannte Modus, der in 7 dargestellt
ist, äußert sich
zunächst
darin, dass das Metall nach seinem Austritt aus den Öffnungen
des Gießrohrs
in Richtung Meniskus aufsteigt, was oftmals die Folge einer verstopfungsverhindernden
Argoneinspritzung in das Gießrohr
vom darüber
liegenden Verteiler aus ist. Dieses sofortige Aufsteigen nach oben
setzt sich dann in einer Oberflächenströmung zu
jeder Schmalseite und einem Absteigen an dieser fort. Auf diese
Weise bildet sich in der Kokille ziemlich schnell eine Kartographie
der insgesamt nach unten in Abziehrichtung des Produktes gerichteten
Geschwindigkeiten, wobei die obere Schleife 22 zur Zufuhr „warmen" Metalls zum Meniskus
fehlt.
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Der
zweischleifige Modus ist beim Gießen jedoch nur dann dauerhaft
verfügbar,
wenn sich die Gießbedingungen
dafür eignen
(Gießgeschwindigkeit,
Brammenbreite, Eintauchtiefe des Gießrohrs, Argondurchsatz als
Verstopfungsschutz, etc.). Zufallsbedingte Übergänge zum einschleifigen Modus sind
im Verlauf des Gießprozesses
möglich,
wenn sich die Bedingungen verändern,
was im Grunde allgemein der Fall ist.
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Ein
wesentlicher Aspekt im Hinblick auf die Kontrolle der zweischleifigen
Strömungen
in der Kokille besteht ferner darin, in der Kokille beiderseits des
Gießrohrs
eine sog. Links-Rechts-Symmetrie der Rezirkulationsbewegungen zum
Meniskus aufrechtzuerhalten. Es ist nämlich bekannt, dass das Auftreten
von Asymmetrien in diesem Bereich Oszillationserscheinungen im Metallbad
verursacht, welche zu unerwünschten
Rollbewegungen an der Oberfläche führen können, die
dem Bedienungspersonal auf der Gießbühne gut bekannt sind. Das heißt, es muss
dafür gesorgt
werden, dass die Teilrezirkulationsströmungen 22, 22' nach oben vor
allem zeitlich stabilisiert werden, um das Auftreten sog. Links-Rechts-Asymmetrien
zu vermeiden. Diese aufsteigenden Strömungen, die thermisch ausreichend wirksam
sein müssen,
um dem Meniskus die gewünschten
Wärmekalorien
zuzuführen,
dürfen
jedoch in hydrodynamischer Hinsicht nicht zu intensiv sein, damit
die Ersterstarrungslinie 25, die sich im Randbereich des
Meniskus an der gekühlten
Kupferwand der Kokille bildet, nicht zu stark erschüttert wird.
Die Regelmäßigkeit
dieser Ersterstarrungslinie ist nämlich eine Garantie für die Homogenität der gebildeten
Ersthaut im oberen Kokillenbereich, ohne die man unvermeidbar Gefahr
läuft,
dass infolge von Verschlackungen oder lokalen Dickenabnahmen der erstarrten
Haut Löcher
unter der Kokille entstehen.
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Einfacher
ausgedrückt
können
sich beim Gießen
mit einem Tauchgießrohr
mit seitlichen Austrittsöffnungen
während
desselben Gießvorgangs
zufällig
oder jedenfalls in nicht gewünschter
Weise Strömungen
in der Kokille ergeben, die entweder zweischleifigen Typs oder einschleifigen
Typs sind oder bei denen es sich um instabile Strömungen aufgrund sog.
Links-Rechts-Asymmetrien handelt.
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Insbesondere
wegen dieser Schwierigkeiten bei der Kontrolle der Strömungen im
oberen Bereich der Stranggießmaschinen
erschienen vor kurzem elektromagnetische Rührvorrichtungen, die in der Kokille
bereits auf die seitlichen Gießstrahlen
des Gießrohrs
einwirken. Wie in den Skizzen der beiliegenden
2a und
2b gezeigt,
die der Patentschrift
JP 57075270 entnommen
sind, werden horizontal bewegliche Magnetfelder mit Hilfe von mehrphasigen
Linearinduktoren
30a,
30b und
30a',
30b' erzeugt, die
auf den Breitseiten der Kokille
32 der Austrittsbahn der
Gießstrahlen
auf beiden Seiten des Gießrohrs
31 gegenüberliegend
angeordnet sind. Je nach Einstellung der Gleitrichtung der Felder
kann dann die Strömung
des jeweiligen Gießstrahls
abgebremst werden (Gleiten der Magnetfelder im Gegenstrom von der
Schmalseite zum Gießrohr –
3b1) oder im Gegenteil beschleunigt werden
(Gleiten mit dem Gleichstrom vom Gießrohr zur Schmalseite –
3b2). Dadurch ist es möglich, die enthalpischen Metallzufuhren
zur Oberfläche
des gegossenen Metalls zum Beispiel je nach den Gießverhältnissen
einzustellen, ohne den Strömungsmodus
in der Kokille zu beeinträchtigen,
den es prioritär
zu bewahren gilt.
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Der
vorstehende kurze Rückblick
auf den vorherigen Stand der Technik macht die Trennung, ja sogar
den Widerspruch deutlich, der beim Gießen von Produkten mit länglichem
Querschnitt zwischen Rühren
des Metalls in der Kokille einerseits und Rühren in der Sekundärkühlung andererseits
tatsächlich existiert.
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Die
vorliegende Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gestellt, ein
solches Handicap zu überwinden.
Mit anderen Worten: die auf das Stranggießen von Produkten mit länglichem
Querschnit – insbesondere
Brammen – anwendbare
Erfindung bezweckt, über
eine insgesamt entwickelte Rührbewegung
der Metallschmelze je nach Badhöhe
einen guten Austausch des noch flüssigen Metalls in beiden Richtungen
zwischen der Sekundärkühlzone und
der Kokille zu verschaffen. Dadurch ergibt sich eine sowohl thermische
als auch chemische Homogenität zwischen
oberem und unterem Bereich des Erstarrungsraums, ohne den Strömungsmodus
in der Kokille zu beeinträchtigen
und ohne dabei gegebenenfalls auf die kumulierten günstigen
Wirkungen zu verzichten, die jeweils für das Rühren in der Kokille bzw. das
Rühren
in der Sekundärkühlung charakteristisch sind.
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Eine
zusätzliche
Aufgabe der Erfindung besteht darin, zur Verbesserung der metallurgischen Qualität von Stahlsorten
beizutragen, für
die eine gute innere Gesundheit angestrebt wird, wie Stahlsorten
für Dickbleche
oder dicke, geschweißte
Rohre, ferritische Edelstähle
oder elektrisch leitende Siliziumstähle.
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Eine
andere zusätzliche
Aufgabe der Erfindung besteht darin, auf die Strömungen in der Sekundärkühlung einwirken
zu können,
um sie im Bereich der aus dem Gießrohr austretenden Gießstrahlen entweder
als Beschleunigungsmittel oder im Gegenteil als Mittel zum Abbremsen
des in die Kokille eintretenden Metalls oder auch als Mittel zu
nutzen, um der Tendenz zur sog. Links-Rechts-Asymmetrie der Metallbewegungen
innerhalb der Kokille entgegenzuwirken.
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Im
Hinblick auf diese Aufgaben betrifft die Erfindung ein elektromagnetisches
Rührverfahren
in der Sekundärkühlzone einer
Anlage zum Stranggießen
von Brammen oder gleichartigen anderen Produkten mit länglichem
Querschnitt, deren Kokille mit einem Tauchrohr mit seitlichen, zu
den Schmalseiten gerichteten Austrittsöffnungen versehen ist, welches Rührverfahren
mit Hilfe von gleitenden Magnetfeldern durchgeführt wird, welche von in der
Nähe des gegossenen
Metalls angeordneten Mehrphaseninduktoren erzeugt werden, dadurch
gekennzeichnet, dass in der Sekundärkühlzone die Bildung eines längsgerichteten
Flüssigmetallflusses
erzwungen wird, welcher im Mittenbereich des gegossenen Produktes
in Form von zwei gegenläufigen,
kolinearen Strömungen
lokalisiert ist.
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Dadurch
entsteht auf natürliche
Weise eine Gesamtzirkulation des Flüssigmetalls in der Sekundärkühlung, die
sich in Gestalt eines "vierblättrigen Kleeblatts" aufbaut, welches
zwei obere Lappen und zwei untere Lappen hat und dessen obere Lappen
in der Kokille bis an die aus den Austrittsöffnungen des Tauchgießrohrs heraustretenden
Gießstrahlen
reichen.
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Gemäß einer
Variante werden diese beiden längsgerichteten,
gegenläufigen,
kolinearen Strömungen
im Mittenbereich des Produktes sich voneinander entfernend erzeugt,
so dass die oberen Lappen, die in der Kokille bis an die aus den
Austrittsöffnungen
des Tauchgießrohrs
heraustretenden Gießstrahlen
reichen, sich im Gleichstrom mit ihnen vermischen, um sie zu verstärken.
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Gemäß einer
weiteren Variante werden diese beiden längsgerichteten, gegenläufigen,
kolinearen Strömungen
im Mittenbereich des Produktes zueinander konvergierend erzeugt,
so dass die oberen Lappen, die in der Kokille bis an die aus den
Austrittsöffnungen
des Tauchgießrohrs
heraustretenden Gießstrahlen
reichen, sich im Gegenstrom über
sie legen, um sie abzubremsen.
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Gemäß einer
besonderen Ausführung
des Verfahrens wird die Lokalisierung der längsgerichteten Strömung in
der Sekundärkühlung zu
der einen oder der anderen Schmalseite des gegossenen Produktes
hin verlagert, um der Tendenz zur Links-Rechts-Asymmetrie der Metallbewegungen
innerhalb der Kokille entgegenzuwirken.
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Gemäß einer
Durchführungsart
wird der längsgerichtete
Metallfluss im Mittenbereich des gegossenen Produktes in Form von
zwei gegenläufigen,
kolinearen Strömungen
mit Hilfe von kolinearen, beweglichen Magnetfeldern erzeugt, die
im Mittenbereich in Längsrichtung
gleiten, wobei sie sich entweder einander nähern oder sich voneinander
entfernen.
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Gemäß einer
bevorzugten Durchführungsart wird
der längsgerichtete
Metallfluss im Mittenbereich des gegossenen Produktes in Form von
zwei gegenläufigen,
kolinearen Strömungen
mit Hilfe von kolinearen, beweglichen Magnetfeldern erzeugt, die
je nach Breite des gegossenen Produktes in Querrichtung gleiten,
wobei sie sich vom Rand zur Mitte des gegossenen Produktes einander
nähern
oder sich vom Rand zur Mitte des gegossenen Produktes voneinander
entfernen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Durchführungsart
werden die gleitenden Magnetfelder mit Hilfe von mehrphasigen Linearinduktoren
erzeugt, die den Breitseiten des gegossenen Produktes gegenüberliegend
angeordnet werden.
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Alternativ
werden die Induktoren mit elektrischen Strömen unterschiedlicher Stromstärken gespeist,
um die Einwirkung auf die beiden gegenläufigen, kolinearen Metallströmungen,
die von den von ihnen generierten Magnetfeldern erzeugt werden, unterschiedlich
zu regeln.
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Unter „kolinearem" Gleiten der Magnetfelder oder
der Metallströmungen
ist zu verstehen, dass die Magnetfelder oder die Metallströmungen nicht
parallel zueinander, sondern auf der gleichen Linie gleiten, genau
wie zwei kolineare Vektoren im Vergleich zu zwei parallelen Vektoren.
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Es
versteht sich also, dass die Erfindung hinsichtlich ihrer wesentlichen
Grundlagen darin besteht, in der Sekundärkühlzone ein Rührkreuz
mit zwei Querbalken und zwei Längsbalken
zu bilden. Die Querbalken (oder horizontalen Balken, wenn davon
ausgegangen wird, dass die Gießachse vertikal ist)
erstrecken sich je nach der Breite des gegossenen Produktes, die
beiden Längsbalken
(oder vertikalen Balken) erstrecken sich in den (zumeist axialen)
Mittenbereich des gegossenen Produktes.
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Und
durch die Bildung eines solchen Rührkreuzes in der Sekundärkühlung entsteht
aufgrund der vierlappigen Rezirkulationsströmungen im Erstarrungsraum eine
Gesamtkonfiguration der Bewegungen, die auch den Bereich der Kokille
betrifft, so dass die von der Erfindung angestrebten vorgenannten
Aufgaben erfüllt
sind.
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Anhand
der nachfolgenden Beschreibung soll unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung die
Erfindung verständlich
gemacht und weitere Aspekte verdeutlicht werden.
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Die 1 bis 4 sind
repräsentativ
für den
bereits vorher betrachteten Stand der Technik. Genauer gesagt zeigen:
- – 1 ein übliches
Schema, das in groben Zügen
im Vertikalschnitt parallel zu den Breitseiten der Kokille die bekannte
Kartographie der Zirkulationsbewegungen des flüssigen Metalls darstellt, welches über ein
Tauchgießrohr
mit seitlichen, zu den seitlichen Schmalseiten offenen Austrittsöffnungen
in eine Kokille zum Stranggießen
von Brammen eintritt;
- – 2a, 2b1 und 2b2 in
zwei Ansichten (links perspektivisch und rechts im Querschnitt) Darstellungen
bekannter elektromagnetischer Rührmodi
in einer Kokille zum Stranggießen
von Brammen mit einem Tauchgießrohr
mit seitlichen Austrittsöffnungen
unter Verwendung von linearen Mehrphaseninduktoren (cf. 1),
die beiderseits des Tauchgießrohrs
auf jeder Breitseite angeordnet sind und Magnetfelder erzeugen,
die paarweise gegensinnig auf derselben Breitseite horizontal gleiten,
entweder in gleicher Richtung wie der Gießstrahl (2b2) oder in entgegengegengesetzter Richtung (2b1, und 2a);
- – 3 ein
vereinfachtes Schema, das perspektivisch eine Bramme während des
Stranggießens in
der Sekundärkühlzone der
Gießmaschine
zeigt. Diese Zone ist mit zwei Linearinduktoren versehen, die beiderseits
des Produktes je nach dessen Breite einander gegenüberliegend
angeordnet sind und ein horizontal gleitendes Magnetfeld erzeugen
für einen
elektromagnetischen Rührmodus
in der Gestalt von „Schmetterlingsflügeln", der zum Beispiel
aus der vorgenannten FR 2187467 bekannt
ist;
- – 4 ein
analoges Schema zum vorhergehenden der 3, das jedoch
einen elektromagnetischen Rührmodus
in Gestalt einer „dreifachen Schleife" zeigt, so wie er
zum Beispiel durch die Anwendung der Lehre der oben erwähnten FR 2528739 realisiert ist.
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Die
anderen 5 bis 9 beziehen
sich auf die Erfindung. Genauer gesagt zeigen:
- – 5 ein
allgemeines Schema, im vertikalen Axialschnitt parallel zu den Breitseiten
einer Kokille zum Stranggießen
von Brammen gesehen, welche Kokille mit einem Tauchgießrohr mit
seitlichen, zu den seitlichen Schmalseiten offenen Austrittsöffnungen
versehen ist; das Schema zeigt das allgemeine Rührprinzip in Gestalt eines vierblättrigen
Kleeblatts in der Sekundärkühlzone nach
einer der beiden Durchführungsarten
der Erfindung, bei der sich die längsgerichteten, gegenläufigen Strömungen voneinander
entfernen, sowie die daraus resultierende Kartographie der Zirkulationsbewegungen
des flüssigen
Metalls innerhalb dieser Zone, unmittelbar unterhalb der Kokille;
- 6 ein Schema analog zu 5, jedoch
bei einem Strömungsmodus
in der Kokille in Gestalt einer „einfachen Schleife" und nicht „zweifachen Schleife";
- – 7a ein
Schema, das auf der Basis einer Reproduktion der 5 ein
Mittel zur Durchführung des
Rührmodus
in Gestalt eines vierblättrigen Kleeblatts
unter Verwendung von Linearinduktoren mit horizontal gleitendem
Magnetfeld zeigt;
- – 7b ein
Schema analog zu 7a, das jedoch eine andere Ausführungsart
dieser Durchführung
der Erfindung zeigt, und zwar diesmal unter Verwendung von Linearinduktoren
mit vertikal gleitendem Magnetfeld;
- – 8 ein
Schema, das ebenfalls auf der Basis einer Reproduktion der 5 eine
bevorzugte Ausführungsart
der Erfindung zeigt, bei der eine weitere Zirkulation in Gestalt
einer „zweifachen Schleife" in der Kokille zustande
kommt, und zwar unter Verwendung von Linearinduktoren mit horizontal
gleitendem Magnetfeld, das direkt auf die aus den Öffnungen
des Gießrohrs
austretenden Gießstrahlen
einwirkt;
- – 9 die
andere Ausführungsvariante
der Erfindung, bei der nicht mehr konvergierende, sondern divergierende,
gegenläufige,
längsgerichtete Strömungen im
Mittenbereich des gegossenen Produktes erzeugt werden.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die 1 bis 4 dazu
dienten, den bereits zu Beginn dieser Beschreibung abgehandelten
Stand der Technik darzustellen. Im folgenden wird deshalb nicht
weiter darauf eingegangen.
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In
den 5 bis 9, die den Rührmodus in der Sekundärkühlung repräsentieren,
der für
die Erfindung in den beiden genannten Varianten (im Mittenbereich
konvergierend oder divergierend) charakteristisch ist, sind die
gleitenden Magnetfelder ebenso wie die Linearinduktoren, die sie
erzeugen, durch dicke vertikale oder horizontale Pfeile dargestellt.
Die erzeugten Konvektionsbewegungen sind ihrerseits durch ihre Hauptbahnen
in Form von Strichen mit Pfeilspitzen dargestellt, die die Zirkuiationsrichtung der
Konvektionsbewegungen auf der Bahn angeben. Die durchgezogenen Striche
stellen aktive Konvektionszonen dar, d.h. Zirkulationszonen, die
der Wirkung gleitender Magnetfelder ausgesetzt sind. Die unterbrochenen
Striche stellen passive Konvektionszonen dar, anders ausgedrückt Rezirkulationszonen, die
zwangsläufig
komplementär
zu den vorhergehenden sind, um die Schleifenbildung der Bewegungen zu
gewährleisten.
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In
diesen Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Zeichen versehen.
Um bestimmte Figuren nicht unnötig
zu überladen,
wurden gegebenenfalls sich wiederholende Zeichen nicht eingetragen,
um die in diesen Figuren dargestellten wesentlichen Elemente der
Erfindung deutlicher herauszustellen.
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In
jeder Figur ist eine Kokille 1 zum Stranggießen von
Brammen dargestellt, an die sich unten die Zone 2 zur Sekundärkühlung der
Gießmaschine anschließt, die
hier absichtlich keine Stützrollen
hat, um die Klarheit der Zeichnung nicht zu beeinträchtigen.
Da die Ansichten in einer Ebene parallel zu den Breitseitenwänden der
Kokille ausgeführt
sind, sind in 3 und 3' nur die Schmalseitenwände sichtbar,
die die Schmalseiten 18, 18' des gegossenen Produktes 6 bestimmen.
Da die Breitseiten in der Ebene der Figuren liegen, sind sie in
den Figuren nicht beziffert. Um mehr Klarheit zu verschalten, wird
außerdem
mit 6 in gleicher Weise sowohl die gegossene Bramme selbst
als auch ihr noch flüssiger
Kern bezeichnet, der allgemein Erstarrungsbereich genannt wird.
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Ein
Tauchgießrohr 4,
das mittig auf der Gießachse
A angeordnet ist (welche hier klassischerweise mit der Längsachse
des gegossenen Produktes zusammenfällt), versorgt die Kokille
mit Metallschmelze aus einem darüber
liegenden, nicht dargestellten Verteiler. Dieses Tauchrohr ist mit
seitlichen Austrittsöffnungen 5 und 5' versehen, die
jeweils einander gegenüberliegend
zu den Schmalseiten 3 bzw. 3' gerichtet sind. Das Format des
gegossenen Produktes wird durch die Innenmaße der Kokille bestimmt, die
den Gießraum
definieren, in den die Metallschmelze in Form von Gießstrahlen 7, 7' eintritt, welche
klassischerweise in einer mehr oder weniger horizontalen oder geringfügig nach
unten geneigten Richtung aus den Öffnungen des Tauchrohrs 4 austreten.
Das gegossene Produkt bewegt sich also von oben vom Bereich des
Meniskus 8 aus nach unten in Abziehrichtung der Gießmaschine
senkrecht oder einer bogenförmigen
Bahn folgend in einer orthogonalen Ebene zur Ebene der Figur mit
einer Abziehgeschwindigkeit (Gießgeschwindigkeit) von gewöhnlich etwa
einem Meter pro Minute vorwärts.
Im Verlauf seiner Bewegung erstarrt es nach und nach vom Rand bis
zur Mitte durch Entzug seiner inneren Wärme, zunächst in der Kokille 1 im
Kontakt mit den gekühlten
Kupferwänden
und dann in der Sekundärkühlzone 2 unter
der Einwirkung von Wasserberieselungsrampen.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass man die Metallbadhöhe (oder Tiefe des Erstarrungsraums) klassischerweise
definiert als die Maßdifferenz
auf der Vertikalen zwischen der Höhe der freien Oberfläche des
gegossenen Metalls in der Kokille (oder Meniskus) und der Höhe des Erstarrungsraumbodens im
unteren Bereich der Sekundärkühlzone,
dort, wo sich die sich ausbildenden Erstarrungsfronten treffen, die
sich auf jeder der Breitseiten des gegossenen Produktes mit fortschreitender
Erstarrung bilden.
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Ungefähr drei
oder vier Meter unter dem Meniskus 8, also innerhalb der
Sekundärkühlzone 2, wird
auf der Längsachse
des Produktes (die mit der Gießachse
A zusammenfällt)
willkürlich
ein Punkt P festgelegt, der als Mittelpunkt des erfindungseigenen Rührkreuzes 9 bezeichnet
wird. Dieses Rührkreuz 9 ist
ein Kreuz mit vier paarweise kolinearen Balken: zwei Längsbalken
(hier vertikal) 10a, 10b, die ein mit der Gießachse fluchtendes
Paar bilden, und zwei Querbalken (hier horizontal) 11a, 11b,
die sich je nach der Breite des gegossenen Produktes erstrecken.
In jedem der beiden Balken eines Paars fließt das flüssige Metall in paarweise entgegengesetzte Richtungen.
Außerdem
ist der Metallfluss in einem Paar entgegengesetzt zu dem im anderen
Paar.
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Aufgrund
des zwangsweise "fertigen" Abmessungscharakters
des gegossenen Produktes sind diese Balken wie ersichtlich in gewisser
Weise durch Rezirkulationsschleifen miteinander verbunden, um eine
Gesamtströmung
zu bilden, die sich in der Ebene des Breitseiten des gegossenen
Produktes in der Gestalt eines vierblättrigen Kleeblatts ausbildet,
wobei die Blätter
Lappen L1, L2, L3, L4 darstellen, von denen sich die beiden oberen,
L1 und L4, in der Kokille bis in Höhe der austretenden Gießstrahlen 7 und 7' erstrecken.
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Gemäss dem in
den 5 bis 8 dargestellten Rührmodus
ist die Konvektion im vertikalen Balkenpaar also "divergierend". Die Metallströme gehen
ab dem Mittelpunkt P auseinander. Der eine Strom 10a fließt zur darüber liegenden
Kokille 1 hoch, der andere 10b fließt in Abziehrichtung
des gegossenen Produktes nach unten zum Abschluss des Erstarrungsraums
hin. Im horizontalen Balkenpaar 11a, 11b ist die
Konvektion des Metalls "konvergierend": die Metallströme bewegen
sich in Richtung Strömungsmittelpunkt
P zueinander, indem sie von den seitlichen Schmalseiten des Produktes
zur Längsachse
A fließen.
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Die
diese Balken bildenden Metallströme werden
wie bereits gesagt von gleitenden Magnetfeldern erzeugt, die ihrerseits
von Linearinduktoren erzeugt werden, welche in unmittelbarer Nähe des gegossenen
Produktes seinen Breitseiten (vorzugsweise beiden Seiten) gegenüberliegend
angeordnet sind. Selbstverständlich
ist es unnötig,
dass beide Balkenpaare gleichzeitig von den Magnetfeldern angesteuert
werden. Ein Paar genügt,
zum Beispiel die vertikalen Balken 10a, 10b, wobei
das andere Paar auf natürliche
Weise zum Sitz einer Rückrezirkulation wird,
da der Mittelpunkt P wie ein Stromdurchgangsknoten arbeitet, der
die Massenströme
und Bewegungsmengen beibehält,
und umgekehrt.
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Bei
diesem ersten Rührmodus
der Erfindung müssen
allerdings die vertikalen Balken 10a und 10b ein
Auseinanderfließen
zulassen, wie in den 5 bis 8 gezeigt.
In den oberen Lappen L1 und L4 in der Nähe der Kokille steigt das Metall
dann zur Mitte auf und fließt
an den Schmalseiten. herunter, und umgekehrt in den unteren Lappen
L2 und L3.
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Unter
diesen Bedingungen werden durch die Durchführung der Erfindung die Metallaustausche zwischen
oberem und unterem Bereich des Erstarrungsraums maximiert. Denn
zum einen findet die schleifenförmige
Zirkulation des Metalls in einem beliebigen Lappen in entgegengesetzter
Richtung zu der statt, die sich in den beiden am nächsten beieinander
liegenden Lappen aufbaut. Zum anderen wird die Stärke der
Gießstrahlen 7, 7' durch den im Gleichstrom
aufsteigenden mittigen Strom 10a systematisch verstärkt, wobei
die Rezirkulationsschleifen L5 und L6 in der Kokille in Richtung
Meniskus 8 ihrerseits dann auch verstärkt werden. Somit ist der zweischleifige
Modus L5, L1, L4 und L6 in der Kokille darüber hinaus stabilisiert.
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Auf
diese Weise wird klar, dass ein beliebiges Flüssigmetallelement (das in Gedanken
an einer beliebigen Stelle der Metallbadhöhe isoliert wird), sich durch
willkürliche
Benutzung sukzessiver aufsteigender oder absteigender Strömungen mit
hoher Wahrscheinlichkeit mindestens einmal in der Kokille befinden
wird, bevor es wieder absteigt, falls es sich anfänglich in
der Sekundärkühlzone befindet,
und umgekehrt, falls es anfänglich
in der Kokille gewählt wird,
wobei es zwangsweise insgesamt mit einer der Gießgeschwindigkeit entsprechenden
mittleren Geschwindigkeit nach unten in die Abziehrichtung bewegt
wird. Mit anderen Worten: durch diese Durchführung der Erfindung wird der
Metallschmelzeaustausch zwischen den warmen Bereichen der Kokille und
den kälteren
Bereichen der Sekundärkühlung maximiert,
und zwar indem in der Kokille die bekannten Mittel eingesetzt werden,
um dort den zweischleifigen Modus zu stabilisieren.
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Ein
solcher Austausch trägt
insbesondere zu einer besseren Ableitung der überschüssigen Wärme sowie zur Herbeiführung einer
frühen
und umfassenden äquiaxialen
Erstarrung bei, wobei keine Gefahr besteht, dass der Strömungsmodus
in der Kokille beeinträchtigt
wird, sondern im Gegenteil die Stabilität der Links-Rechts-Asymmetrie
der Bewegungen beiderseits des Giessrohrs verstärkt wird, egal, welcher lokale
Modus vorliegt: zweifache Schleife (vgl. 5) oder
einfache Schleife (vgl. 6), d.h. indem dem natürlichen
willkürlichen
Trend zum Übergang
von einem Modus zum anderen entgegengewirkt wird.
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Wie
bereits gesagt werden die Balken 10 und 11 des
Rührkreuzes 9 durch
an diesen Stellen einwirkende gleitende Magnetfelder erzeugt. Deren
Kraftlinien sind orthogonal zur Oberfläche des gegossenen Produktes
oder weisen zumindest eine orthogonale Hauptkomponente auf, um die
elektromagnetische Kopplung mit der Schmelze zu maximieren.
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Es
ist allgemein bekannt, dass solche Felder leicht mit herkömmlichen
mehrphasigen Linearinduktoren erzeugt werden können.
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7a stellt
eine erste Durchführungsart
der Erfindung dar, bei der beiderseits des Gießrohrs zwei identische Linearinduktoren 12 und 13 horizontal
auf gleicher Höhe
oben auf der Gießmaschine
angeordnet (kolineare Induktoren) und gegensätzlich geschaltet sind, so
dass kolineare Magnetfelder erzeugt werden, die je nach Breite des
gegossenen Produktes quer von den Schmalseiten 18, 18' zur Mitte gleiten.
Diese Induktoren sind mit Vorteil so dimensioniert, dass sie jeweils
ein gleitendes Magnetfeld an einem aktiven Konvektionsbalken (11a oder 11b)
erzeugen, dessen Länge
etwas geringer ist als die Hälfte
der halben Breite der gegossenen Bramme 6.
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In
diesem Fall wird die Rührkraft
von den konvergierenden Querbalken 11a, 11b des
Rührkreuzes
geliefert, während
sich die in Längsrichtung fließenden Ströme 10a, 10b nach
Passieren des Konfluenzpunktes P ergeben.
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7b erläutert eine
zweite Durchführungsart
der Erfindung, die hinsichtlich der erzielten Wirkungen der vorhergehenden
entspricht. Bei dieser zweiten Variante sind die entgegengesetzt
geschalteten kolinearen Linearinduktoren 14 und 15 vertikal auf
der Gießachse
angeordnet. Dadurch werden diesmal die Längsbalken 10a und 10b direkt
angesteuert (deren Anwesenheit innerhalb der Sekundärkühlung die
Grundlage selbst der Erfindung darstellt), wobei der obere Induktor 14 ein
Magnetfeld erzeugt, das zum oberen Bereich der Gießmaschine in
Richtung Kokille gleitet, während
der untere Induktor 15 ein Magnetfeld erzeugt, das nach
unten in Richtung Boden des Erstarrungsbereichs gleitet.
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8 stellt
eine bevorzugte Ausführungsart der
Erfindung dar. Dabei wird der obere Rand der die Gießstrahlen
verstärkenden,
oberen Rezirkulationslappen L1 und L4 in aktive Konvektionszonen
umgewandelt. Dazu werden den beiden Induktoren, die in der Sekundärkühlung zur
Bildung des Rührkreuzes bereits
vorhanden sind, zwei weitere Linearinduktoren 16, 17 mit
horizontalen Gleitfeldern hinzugefügt, die kolinear beiderseits
des Gießrohrs 4 in
Höhe der aus
den Öffnungen 5 und 5' austretenden
Gießstrahlen 7 und 7' angeordnet
sind und im Gleichstrom mit diesen Strahlen vom Gießrohr zu
den Schmalseiten 3, 3' der Kokille 1 gleiten.
Der Konvergenzeffekt zwischen den Strahlen und dem von unten aufsteigenden,
mittigen Strom wird dadurch weiter verstärkt, und damit auch die örtlichen
zweilschleifigen Bewegungsverhältnisse
in der Kokille.
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9,
analog zu 5, unterscheidet sich jedoch
dadurch grundlegend davon, dass die Zirkulationsrichtungen des Metalls
in jedem der vier Balken des Rührkreuzes 9 umgekehrt
sind. 9 stellt somit die zweite Hauptvariante bei der
Durchführung
der Erfindung dar, bei der längsgerichtete,
gegenläufige, kolineare
Strömungen 20a, 20b im
Mittenbereich des gegossenen Produktes 6 erzeugt werden,
die diesmal in Richtung Punkt P so zueinander konvergieren, dass
eine Gesamtzirkulation des flüssigen
Metalls entsteht, die sich in der Kokille durch an den Schmalseiten 18, 18' aufsteigende
Ströme
bis in Höhe
der aus den Auslassöffnungen 5, 5' des Gießrohrs austretenden
Gießstrahlen 7, 7' erstreckt,
denen sie im Gegenstrom entgegenwirken, um sie abzubremsen.
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Es
ergibt sich dann insgesamt eine Rührkonfiguration in der Sekundärkühlung mit
vier Strömungslappen
L1 bis L4, bei der sich die Schleifen im Vergleich zur ersten Variante
in entgegengesetzter Richtung drehen. Aufgrund der antagonistischen
Wirkung der oberen Lappen L1 und L4 auf die Gießstrahlen 7 und 7' sind allerdings
die Rückströmungen des
Metalls nach unten in den Mittenbereich des Erstarrungsraums im
Querschnitt des Produktes schwächer
kanalisiert und eingegrenzt und viel diffuser und breit gestreuter
als in der ersten Variante.
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Es
versteht sich, dass diese beiden Hauptvarianten in Wirklichkeit
nur verschiedene, ergänzende Aspekte
derselben Erfindung sind, die bei der Durchführung des Rührverfahrens zusammen vorliegen können. Die
Gleitrichtungen der einwirkenden Magnetfelder lassen sich in der
Tat leicht dynamisch modifizieren, zum Beispiel durch Umpolung der
Induktoren, die sie erzeugen, so dass die Strömungen der Gießstrahlen 7, 7' bei einem in
der Sekundärkühlung weit
von diesen Strahlen entfernt stattfindenden Rührvorgang nach Bedarf abgebremst
oder beschleunigt werden können.
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Man
sieht also, dass ein wesentliches Interesse der Erfindung darin
besteht, dass ein guter Oben-Unten-Austausch im Erstarrungsraum
gewährleistet
wird und dabei gleichzeitig aus der Ferne auf die Gießstrahlen
in der Kokille eingewirkt werden kann, und zwar mit Hilfe eines
einfachen, rustikalen Aufbaus einer elektromagnetischen Rühreinrichtung, deren
Komponenten im Handel erhältlich
sind.
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Die
Erfindung besteht demnach letztendlich darin, die derzeit verfügbaren elektromagnetischen Rührmittel
sinnvoll zu nutzen, um in der Sekundärkühlzone eine Längsteilung
des Produktes in zwei nebeneinander liegende Stränge zu realisieren und in jedem
Strang eine schmetterlingsflügelartige
Rührkonfiguration
aufzubauen. Dadurch entsteht in der Sekundärkühlzone ein vierlappiges Strömungssystem,
dessen Herzstück
das Rührkreuz 9 mit
seinem Mittelpunkt P ist.
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Aus
naheliegenden Symmetriegründen
erfolgt diese Teilung in zwei Stränge vorzugsweise auf der halben
Breite des gegossenen Produktes, d.h. an dessen Längsachse
entlang, da diese Achse gewöhnlich
mit der Gießachse
zusammenfällt.
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Es
genügt
allerdings, ein Ungleichgewicht in den Rührkräften zwischen den beiden Querbalken 11a, 11b herbeizuführen, zum
Beispiel durch eine unterschiedliche Regelung der Stromstärken der
die Induktoren 12, 13 speisenden elektrischen
Ströme,
um die Mittenlage des Mittelpunks P seitlich zu der einen 5 oder
anderen Schmalseite 5' zu
verschieben und auf diese Weise auf einer Seite des Gießrohrs eine selektivere
Wirkung auf die Bewegungen in der Kokille als auf der anderen Seite
zu erzielen.
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Ebenso
ermöglicht
ein entsprechendes Ungleichgewicht in den Längsbalken 10a, 10b bei
einer gegebenen Rühreinrichtung
eine Verschiebung des Mittelpunkts P des Rührkreuzes nach oben oder nach
unten, ohne die Lage dieser Einrichtung auf der Gießmaschine
modifizieren zu müssen.
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Will
man jedoch auf diese beiden möglichen Verstellungen
der Lage des Mittelpunkts P des Rührkreuzes zusammen einwirken,
muss die Sekundärkühlung mit
einer Rühreinrichtung
mit vier Induktoren versehen werden, um jeden der vier Balken 10a, 10b, 11a und 11b elektromagnetisch
ansteuern zu können.
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Unabhängig von
der jeweils gewählten Durchführungsart
sorgt die Erfindung für
ein komplettes Rühren
des Metalls über
die Metallbadhöhe,
das sowohl eine thermische als auch chemische Homogenität zwischen
oberem und unterem Bereich des Erstarrungsraums gewährleistet,
ohne dabei auf die günstigen
Wirkungen zu verzichten, die für
Rührvorgänge in der
Kokille bzw. in der Sekundärkühlzone charakteristisch
sind, und ohne den örtlichen
Strömungsmodus
in der Kokille zu beeinträchtigen,
der gegebenenfalls sogar stabilisiert wird.
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Es
versteht sich von selbst, dass sich die Erfindung nicht auf die
oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern vielmehr eine
Vielzahl von Varianten und äquivalenten
Ausführungen
betrifft, wenn ihre in den nachfolgenden Ansprüchen gegebene Definition eingehalten
wird.
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So
haben zum Beispiel die einzusetzenden Linearinduktoren klassischerweise
eine ebene Struktur, aber dieser Anordnung wird lediglich ein Vorzug gegeben.
In Frage kommen können
auch bogenförmig
ausgebildete Induktoren, die sich möglichst gut an die Oberflächenform
der Bramme anschmiegen lassen, da, wo die Induktoren über die
Metallbadhöhe verteilt
angeordnet sind.