DE69530567T2

DE69530567T2 - Verfahren und vorrichtung zum kontinuierlichen giessen von metallschmelze

Info

Publication number: DE69530567T2
Application number: DE69530567T
Authority: DE
Inventors: Shigeo Asai; Takehiko Futtsu-shi TOH; Kiyoshi Futtsu-shi WAJIMA; Kenzo Futtsu-shi SAWADA; Eiichi Futtsu-shi TAKEUCHI; Kensuke Aichi-gun SASSA; Tingju. C/O Dalian Univ.Technology Li
Original assignee: Asai Shigeo Nagoya; Nippon Steel Corp
Current assignee: Asai Shigeo Nagoya; Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-08-23
Filing date: 1995-08-23
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2015-08-24
Also published as: US6336496B1; CN1046448C; EP0729798A4; KR960705643A; DE69530567D1; US5722480A; WO1996005926A1; EP0729798A1; EP0729798B1; AU680154B2; AU3264895A; CN1134125A; BR9506331A; KR100202040B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Gießen einer Metallschmelze und insbesondere ein Verfahren zum kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen einer Metallschmelze unter wiederholtem Ändern einer Eigenschaft wie der Amplitude, Frequenz oder Phase eines zu beaufschlagenden Wechselstroms, so dass auf die Metallschmelze eine elektromagnetische Kraft aufgebracht wird, um die Schmelze von der Kokille zu trennen und damit die Instabilität einer anfänglichen Erstarrung beim Durchführen eines Schmiervorgangs zwischen Kokille und Stahlschmelze zu unterdrücken sowie eine Verbesserung der Oberflächenqualität zu erreichen.
STAND DER TECHNIK
Beim kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen wird allgemein ein Pulver auf die Oberfläche des Schmelzbads in einer Kokille gegeben. Das Pulver wird durch die Hitze der Schmelze geschmolzen und es wird durch die relative Bewegung der nach oben und unten oszillierenden Kokillenwand und das Ausziehen der erstarrten Schale mit konstanter Geschwindigkeit bewirkt, dass das geschmolzene Pulver in den Spalt zwischen Wand und Schale gelangt. Der Gießspiegel und das vordere Ende der erstarrten Schale werden durch den beim Eintrag des geschmolzenen Pulvers erzeugten dynamischen Druck verformt. Da die Verformung während des Kokillenoszillationszyklus wiederholt stattfindet, bilden sich periodische Schrumpfungen, so genannte Oszillationsmarken, auf der Oberfläche des gegossenen Produkts.
Es ist bekannt, dass die Bildung regelmäßiger Oszillationsmarken mit einer Tiefe von üblicher Größe zur Stabilisierung des Gießprozesses und der Oberflächenqualität der Gussbramme beiträgt. Weisen jedoch die Oszillationsmarken eine zu große Tiefe auf, so können Oberflächenfehler in der Gussstrangoberfläche entstehen. Neben dem Problem, dass die Marken als solche zu tief sind, gibt es weitere Probleme dahingehend, dass eine positive Ni-Seigerung im Grundbereich der Marken verursacht wird und beim Stranggießen von Austenitstahl die Brammenoberfläche nachgearbeitet werden muss sowie eine erhöhte Anzahl von Blasen und Einschlüssen in den Marken selbst beim Gießen von gewöhnlichem Stahl zu verzeichnen ist. In gewissen Fällen ist sogar das Ausbringen an Brammen reduziert.
Andererseits wurde beim Stranggießen eines Metalls zu Produkten kleinerer Querschnittsabmessungen, beispielsweise Knüppeln, anstelle von Pulver früher bereits Rapsöl verwendet. Bei diesem Stranggießen von Metall zu kleineren Produkten, wo das Gießen ohne Tauchrohr erfolgt, kann Pulver nicht eingesetzt werden, weil es vom Gießstrom mitgerissen wird. Es ist bekannt, dass Rapsöl im Gießspiegel unter Bildung von Graphit verbrennt, was ein Anbacken der erstarrten Schale an der Kokillenwand verhindert. Es ist jedoch schwierig, regelmäßige ausgeprägte Oszillationsmarken auf der Oberfläche der resultierenden Stranggussbramme zu erzielen. Die Stabilität des Giessprozesses und der Oberflächenqualität des Produkts ist im Vergleich zur Giessstabilität bei Verwendung von Gießpulver beeinträchtigt.
Als Verfahren zur Steuerung der Anfangserstarrung wie vorbeschrieben wird in der Japanischen Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 52-32824 vorgeschlagen, die Oberflächenbeschaffenheit von Gussbrammen beim kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen dadurch zu verbessern, dass eine Metallschmelze 2 zusammen mit einem Schmiermittel 4 in eine wassergekühlte Kokille 1 vergossen wird, die in einem konstanten Zyklus oszilliert und nach unten zieht, wobei einer wie aus 2 ersichtlich um den Umfang der Kokille herumgelegten Elektromagnetspule 5 kontinuierlich ein Wechselstrom zugeführt wird, so dass die vom elektromagnetischen Wechselstromfeld erzeugte Elektromagnetkraft die Metallschmelze 2 in eine konvexe Kurve verformt. Weiter schlägt die Japanische Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 64-83348 ein Verfahren zur weiteren Verbesserung der Oberflächenqualität beim Gießen mit Gießpulver vor, bei dem zum Zeitpunkt des Aufbringens einer elektromagnetischen Kraft auf eine Metallschmelze in einer Kokille mittels einer Elektromagnetspule ein intermittierendes Wechselstrommagnetfeld in Impulsform aufgebracht wird, wie dies die 3 zeigt.
Gemäß der Japanischen Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 52-32824 werden die Oberflächeneigenschaften der Gussbramme dadurch verbessert, dass mittels einer Elektromagnetspule eine elektromagnetische Kraft kontinuierlich auf eine Metallschmelze in einer Kokille aufgebracht wird. Das beaufschlagte Magnetfeld jedoch verändert nicht nur die Gießspiegelkonfiguration, sondern erhitzt auch noch die in der Kokille in der Erstarrung begriffene Metallschmelze. Dies hat zur Folge, dass die Anfangserstarrung nicht wie gefordert stabil abläuft. Weiter ist der Japanischen Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 64-83348 entnehmbar, dass beim intermittierenden Aufbringen einer elektromagnetischen Kraft auf eine Metallschmelze in einer Kokille mit Elektromagnetspule der Eintrag von Pulver zwischen die erstarrte Schale und die Kokillenwand beschleunigt und die Oberflächenqualität der Gussbramme verbessert wird. Bei den schnellen EIN-AUS- Wechseln wie in 3 dargestellt jedoch wird manchmal eine Wellenbewegung an der Oberfläche des Metallbads erzeugt. Diese Wellenbewegung stellt ein Problem insofern dar, als sie in Nichtstromphasen bestehen bleibt, so dass eine Turbulenz des Gießspiegels stattfindet und die Beaufschlagung der elektromagnetischen Kraft störend beeinflusst, wobei zuweilen im Extremfall sogar Pulver in der erstarrten Schale eingeschlossen wird. Andererseits müssen in einem kontinuierlichen Prozess, bei dem ein Schmiermittel wie ein zwischen der erstarrten Schale und der Kokille als Flüssigphase aus dem Gießspiegel fließendes Pulver nicht verwendet wird, der Gießablauf und die Oberflächenbeschaffenheit der Gussbramme soweit verbessert werden, dass diese denjenigen nach einem Gießen mit Pulver entsprechen.
Weiter beschreibt die Japanische Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 2-37943 ein Verfahren zur Verbesserung der Oberflächenqualität ohne Einsatz eines konventionellen Schmiermittels wie Pulver oder Rapsöl, bei dem die Erstarrung auf einem unter dem Gießspiegel liegenden Niveau eingeleitet wird, so dass eine Turbulenz des Gießspiegels ausgeschlossen ist. Bei diesem Verfahren wird ein Feuerfestmaterial mit einer vorgegebenen elektrischen Leitfähigkeit wie beispielsweise Graphit bzw. Tonerdegraphit für die Herstellung der Kokille verwendet und die Kokille für die Erzeugung von Wärme mittels einer um diese herumgelegten Elektromagnetspule versehen, damit das Erstarrungsniveau des Stahls gesteuert wird. Damit ermöglicht dieses Verfahren ein kontinuierliches Gießen mit Erstarrung der Metallschmelze unter der Schmelzenoberfläche. Erstarrt nach dem vorgenannten Patent eine Metallschmelze auf einer erhitzten Kokillenwand, so besteht unmittelbar vor dem Bereich, in welchem in Ausziehrichtung der Gussbramme eine vollständige Festphase entsteht, unvermeidlich eine koexistierende Fest-Flüssig-Phase. Da der koexistierende Fest-Flüssig-Phasenbereich keine ausreichende Festigkeit aufweist, bleibt dieser Abschnitt beim Ausziehen des Gießbrammenstrangs gelegentlich separiert. Somit ist es unmöglich gewesen, einen stabilen Gießbetrieb zu gewährleisten. Wie vorerwähnt, erfolgt das Aufbringen elektromagnetischer Kraft auf die Metallschmelze auch zu dem Zweck, den Kontaktdruck zwischen Metall und Kokille, d.h. den Kontaktwiderstand zwischen diesen, zu verringern. Wird die Kraft zum Stabilisieren der Anfangserstarrung erhöht, so nehmen die in der Kokille und im Metall erzeugten Wärmemengen zu mit dem Ergebnis, dass eine Stabilisierung nicht erreicht wird.
Die EP-0 117 067 beschreibt ein elektromagnetisches Rührverfahren für das horizontale Stranggießen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens für das kontinuierliche Gießen von Metallschmelze, das die Probleme beim konventionellen Stranggießen mit Beaufschlagung elektromagnetischer Kraft löst, die Instabilität der Anfangserstarrung in Grenzen hält und zuverlässig sicherstellt, dass die Schmierung und die Oberflächenqualität des Gussprodukts verbessert werden. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der gleichzeitigen Bereitstellung eines Verfahrens für das kontinuierliche Gießen von Metallschmelze, das ohne den Einsatz von Pulver die die Oberflächeneigenschaften der Gussbramme durch Stabilisierung des Gießprozesses beeinflussende Anfangserstarrung stabilisiert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Wie aus der das Prinzip der Erzeugung elektromagnetischer Kraft aufzeigenden schematischen Ansicht gemäß 17 ersichtlich, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von Metallschmelze ein Wechselstrom auf eine Elektromagnetspule 5 aufgebracht, die so angeordnet ist, dass sie eine Stranggusskokille umschließt bzw. in die Kokillen-Seitenwand eingelassen ist, und das Stranggießen durchgeführt wird, während eine elektromagnetische Kraft 18 auf eine in die Kokille eingegossene und sich sofort zu erstarren beginnende Metallschmelze 2 aufgebracht wird. Die Richtung der elektromagnetischen Kraft 18 wird bestimmt durch die Richtung eines Induktionsstroms 20 und eines induktionsmagnetischen Feldes 19, wobei erfindungsgemäß die elektromagnetische Kraft immer in Richtung einer Ablösung der Metallschmelze 2 von der Wand der Kokille 1 auf die Schmelze aufgebracht wird. In dem Verfahren wird der zu beaufschlagende Wechselstrom stufenartig gemäß 1 erzeugt, wobei wie aus 1(a) ersichtlich eine Hochstromstufe mit t₁ und eine Niedrigstromstufe mit t₂ bezeichnet sind. Ein Hochstrom zur Beaufschlagung der zum Verändern der Gießspiegelkonfiguration erforderlichen elektromagnetischen Kraft wird mit einer Niedrigstromstufe kombiniert, deren Funktion vor und nach der Hochstromstufe eine andere als die einer Veränderung der Gießspiegelkonfiguration ist. Alternativ wird wie aus 1(b) ersichtlich ein Hochstrom beaufschlagt, um die zur Änderung der Badspiegelkonfiguration erforderliche elektromagnetische Kraft aufzubringen, gefolgt vom Beaufschlagen eines Niedrigstroms, um eine andere Funktion als die einer Änderung der Gießspiegelkonfiguration zu zu erreichen. Auf ein bzw. mehrere Strombeaufschlagungspaare folgt eine Nichtstromphase (t_off), wodurch die Instabilität der Anfangserstarrung der Metallschmelze, die bei kontinuierlichem oder impulsartigem Strom (Beaufschlagungsstadium bezeichnet als t_on) unterdrückt wird, so dass die Wirkungen einer verbesserten Schmierung und Oberflächenqualität der Gussbramme zuverlässig sichergestellt sind. Weiter wird bei der vorbeschriebenen Strombeaufschlagung das Verhältnis der Dauer der Beaufschlagung des Hochstroms zwecks Gießspiegelverformung zur Strombeaufschlagungszeit innerhalb einer Periode vorzugsweise mit wenigstens 0,2 und bis zu 0,8 festge legt. Als Ergebnis lassen sich die Wirkungen hinsichtlich einer Verbesserung der Schmierung zwischen Kokillenwand und erstarrter Schale sowie der Oberflächenbeschaffenheit der gegossenen Bramme maximieren.
Weiter wird in einem Verfahren zum kontinuierlichen Gießen einer Metallschmelze ohne Einsatz von Pulver oder einer Substanz wie Rapsöl, die nicht als Flüssigphase im Gießspiegel ansteht, der Wechselstrom einer um eine Stranggusskokille herum angeordneten Elektromagnetspule beaufschlagt, wodurch eine elektromagnetische Kraft intermittierend auf den Gießspiegel in der Kokille aufgebracht wird. Dies hat zur Folge, dass das periodische Verformen und Überlaufen des im Gießspiegel in der Erstarrung begriffenen Metalls beschleunigt wird und regelmäßige Oszillationsmarken erzielt werden. Damit wird es möglich, die Anfangserstarrung beim Stranggießen zu stabilisieren. Die konkreten technischen Merkmale des Verfahrens sind nachfolgend beschrieben.
Zunächst wird ein hinsichtlich seiner Amplitude, Frequenz, Phase und dergleichen, nämlich hinsichtlich seiner Wellenform, periodisch veränderter Wechselstrom einer um eine mit konstanter Periode oszillierenden Stranggusskokille herumgelegten Solenoid-Elektromagnetspule beaufschlagt. Dies hat zur Folge, dass eine sich mit dem Wechselstrom verändernde elektromagnetische Kraft auf die in die Kokille vergossene Metallschmelze aufgebracht wird.
Wird die Periode der aufgebrachten elektromagnetischen Kraft mit der Oszillationsperiode synchronisiert und die Beaufschlagungsstufe auf die Kokillenvorlaufstufe eingestellt, so bilden sich gleichmäßige Oszillationsmarken in Umfangsrichtung der Gussbrammenoberfläche. Damit wird eine Gussbramme von guter Oberflächenbeschaffenheit erzielt. Entspricht weiterhin die Stufe der Beaufschlagung der elektromagnetischen Kraft der Kokillenvorlaufstufe, so wird die Bildung von Oszillationsmarken unterdrückt und ist eine Gussbramme mit glatter Oberfläche herstellbar.
Zweitens wird ein sich periodisch ändernder Wechselstrom einer um den äußeren Umfang der Wand einer nicht oszillierenden Stranggusskokille herumgelegten Solenoid-Elektromagnetspule beaufschlagt mit dem Ergebnis, dass eine mit dem Wechselstrom sich verändernde elektromagnetische Kraft auf die in die Kokille vergossene Metallschmelze aufgebracht wird. Den Oszillationsmarken gleichwertige Marken werden so auf der Oberfläche der Gießbramme erzeugt.
Im ersten und zweiten Verfahren sind drei Ausführungsarten wie nachstehend erwähnt als konkrete Mittel für das Aufbringen eines sich periodisch verändernden Wechselstroms auf eine Elektromagnetspule, wodurch eine sich mit dem Wechselstrom ändernde elektromagnetische Kraft einer in eine Kokille eingegossenen Metallschmelze beaufschlagt wird, vorgesehen:

(1) Ein impulsartiger Wechselstrom wird auf die Elektromagnetspule so aufgebracht, dass eine Periode der elektromagnetischen Wellenform zu einem intermitterenden Magnetfeld wird, das über eine Stufe des Aufbringens sowie eine Stufe des Nichtaufbringens eines magnetischen Wechselfelds erzeugt wird, wodurch die Beaufschlagung der in die Kokille gegossenen Metallschmelze mit einer intermittierenden elektromagnetischen Kraft bewirkt wird.
(2) Ein sich über große und kleine Amplituden verändernder Wechselstrom wird auf die Elektromagnetspule aufgebracht, so dass die Stufe des Nichtaufbringens eines magnetischen Wechselfelds in einer Periode der resultierenden elektromagnetischen Wellenform nicht vorhanden ist, wodurch eine sich mit der Amplitude des Wechselstroms ändernde elektromagnetische Kraft der in die Kokille gegossenen Metallschmelze beaufschlagt wird.
(3) Ein sich über hohe und niedrige Frequenzen verändernder Wechselstrom wird auf die Elektromagnetspule aufgebracht, so dass die Stufe des Nichtaufbringens eines magnetischen Wechselfelds in einer Periode der resultierenden elektromagnetischen Wellenform nicht vorhanden ist, wodurch eine sich mit der Frequenz des Wechselstroms ändernde elektromagnetische Kraft der in die Kokille gegossenen Metallschmelze beaufschlagt wird.

Bei diesen Ausführungsarten beinhalten Modus (2) und (3) an anderer Stelle noch zu beschreibende stufenartige Strombeaufschlagungsprozedere und impulsförmige stufenartige elektromagnetische Wellenformen.
Bei den vorbeschriebenen Verfahrensweisen wird die erwünschte stabile Steuerung dadurch ermöglicht, dass der der Elektromagnetspule beaufschlagte Wechselstrom unabhängig davon, ob Pulver eingesetzt wird oder nicht, in der nachstehend beschriebenen Art und Weise verändert wird.
Beim Oszillieren der Kokille werden die Frequenz (f_m) der Kokillenoszillation und die Frequenz (f_p) des Wechselstroms in dem durch die Formel 0,69 ≤ ln(f_p/f_m) ≤ 9,90 bestimmten Bereich eingestellt. Statt einer periodischen Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Amplitude wird der Elektromagnetspule ein modulierter Strom beaufschlagt und wird die Frequenz der Signalwellen des modulierten Stroms auf die Frequenz der Kokillenoszillation eingestellt. Darüberhinaus werden die Trägerwellenfrequenz (fc) des modulierten Stroms und die Kokillenoszillationsfrequenz (fm) in einem durch die Formel 0,69 ≤ ln(f_c/f_m) ≤ 9,90 ausgewiesenen Bereich gesetzt. Als modulierter Strom wird ein amplituden-, frequenz- oder phasenmodulierter Strom gewählt. Bei einer nichtoszillierenden Kokille wird eine Frequenz in dem normalerweise für die Kokillenoszillation verwendeten Bereich von 1 bis 5 Hz als f_c gewählt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1(a) einen stufenartigen Strombeaufschlagungsmodus ohne Einbeziehung einer Nichtstromstufe und 1(b) einen stufenartigen Strombeaufschlagungsmodus mit Einbeziehung einer Nichtstromstufe;
2 das konfigurationsmäßige Verhältnis zwischen einer in einer Stranggusskokille angeordneten Elektromagnetspule, einem Gießspiegel und Gießpulver;
3 einen bereits früher vorgeschlagenen Modus der Beaufschlagung eines impulsartigen Elektromagnetfelds;
4(a) einen während der Beaufschlagung einer elektromagnetischen Kraft verformten Gießspiegel, 4(b) eine statische Gießspiegelkonfiguration bei Nichtbeaufschlagung einer elektromagnetischen Kraft, und 4(c) die erstarrte Schale nach wiederholter Beaufschlagung und Nichtbeaufschlagung einer elektromagnetischen Kraft;
5(a) einen Modus, der mehrfach wiederholte Hoch- und Niedrigstromstufen mit nachfolgender Nichtstromstufe vorsieht, 5(b) einen Modus mit zwei Niedrigstrom-Beaufschlagungsstufen und einer Gruppe von Hochstromstufen mit jeweils unterschiedlichen Strom, wobei die Gruppe zwischen zwei Niedrigstromstufen angesiedelt ist, und 5(c) einen Modus mit einer Gruppe Hochstromstufen mit einem jeweils anderen Strom, einer auf die Gruppe folgenden Niedrigstromstufe und einer Nichtstromstufe;
6 eine Skizze einer Vorrichtung für die Durchführung von Zinngießversuchen;
7 das Verhältnis zwischen der Oberflächenrauhigkeit einer unter Einsatz der Vorrichtung gemäß 6 sowie Beaufschlagung eines stufenartigen Stroms und einer magnetischen Flussdichte innerhalb der Kokille erhaltenen Gussbramme;
8 das Verhältnis zwischen der Oberflächenrauhigkeit der unter Einsatz der Vorrichtung gemäß 6 erhaltenen Gussbramme und dem Verhältnis der Dauer einer Hochstrom-Beaufschlagung zur Gesamtdauer;
9 das konfigurationsmäßige Verhältnis zwischen der Stranggusskokille, dem Gießspiegel und der Elektromagnetspule gemäß der vorliegenden Erfindung;
10 ein konventionelles Verfahren zum kontinuierlichen Gießen einer Metallschmelze unter Verwendung von Rapsöl;
11 die Oberflächenbedingungen eines nach dem konventionellen Verfahren entsprechend 2 gegossenen Knüppels;
12 die Oberflächenbedingungen eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend 1 gegossenen Knüppels;
13 eine der Elektromagnetspule in dem Verfahren gemäß 1 beaufschlagte impulsartige Wellenform;
14 eine der Elektromagnetspule in dem Verfahren gemäß 1 beaufschlagte stufenartige Wellenform;
15 das Verhältnis zwischen der Frequenz der mechanischen Oszillation einer Kokille und der Frequenz eines einer Spule zur Stabilisierung des Gießspiegels beaufschlagten impulsartigen Wechselstroms;
16 eine Skizze einer erfindungsgemäßen Stranggießanlage;
17 das erfindungsgemäße Prinzip einer elektromagnetischen Kraft;
18(a) eine Skizze der Vorrichtung gemäß 8 und 18(b) eine im größeren Maßstab gehaltene Ansicht des Teils A in 18(a);
19 ein Diagramm eines Beispiels einer amplitudenmodulierten Wechselstrom-Wellenform in der vorliegenden Erfindung; und
20 ein Diagramm eines Beispiels einer frequenzmodulierten Wechselstrom-Wellenform in der vorliegenden Erfindung.
BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Die Japanische Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 64-83348 zeigt im Einzelnen die Auswirkungen der Beschleunigung des Pulvereintrags in einen Anfangserstarrungsbereich sowie der Beaufschlagung einer elektromagnetischen Kraft beim Stranggießen einer Metallschmelze auf die Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit einer Gussbramme. Wie aus 4(a) ersichtlich, wird bei der Beaufschlagung der elektromagnetischen Kraft ein Spalt zwischen der Kokille und dem vorderen Ende einer erstarrten Schale 6 vergrößert. Gemäß 4(b) wird das vordere Ende der erstarrten Schale 6 bei der nachfolgenden Wegnahme der elektromagnetischen Kraft durch den statischen Druck P der Metallschmelze 2 zur Kokillenwandseite zurückgedrückt. Durch die periodische Wiederholung der „Ein"-/„Aus"-Phasen wird eine Einschnürung in der erstarrten Schale 6 gebildet, wie dies 4(c) zeigt. Die Bildung der Einschnürung wird wiederholt, so dass die Zufuhr des Pulvers als Schmiermittel zwischen die Kokille und die erstarrte Schale beschleunigt wird. Seitens der Erfinder wurden mit einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt Gießversuche gefahren. Im Ergebnis konnten sie die Auswirkungen einer intermittierenden Beaufschlagung einer elektromagnetischen Kraft durch Aufbringen eines kontinuierlichen und eines impulsartigen Stroms wie vorbeschrieben nachweisen. Weiter konnten sie feststellen, dass im Gefolge von Instabilität in der Anfangserstarrung bei einem Gussprodukt, das in einem unter Beaufschlagung nur eines kontinuierlichen oder eines impulsartigen Stroms erzeugten Magnetfeld hergestellt wurde, Fehlstellen vorhanden, waren. Das heißt, dass beim Aufbringen nur eines kontinuierlichen Stroms die in der Er starrung begriffene Metallschmelze durch einen Strom erhitzt wird, der in der Metallschmelze induziert ist und zur Veränderung der Gießspiegelform beiträgt, so dass keine ausreichend fortschreitende Erstarrung gewährleist ist. Dies hat zur Folge, dass zuweilen der Pulvereintrag unzureichend wird und die Oberflächenbeschaffenheit der gegossenen Bramme eine Beeinträchtigung erfährt.
Wird lediglich ein aus einer Nichtstromstufe t_off und einer Stromstufe t_on bestehender impulsartiger Strom wie aus 13 ersichtlich beaufschlagt, um wie in 3 dargestellt einen Magnetfluss zu erzeugen, so fällt die Stromamplitude von einem Maximalwert sofort auf Null. Die resultierende drastische Veränderung der Gießspiegelform verursacht eine Wellenbewegung auf der Oberfläche der Metallschmelze. Das Pulver wird manchmal durch eine von der Wellenbewegung erzeugte Turbulenz in die Metallschmelze eingetragen und in der erstarrten Schale unter Bildung von Fehlstellen eingeschlossen.
Seitens der Erfinder wurden die voraufgeführten Probleme dadurch gelöst, dass der Elektromagnetspule ein Wechselstrom beaufschlagt wird, der in einer durch eine stufenartige Änderung wie nachstehend ausgeführt repräsentierten Art und Weise periodisch verändert wird.
1 zeigt Wellenformen von Strömen bei Beaufschlagung eines stufenartigen Stroms. Wie aus 1(a) ersichtlich, besteht eine Periode der Strombeaufschlagung beim Aufbringen eines stufenartigen Stroms aus einer Hochstromstufe t₁ und einer Niedrigstromstufe t₂. Dadurch ergibt sich, dass bei einem unvollständigen Abschalten der elektromagnetischen Kraft und Belassen einer Niedrigstromstufe, welche nicht zur Gießspiegelverformung beiträgt, sondern eine Stabilisierung des Gießspiegels bewirkt, die Turbulenz des Gießspiegels weitgehend reduziert und das Problem des Pulvereinschlusses gelöst wird. Weiter ist es möglich geworden, die Erzeugung von Wärme zu unterbinden und durch Wahl der Hochstromstufe t₁ und der Niedrigstromstufe t₂ innerhalb der Antwortzeit der Metallschmelzenbewegung ein stabiles Fortschreiten der Anfangserstarrung zu ermöglichen. Wie aus 1(b) ersichtlich, ist weiterhin der Modus der periodischen Wiederholung einer Hochstrom- und im direkten Anschluss hieran einer Niedrigstrom- sowie einer Nichstromstufe als stufenartige Strombeaufschlagung wirksam.
Darüberhinaus stehen gemäß 5 verschiedene Verfahrensweisen für eine stufenartige Strombeaufschlagung zur Auswahl, die eine Stabilisierung der Zielwirkungen bei gleichzeitiger Unterdrückung von Turbulenz beim Aufbringen des impulsartigen Stroms bewirken. So zeigt beispielsweise 5(a) einen Modus, bei dem eine Kombination aus einem Hoch- und einem nachfolgenden Niedrigstrom mindestens zweimal wiederholt und anschließend eine Nichtstromstufe vorgesehen wird, wobei die Strom- und Nichtstromstufen periodisch wiederholt werden. Weiter sieht der Modus gemäß 5(c) vor, dass eine Nichtstromstufe im Anschluss an die Niedrigstromstufe des Modus in 5(b) ausgeführt und die so erhaltene Kombination wiederholt wird. Das Aufbringen einer Kombination aus einem Hoch- und einem Niedrigstrom als Gruppe, wie aus 5 ersichtlich, schlägt sich in einem stabil und verzögerungsfrei fortschreitenden Wachstum der Anfangserstarrungsschale bei gleichzeitigem Konstanthalten der Gießspiegelform und Unterdrücken von Wärmeerzeugung nieder.
Durch das intermittierende Aufbringen von elektromagnetischer Kraft durch eine solche stufenartige Strombeaufschlagung ergeben sich wesentliche Auswirkungen hinsichtlich einer Stabilisierung der Schmierung und Verbesserung der Gussbrammen-Oberflächenqualität bei sowohl oszillierender als auch nicht oszillierender Kokille.
Weiter wurde seitens der Erfinder festgestellt, dass die Wirkungen hinsichtlich einer verbesserten Schmierung zwischen der Kokillenwand und der erstarrten Schale sowie einer verbesserten Oberflächenqualität der Gussbramme maximierbar sind, indem das Verhältnis zwischen der Hochstromzeit t₁ und der Strombeaufschlagungszeit t₁ + t₂, nämlich t₁/(t₁ + t₂), auf eine Größe im Bereich zwischen 0,2 und 0,8 eingestellt wird. Die untere Grenze des Verhältnisses wird durch die zum Ändern der Gießspiegelform und Beschleunigen des Pulvereintrags erforderliche Strombeaufschlagungszeit bestimmt und die obere Grenze des Verhältnisses durch die zum Unterdrücken der Gießspiegelturbulenz und Unterbinden einer Wärmeerzeugung erforderliche Niedrigstromzeit. Weiter bezeichnet der hierin benutzte Begriff „Pulver" ein Schmiermittel, das allgemeinüblich beim Stranggießen in der Kokille verwendet und auf dem Gießspiegel zum Schmelzen gebracht wird und auch unter der Bezeichnung Flussmittel läuft.
Weiter gestaltet sich das Verfahren zum kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen ohne Einsatz von Pulver und unter Verwendung einer im Gießspiegel nicht im Flüssigzustand vorhandenen Substanz wie Rapsöl wie nachfolgend beschrieben:
Die Bildung von Oszillationsmarken auf der Oberfläche einer Gussbramme spielt eine wichtige Rolle für das stabilisierte Ausbilden der Anfangserstarrungsschale. Das heißt, dass es für eine stabile Herstellung einer Gussbramme mit ausgezeichneten Oberflächeneigenschaften wesentlich ist, dass der Beginn der Erstarrung in Umfangsrichtung der Stranggusskokille und der Beginn der Erstarrung in Längsrichtung des Gussprodukts gleichmäßig vonstatten gehen und das Erstarren in der Längsrichtung des Produkts regelmäßig wiederholend erfolgt. Wird beispielsweise eine ungleichmäßige Erstarrung eingeleitet, so bilden sich Oberflächenrisse und wird das Gießen mit einer oberhalb einer bestimmten Höhe liegenden Geschwindigkeit schwierig.
Die Erfinder haben die nachstehend beschriebenen Fakten im Zuge ihrer Untersuchung und Forschung bezüglich der Anfangserstarrung bestätigt. Das heißt, dass das Pulver im Gießspiegelbereich in der Kokille zum Schmelzen gebracht wird und eine Viskosität von wenigstens einer gewissen Stärke aufweist. Deshalb überträgt das geschmolzene Pulver die Kokillenoszillation als dynamischen Druck auf den Gießspiegel und wird somit die gleichmäßige Verformung des Gießspiegels und der gleichmäßige Überlauf flüssigen Stahls beschleunigt. Die gleichmäßige Verformung und der gleichmäßige Überlauf führen zur Bildung gleichmäßiger und ausgeprägter Oszillationsmarken.
Wird andererseits wie aus 10 ersichtlich eine Metallschmelze ohne Pulver stranggegossen, so findet keine zuverlässige Übertragung der Kokillenoszillation auf den Gießspiegelbereich der Metallschmelze statt. So trägt beim Gießen von Metall in kleine Querschnitte, beispielsweise Knüppel, das Rapsöl 12 zu einer nichtflüssigen Schmierung bei. Das in Spurenmengen entlang einer Kupferplatte der Stranggusskokille 11 zugesetzte Öl erfährt bis zum Erreichen des Gießspiegels 3 eine leichte Verbrennung und wird zu Graphit, das mithilft, ein Anbacken der erstarrten Schale an der Kokillenwand zu verhindern. Es ist jedoch kein Medium vorhanden, das die Kokillenoszillation auf den in der Erstarrung begriffenen Teil des Gießspiegels überträgt. Somit ist die Bildung regelmäßiger Oszillationsmarken auf der gegossenen Bramme schwierig und werden gute Oberflächeneigenschaften bei der Gussbramme oft nicht erzielt.
Auf der Oberfläche eines unter Verwendung von Rapsöl gegossenen Knüppels werden Oszillationsmarken gebildet, wenngleich diese nicht ausgeprägt sind. Es wird angenommen, dass der Markenbildungsmechanismus in diesem Falle wie nachfolgend beschrieben abläuft: Das vordere Schalenende erfährt bei der Oszillation der im Gießspiegelbereich leicht wärme verformten Kokillenwand, besonders in der Phase der absinkenden Kokille, eine Verformung. Die Wärmeverformung der Kokillenwand ist je nach dem Kontaktzustand zwischen Metallschmelze und Kokille unterschiedlich und in Umfangsrichtung nicht unbedingt gleichmäßig. Die in einem solchen Falle auf der Oberfläche des gegossenen Metalls 14 wie aus 11 ersichtlich gebildeten Oszillationsmarken 13 weisen anders als die beim Einsatz von Pulver gebildeten Oszillationsmarken 15 gemäß 12 in Umfangsrichtung ganz offensichtlich keine gute Gleichmäßigkeit auf. Somit sind der Gießbetrieb und die Oberflächenbeschaffenheit des so erhaltenen Gussprodukts weder stabil noch gut.
Andererseits wurde von den Erfindern zur Beschleunigung des Pulvereintrags zwischen die erstarrte Schale und die Kokillenwand ein Verfahren entwickelt, bei dem wie in 13 dargestellt zum Erzeugen eines Magnetflusses wie aus 3 ersichtlich ein impulsartiger Wechselstrom auf eine um eine Stranggusskokille herumgelegte Elektromagnetspule aufgebracht wird, wodurch dem in der Anfangserstarrung befindlichen Teil des Gießspiegels in der Kokille ein Wechselmagnetfeld intermittierend beaufschlagt und eine elektromagnetische Kraft, die ein Abstoßen dieses Teils von der Wand bewirkt, auf diesen wiederholt aufgebracht wird, und das in der Japanischen Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 64-83348 beschrieben ist. Seitens der Erfinder wurden weitere Untersuchungen angestellt in dem Fall, wo ein Schmiermittel nicht eingesetzt bzw. eine Substanz wie Rapsöl verwendet wird, die nicht als Flüssigkeit im Gießspiegel ansteht, und festgestellt, dass die intermittierende Beaufschlagung eines Magnetfelds durch Aufbringen eines impulsartigen Stroms wie aus 13 ersichtlich zu einer wesentlichen Verbesserung der Anfangserstarrung führt, die bis dahin aufgrund von auf einer unvollständig gesteuerten Kokillenverformung beruhenden Verfahrensweisen nicht zufriendenstellend war.
Das heißt, dass durch Aufbringen eines intermittierenden Magnetfelds auf den Gießspiegel eine intermittierende abstoßende elektromagnetische Kraft erzeugt wird. Im Ergebnis werden eine periodische Schalenverformung und ein periodischer Schmelzenüberlauf zur Bildung regelmäßiger Oszillationsmarken durch Aufbringen des intermittierenden abstoßenden Magnetfelds selbst dann zuverlässig sichergestellt, wenn eine die Kokillenoszillation auf die erstarrte Schale übertragende Substanz wie Gießpulver nicht eingesetzt werden kann. Damit ist es möglich geworden, eine stabile Anfangserstarrung in Umfangsrichtung der Gussbramme zu gewährleisten.
Besonders beim Aufbringen des abstoßenden Magnetfelds in der Kokillenvorlaufstufe, wo die Absenkgeschwindigkeit der Kokille höher ist als die Gießgeschwindigkeit, lassen sich die Oszillationsmarken zuverlässig herstellen. Der Modus ist deshalb höchst wirksam für die Stabilisierung des Gießprozesses und der Oberflächenbeschaffenheit der gegossenen Bramme. Wird andererseits das abstoßende Magnetfeld in der positiven Kokillenstufe während der Kokillenoszillation aufgebracht, so wird die Bildung von Oszillationsmarken unterdrückt und ist eine Gussbramme mit glatter Oberfläche herstellbar. Da die Anfangserstarrung in diesem Fall nicht unbedingt stabilisiert ist, sollte darauf geachtet werden, dass das Gießen mit niedriger Geschwindigkeit erfolgt. Weiter bedeutet die Beaufschlagung einer intermittierenden elektromagnetischen Kraft durch Aufbringen eines impulsartigen Stroms eine Verfahrensweise mit je einer Beaufschlagungs- und einer Nichtbeaufschlagungsstufe pro Periode. Darüberhinaus bedeutet die Beaufschlagung einer intermittierenden elektromagnetischen Kraft durch Aufbringen eines stufenartigen Stroms ein Beaufschlagungssystem mit einer Stufe hoher und einer Stufe niedriger Magnetfeldstärke. Es wurde bestätigt, dass beide Verfahrensweisen ausreichende Wirkungen zeitigen. Das Steuern der Magnetfeldstärke durch Auf bringen eines stufenartigen Stroms wird über Maßnahmen wie das Einstellen der Amplitude oder der Frequenz eines der Elektromagnetspule zu beaufschlagenden Wechselstroms erreicht.
Erfolgt das Stranggießen mit mechanischer Kokillenoszillation, so wird der Elektromagnetspule ein Wechselstrom in Impulsform beaufschlagt, so dass eine elektromagnetische Kraft intermittierend auf die Metallschmelze in der Kokille aufgebracht wird unabhängig davon, ob das Gießen mit oder ohne Pulver erfolgt, mit dem Ergebnis, dass der Kontaktdruck zwischen der Kokille und der Gussbramme im Anfangserstarrungsbereich intermittierend reduziert werden kann. Beim Stranggießen wie vorbeschrieben wird die elektromagnetische Kraft in der gleichen Periode wie die der Kokillenoszillation aufgebracht, indem die Wiederholungsfrequenz (f_t) zur Vergrößerung der Amplitude des beaufschlagten Stroms und zur Verkleinerung der Amplitude desselben auf die Frequenz (f_m) der Kokillenoszillation eingestellt wird. Dadurch wird es möglich, die Oszillationsmarken verursachenden Überlappungen zwischen der erstarrten Schale und dem Metallschmelzenüberlauf zu steuern.
Bei Ausführung des Stranggießens unter Aufbringung mechanischer Oszillation auf die Kokille entsteht im Falle einer unzureichenden Festlegung der Frequenz (f_p) des impulsartigen Wechselstroms gegenüber der Frequenz (f_m) der Kokillenoszillation das Problem, dass im Gießspiegel stationäre Wellen entstehen, die den Gießspiegel und die Erstarrung destabilisieren. Als Ergebnis der verschiedenen durchgeführten Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass der störende Einfluss von Oberflächenschwingungen in der Metallschmelze unterdrückt und die Erstarrung stabilisiert werden kann, indem f_m und f_p innerhalb des durch die Formel 0,69 ≤ ln(f_p/f_m) ≤ 9,90 bestimmten Bereichs wie aus 15 ersichtlich eingestellt werden. Der untere Wert des Verhältnisses f_p/f_m ist zur Stabilisierung des Gießspiegels und der obere Wert wegen der thermischen Beschränkung hinsichtlich einer stabilen Entwicklung der erstarrten Schale eingeschränkt.
Der eine intermittierende elektromagnetische Kraft erzeugende Spulenstrom ist nicht auf einen impuls- oder stufenartigen Strom beschränkt. Die elektromagnetische Kraft lässt sich auch durch einen modulierten Strom, der beispielsweise amplituden-, frequenz- oder phasenmoduliert sein kann, erzeugen. In diesen Fällen entspricht die Frequenz (f_s) von Signalwellen des modulierten Stroms der Wiederholungsfrequenz (f_t) der vergrößerten und verkleinerten Stromamplitude in dem impulsartigen Wechselstrom, während die Frequenz (f_c) der Trägerwellen der Frequenz f_p entspricht. Dementsprechend ist die gleiche Funktion wie beim Beaufschlagen des impulsartigen Wechselstroms wie vorbeschrieben erzielbar, indem die Frequenz (f_c) der Signalwellen auf die Frequenz (fm) der Kokillenoszillation und die Frequenz (f_m) der Kokillenoszillation auf eine Größe innerhalb des durch die Formel 0,69 ≤ ln(f_c/f_m) ≤ 9,90 bestimmten Bereichs eingestellt werden.
Die Steuerung zur Erzielung einer der mechanischen Kokillenoszillation entsprechenden Schmierhilfsfunktion über das Elektromagnetfeld ist selbst bei nicht oszillierender Kokille möglich. Da fm in diesem Fall nicht vorhanden ist, wird f_c für gewöhnlich aus dem als f_m eingesetzten Bereich von ca. 1 bis 5 Hz ausgewählt.
Bei der vorliegenden Erfindung lässt sich der Reibungswiderstand zwischen der erstarrten Schale und der Kokille selbst bei Nichtverwendung eines Schmiermittels dadurch reduzieren, dass durch Beaufschlagen des stufenartigen Elektromagnetfelds wie vorbeschrieben die sich abkühlende Kokille senkrecht zur Gießrichtung oszilliert wird. Weiter wird bei Verwendung eines Schmiermittels der Reibungswiderstand zwischen der erstarrten Schale und der Kokillenwand weiter ver ringert und ist durch Stranggießen eine Gießbramme mit hervorragenden Oberflächeneigenschaften herstellbar. Darüberhinaus lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auf den Prozess zum kontinuierlichen Gießen eines Metalls mit Erstarrung unter einer Metallschmelzenoberfläche und Einsatz einer beheizten Kokille wie in der Japanischen Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 2-37943 beschrieben anwenden. Das heißt, dass im Falle eines beaufschlagten Elektromagnetfelds in Stufenform das erstarrende Metall in einem leichten Kontakt mit der Kokillenwand steht, während durch die starke impulsartige elektromagnetische Kraft ein vorgegebenes Aufheizen erfolgt, so dass ein kontinuierliches Gießen mit stabilisierter Erstarrung unter der Metallschmelzenoberfläche erreicht wird.
BEISPIELE
Beispiel 1
Die kennzeichnenden Merkmale der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend konkret anhand von Beispielen beschrieben.
Mit einer Einrichtung wie in 6 dargestellt wurde Zinn gegossen. Eine Elektromagnetspule wurde die Kokille umgebend angeordnet und es wurde ein stufenartiger Strom der in 1(b) dargestellten Form aufgebracht. Das Gießen des Zinns erfolgte in eine zylindrische Kokille von 3 cm Durchmesser mit einer Geschwindigkeit von 12 cm/Min, wobei die Kokille mit einer Frequenz von 60 Hertz/Minute bei einem Oszillationshub von 0,3 cm oszilliert wurde. Zum Vergleich wurde ein Guss unter Beaufschlagung eines impulsartigen Stroms wie in 13 dargestellt durchgeführt. Die Beaufschlagung sowohl des stufen- als auch des impulsartigen Stroms erfolgte mit 60 Hz/Min. Im Falle der Beaufschlagung des stufenartigen Stroms wurden der Hoch- bzw. der Niedrigstrom auf 600 A bzw. 180 A und das Verhältnis der Dauer der Hochstrombeaufschlagung zur Gesamtperiode auf 0,3 eingestellt. Andererseits wies der impulsartige Strom beim Auf bringen eine Stärke von 600 A auf. Die resultierende Gussbramme wurde untersucht und es wurde festgestellt, dass das Verhältnis der mittleren Tiefe (D) der beim Aufbringen der elektromagnetischen Kraft auf der gegossenen Zinnoberfläche gebildeten Marken zur mittleren Tiefe (D₀) der bei Nichtbeaufschlagung elektromagnetischer Kraft entstandenen Marken in beiden Fällen bis zu 0,1 betrug, was auf eine wesentliche Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit hindeutet. 7 zeigt die Ergebnisse des Stranggusses bei Beaufschlagung eines stufenartigen Stroms. Den Bedingungen dieses Beispiels entspricht eine Magnetflussdichte von 73 × 10^–4 T. Die Symbole in 7 bezeichnen Quantitäten wie folgt: B eine Magnetflussdichte (T), D eine beim Aufbringen eines Magnetfelds erzielte (dimensionslose) Oberflächenrauhigkeit des gegossenen Zins, und D₀ eine bei Nichtbeaufschlagung eines Magnetfelds erzielte (dimensionslose) Oberflächenrauhigkeit des gegossenen Zins.
Andererseits wies die Oberfläche des durch Stranggießen unter Beaufschlagung lediglich eines impulsartigen Stroms erhaltenen Zinnprodukts viele Spuren von als „Pulver" verwendetem Siliconöl auf, während das durch Stranggießen unter Beaufschlagung eines stufenartigen Stroms erzielte Produkt keinerlei Spuren von Siliconöl zeigte, wobei die Ergebnisse hinsichtlich des Siliconöls die gleichen sind wie beim Stranggießen ohne Aufbringen einer elektromagnetischen Kraft.
Beispiel 2
Ein stufenartiger Strom der in 1(a) dargestellten Form wurde unter den gleichen Bedingungen wie für das Beispiel 1 beschrieben aufgebracht. Die Beaufschlagung des Stroms erfolgte mit einer Frequenz von 300 Hz/Min und es wurden die Oberflächeneigenschaften des Zinngießprodukts mit denen eines unter Aufbringung eines kontinuierlichen Stroms erhaltenen verglichen. Im Ergebnis wurde festgestellt, dass die Oberfläche des unter Aufbringung des stufenartigen Stroms erhaltenen Zinnprodukts außerordentlich glatt war und keinerlei Fehlstellen aufwies, während auf der Oberfläche des unter Beaufschlagung eines kontinuierlichen Stroms hergestellten Zinnprodukts viele Spuren von durch unzureichend fortschreitende Erstarrung bedingten Flüssigmetallaustritten durch die Strangschale festzustellen waren.
Beispiel 3
Unter den Gießbedingungen gemäß Beispiel 1 mit Beaufschlagung eines stufenartigen Stroms wurde das Verhältnis zwischen der Dauer der Hochstrombeaufschlagung (t₁) und der Gesamtperiode (t₁ + t₂) von 0 auf 1,0 geändert und der Guss durchgeführt. 8 zeigt die Veränderung der Oberflächenrauhigkeit, nämlich D/D₀, für unterschiedliche Verhältnisse. In 8 bedeuten: D die (dimensionslose) Oberflächenrauhigkeit eines beim Aufbringen eines Magnetfelds erhaltenen Zinngießprodukts und D₀ die Oberflächenrauhigkeit eines Produkts, das bei Nichtbeaufschlagung eines Magnetfelds angefallen war.
Die Ergebnisse zeigen, dass der Index der Oberflächenrauhigkeit D/D₀ am geringsten war, wenn das Verhältnis der Dauer der Beaufschlagung eines Stroms mit großer Amplitude zur Gesamtperiode zwischen 0,2 und 0,8 lag.
Aus diesen Beispielen ist ersichtlich, dass die Beaufschlagung eines stufenartigen Stroms eine Beschleunigung der Pulverschmierung und eine stabile Verbesserung der Oberflächeneigenschaften des Gießprodukts ermöglichten.
Beispiel 4
9 zeigt eine Skizze der in dem erfindungsgemäßen Beispiel eingesetzten Einrichtung. Eine Elektromagnetspule 5 wurde um den Umfang einer Kokille 1 herum angeordnet und es wurde ein vorgegebenes Wechselmagnetfeld intermittierend beaufschlagt. Unter Einsatz der Vorrichtung wurde ein gewöhnlicher mittlerer Kohlenstoffstahl zu einem Knüppel stranggegossen. Die Gießbedingungen waren wie folgt: Gießgeschwindig keit 2,5 m/Min, Kokillenquerschnitt 130 × 130 mm, Kokillenoszillationshub ±4 mm und Oszillationsfrequenz 190 Hz/Min.
Das Gießen erfolgte unter Zugabe von Rapsöl in Spurenmengen vom oberen Teil einer Kokillenkupferplatte die Platte entlang. Zunächst einmal zeigt 11 den Oberflächenzustand eines bei Nichtbeaufschlagung einer elektromagnetischen Kraft hergestellten Gussknüppels 14. Auf der Oberfläche wurden Schrumpfungen festgestellt, deren Zwischenräume unterschiedlich waren. Der Mittelwert dieser Zwischenräume war jedoch in etwa gleich einem durch Dividieren der Gießgeschwindigkeit durch die Zahl der Kokillenoszillationen erhaltenen Wert. Somit wird angenommen, dass die Schrumpfungen durch die Kokillenoszillation entstanden sind. Die Gussbramme wies Anzeichen von Turbulenz in den Oszillationsmarken 13 sowie konvexe und konkave Bereiche und Teillängsrisse auf. Der Knüppel bedurfte also der Nachbearbeitung. Andererseits zeigt 12 die Oberflächeneigenschaften eines durch Gießen unter intermittierender Beaufschlagung einer impulsartigen elektromagnetischen Kraft in der Kokillenvorlaufstufe hergestellten Knüppels. Es waren außergewöhnlich stark ausgeprägte Oszillationsmarken 15 in der Oberfläche des Gussknüppels 16 vorhanden, jedoch keinerlei Oberflächenfehler.
Beispiel 5
Im Rahmen von unter den Bedingungen des Beispiels 4 durchgeführten Gießversuchen wurde ein impulsartiger Strom so beaufschlagt, dass die elektromagnetische Kraft synchron mit der positiven Kokillenstufe der Kokillenoszillation aufgebracht wurde. Die auf dem Gussknüppel entstandenen Oszil lationsmarken waren sehr klein und es wies der Knüppel eine extrem glatte Oberfläche auf.
Beispiel 6
Im Zuge von Gießversuchen unter den Bedingungen des Beispiels 4 wurde der Elektromagnetspule ein stufenartiger Strom wie in 14 dargestellt beaufschlagt. Wenngleich das unter Beaufschlagung lediglich eines impulsartigen Stroms im Vergleichsbeispiel gemäß Beispiel 1 angefallene Zinngussprodukt eine geringe Schrumpfung unter den Oszillationsmarken aufwies, hatte der hier erhaltene Gussknüppel keinerlei Schrumpfungen.
Schrumpfungen sind deswegen nicht aufgetreten, weil die durch Beaufschlagen nur des impulsartigen Stroms im Gießspiegel erzeugte Wellenbewegung durch das Aufbringen des stufenartigen Stroms unterdrückt wurde.
Beispiel 7
Im Rahmen von unter den Bedingungen des Beispiels 4 durchgeführten Gießversuchen wurde der Gießvorgang ohne Kokillenoszillation durchgeführt. Beim Gießen ohne Beaufschlagung einer elektromagnetischen Kraft wurden des Öfteren ein Anbacken der erstarrten Schale an der Kokillenwand sowie viele Spuren von Stahlaustritten durch die Schale des Gussknüppels festgestellt. Im Gegensatz zu dem vorbeschriebenen Gießen unter Beaufschlagung einer impulsartigen elektromagnetischen Kraft war der Gießvorgang stabil und wies der erhaltene Gussknüppel ausgeprägte Oszillationsmarken auf.
Diese Beispiele zeigen, dass beim Stranggießen einer Metallschmelze ohne Schmiermittel und unter Beaufschlagung einer impulsartigen elektromagnetischen Kraft synchron mit der bzw. ohne Kokillenoszillation ausgeprägte Oszillationsmarken auf der Oberfläche der Gussbramme gebildet wurden.
Beispiel 8
18(a) ist eine Skizze einer Vorrichtung, wie diese bei den Beispielen im Rahmen des Anspruchs 14 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wurde. 18(b) ist ein Detail des Bereichs A in 18(a) , wobei die Bezugsziffer 31 einen Durchbruchringbereich bezeichnet. Gemäß 18 wurde eine Hochfrequenz-Elektromagnetspule 29 um den oberen Umfang einer Kokille 1 herum angeordnet und ein Hochfrequenz-Magnetfeld aufgebracht. Weiter wurde um den unteren Umfangsbereich der Kokille eine Niederfrequenz-Elektromagnetspule 30 vorgesehen und ein Niederfrequenz-Magnetfeld beaufschlagt. Mit der Vorrichtung wurde ein gewöhnlicher mittlerer Kohlenstoffstahl zu einem Knüppel stranggegossen.
Das Vergießen des Stahls erfolgte mit einer Geschwindigkeit von 2 m/Min mittels einer Kokille von 160 × 160 mm. Ein sinusförmiges Hochfrequenz-Magnetfeld mit einer Frequenz von 10 kHz wurde auf die Elektromagnetspule 29 aufgebracht und es wurde die Spule mit 200 kW beaufschlagt. Weiter wurde ein stufenartiger Strom der in 1(b) dargestellten Form aufgebracht, um der Elektromagnetspule 30 ein Niederfrequenz-Magnetfeld zu beaufschlagen. Die Stärke dieses aufgebrachten Magnetfelds betrug 0,3 Tesla als maximale Magnetflussdichte. Der Kokillenoszillationswiderstand nahm beim Gießen des Knüppels wie vorbeschrieben gegenüber dem Widerstand beim Stranggießen in der gleichen Weise, jedoch ohne Beaufschlagung eines Niederfrequenz-Magnetfelds, um 60% ab.
Beispiel 9
16 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Wellenformgenerator 23 wurde für eine Spannungsquelle 24 zum Antrieb einer Elektromagnetspule 5 installiert. Über diese Einrichtungen wurde der Elektromagnetspule ein Erregerstrom beaufschlagt. Zunächst wurde ein Guss mit einer Geschwindig keit von 150 cm/Min ohne Strombeaufschlagung der Elektromagnetspule in der Vorrichtung gemäß 16 durchgeführt. Die hierbei angefallene Gussbramme wies auf ihrer Oberfläche periodisch auftretende konkave und konvexe Bereiche, die durch die Kokillenoszillation verursacht waren, und eine mittlere Oberflächenrauhigkeit von 320 μm auf. Weiter waren Querrisse entlang den Oszillationsmarken auf einem Teil der Gussbrammenoberfläche entstanden. Als Nächstes wurde mit der Vorrichtung gemäß 16 ein Guss unter kontinuierlicher Beaufschlagung eines Wechselstroms mit einer Amplitude von 3000 A und einer Frequenz von 60 Hz durchgeführt. Die angefallene Gussbramme wies Oberflächenschrumpfungen und Pulvereinschlüsse auf. Durch die Oberflächenschrumpfungen und Pulvereinschlüsse bedingte Fehlstellen fanden sich im Innern der Gussbramme, deren Eigenschaften auf der Oberfläche und unter der Gusshaut im Vergleich zu einer ohne Beaufschlagung der elektromagnetischen Kraft hergestellten Bramme also beeinträchtigt waren. Die Fehlstellen wurden dadurch verursacht, dass ein Rührfluss in der Metallschmelze entstanden war und den Badspiegel unstabil gemacht hatte.
In dem vorliegenden erfindungsgemäßen Beispiel wurden ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 60 Hz und einer Amplitude von 3000 A und eine impulsartige Wellenform mit einer Periode von 0,5 s übereinandergelagert der Erregerspule beaufschlagt. Bei dieser Erregung wurde die Hochfrequenzkomponente mit 60 Hz in der auf die Stahlschmelze in der Kokille aufgebrachten elektromagnetischen Kraft gemittelt und die elektromagnetische Kraft alle 0,25 s aktiviert und deaktiviert. Die Beaufschlagung der elektromagnetischen Kraft erfolgte synchron mit der Aufwärtsbewegung der Kokille und es wurde der Guss mit einer Geschwindigkeit von 150 cm/Min durchgeführt. Auf der Gussbramme waren eine Minderung der periodischen konkaven und konvexen Bereiche und eine Oberflächenrauhigkeit von 120 μm gleich etwa einem Drittel der Oberflächenrauhigkeit einer ohne Beaufschlagung elektromagnetischer Kraft hergestellten Gussbramme festzustellen.
Weiter hatte das Verfahren die Wirkung, dass die Fehlstellenbildung unter der Oberfläche der Gussbramme unterdrückt wurde. Weiter konnte bei einer Geschwindigkeit von 200 cm/Min der Guss stabil durchgeführt werden und waren die Eigenschaften auf der Oberfläche und unter der Gusshaut des vergossenen Metalls die gleichen wie beim Gießen mit 150 cm/Min.
Als Nächstes wurde ein Guss unter Beaufschlagung der elektromagnetischen Kraft synchron mit der Abwärtsbewegung der Kokille und unter ansonsten gleichen Bedingungen wie vorbeschrieben durchgeführt. Die so hergestellte Gussbramme hatte eine Oberflächenrauhigkeit von 150 μm und es war die Bildung von Querrissen auf der Oberfläche der Gussbramme unterdrückt. Weiter konnte durch Gießen unter Beaufschlagung der Erregerspule mit einem amplituden-, frequenz- oder phasenmodulierten Strom eine Bramme hergestellt werden, welche die gleichen Oberflächeneigenschaften wie die unter Beaufschlagung des Erregerstroms angefallene Gussbramme aufwies. 19 zeigt die Wellenform des in dem vorliegenden Beispiel eingesetzten amplitudenmodulierten und 20 diejenige des eingesetzten frequenzmodulierten Wechselstroms.
Aus diesen Beispielen ist ersichtlich, dass beim Stranggießen einer Metallschmelze ohne Schmiermittel und unter Beaufschlagung einer impulsartigen elektromagnetischen Kraft ohne Kokillenoszillation oder synchron mit einer solchen ausgeprägte Oszillationsmarken auf der Brammenoberfläche gebildet werden konnten und die Gussbrammenqualität sowie die Stabilität des Gießablaufs verbessert waren.
Wie vorbeschrieben beinhaltet in einem Verfahren zur Verbesserung der Schmierung und der Oberflächenqualität einer Gussbramme durch Aufbringen einer elektromagnetischen Kraft auf den Gießspiegelteil der zu erstarren beginnenden Metallschmelze zur Verstärkung des Pulvereintrags die vorliegende Erfindung das Aufbringen eines stufenartigen Stroms mit einer zur Gießspiegelverformung beitragenden Hochstromstufe und einer Niedrigstromstufe mit anderer Funktion als die Hochstromstufe auf eine den Badspiegel in der Kokille umgebende Elektromagnetspule. Damit ist ein stabiler Ablauf der Anfangserstarrung gewährleistet, wird ein Pulverüberriss durch Badspiegelturbulenz verhindert und sind die Schmierung und die Oberflächenqualität der Gussbramme erheblich verbessert.
Weiter ist erfindungsgemäß die Anfangserstarrung beim Stranggießen selbst dann gleichmäßig wiederholbar, wenn ein Schmiermittel nicht eingesetzt und eine elektromagnetische Kraft impuls- oder stufenartig auf den zu erstarren beginnenden Gießspiegelbereich einer Metallschmelze aufgebracht wird. Im Ergebnis werden ausgeprägte Oszillationsmarken auf der Oberfläche der Gussbramme gebildet und lassen sich die Oberflächeneigenschaften der Bramme und die Stabilität des Gießprozesses weitgehend verbessern.

Claims

Verfahren zum kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen von Metallschmelze unter Aufbringen eines Wechselstroms auf eine Solenoid-Elektromagnetspule, die um eine Stranggießkokille herum angeordnet oder in der Kokillenseitenwand eingebettet ist, wodurch der in die Kokille vergossenen und in der Erstarrung begriffenen Metallschmelze in Richtung der Ablösung von der Kokillenwand eine elektromagnetische Kraft beaufschlagt wird, wobei das Verfahren die periodische Veränderung der Amplitude oder Wellenform der Wellen des aufzubringenden entsprechenden Wechselstroms beinhaltet, um die Schmierung und die Oberflächenbeschaffenheit der Gussbramme zu verbessern.
Verfahren zum kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen von Metallschmelze (2) nach Anspruch 1, wobei der Wechselstrom als aus einem Hochstrom zum Ändern der Gießspiegelkonfiguration und einem Strom mit kleiner Amplitude bestehender stufenartiger Strom aufgebracht wird, wodurch die Schmierung und die Oberflächeneigenschaften der Gussbramme verbessert werden.
Verfahren zum kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen von Metallschmelze nach Anspruch 2, wobei eine elektromagnetische Kraft auf die in die konstant oszillierende Kokille (1) vergossene und in der Erstarrung begriffene Metallschmelze (2) durch Beaufschlagen eines Wechselstroms synchron mit dem Oszillationszyklus der Kokille aufgebracht wird, wodurch die Schmierung und die Oberflächeneigenschaften der Gussbramme verbessert werden.
Verfahren zum kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen von Metallschmelze (2) nach Anspruch 1, wobei eine elektromagnetische Kraft auf die in die konstant oszillierende Kokille (1) vergossene und in der Erstarrung begriffene Metallschmelze (2) durch Beaufschlagen eines Wechselstroms synchron mit dem Oszillationszyklus der Kokille (1) aufgebracht wird und wobei es sich bei dem Wechselstrom um einen impulsartigen Strom mit einer Stromstufe zum Ändern der Gießspiegelkonfiguration und einer Nichtstromstufe handelt, wodurch die Schmierung und die Oberflächeneigenschaften der Gussbramme verbessert werden.
Verfahren zum kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen von Metallschmelze (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verhältnis zwischen der Dauer der Beaufschlagung des zur Gießspiegelverformung beitragenden Hochstroms und der Dauer der Beaufschlagung des Stroms pro Zyklus im Bereich von wenigstens 0,2 bis 0,8 liegt, so dass die Schmierung und die Oberflächeneigenschaften der Gussbramme verbessert werden.
Verfahren zum kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen von Metallschmelze (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Schmiermittel oder eine Substanz wie Rapsöl, die nicht als Flüssigphase auf dem Gießspiegel (3) vorhanden ist, nicht eingesetzt und ein Wechselstrom in Form eines stufen- oder impulsartigen Stroms auf die Elektromagnetspule aufgebracht wird.
Verfahren zum kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen von Metallschmelze (2) nach Anspruch 6, wobei die Dauer der Beaufschlagung der elektromagnetischen Kraft mit der Oszillationsperiode der Kokille (1) synchronisiert ist und die Beaufschlagungsstufe in der Kokillenvorlaufstufe liegt, in welcher die Absenkgeschwindigkeit der Kokille höher ist als die Gießgeschwindigkeit, so dass regelmäßige Oszillationsmarken in Umfangsrichtung auf der Gussbrammenoberfläche gebildet werden.
Verfahren zum kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen von Metallschmelze (2) nach Anspruch 6, wobei die Dauer der Beaufschlagung der elektromagnetischen Kraft mit der Oszillationsperiode der Kokille (1) synchronisiert ist und die Beaufschlagungsstufe in der positiven Kokillenstufe liegt, in welcher die Absenkgeschwindigkeit der Kokille (1) niedriger ist als die Gießgeschwindigkeit, so dass sich keine oder nur flache Oszillationsmarken auf der Gussbrammenoberfläche befinden.
Verfahren zum kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen von Metallschmelze (2) nach Anspruch 6, wobei ohne Einsatz von Schmiermittel ein Wechselstrom, der periodisch in eine stufen- oder impulsartige Form verändert wird, einer um den Außenumfang der Wand einer nichtoszillierenden Stranggußkokille angeordneten Elektromagnetspule (5) beaufschlagt wird, so dass eine mit dem Wechselstrom sich ändernde elektromagnetische Kraft auf die in die Kokille vergossene Metallschmelze (2) aufgebracht wird, wodurch den Oszillationsmarken entsprechende Marken auf der Brammenoberfläche gebildet werden.
Verfahren zum kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen von Metallschmelze (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein mit innerhalb einer Periode der elektromagnetischen Wellenform zwischen hoher und niedriger Frequenz sich ändernder Wechselstrom der Elektromagnetspule beaufschlagt wird, so dass eine mit der Wechselstromfrequenz sich ändernde elektromagnetische Kraft der in die Kokille (1) vergossenen Metallschmelze (2) beaufschlagt wird.
Verfahren zum kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen von Metallschmelze (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei die Frequenz (fm) der Kokillenoszillation und die Frequenz (f_p) des Wechselstroms innerhalb eines durch die Formel 0,69 ≤ ln(f_p/f_m) ≤ 9,90 bestimmten Bereichs eingestellt werden.
Verfahren zum kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen von Metallschmelze (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei (1) ein modulierter Strom auf die Elektromagnetspule (5) aufgebracht wird, (2) die Frequenz (f_s) der Signalwellen des modulierten Stroms auf die Frequenz (f_m) der Kokillenoszillation eingestellt wird, und (3) die Frequenz (f_c) der Trägerwellen des modulierten Stroms und die Frequenz (f_m) der Kokillenoszillation anstelle der Beaufschlagung eines Wechselstroms mit periodisch vergrößerter und verkleinerter Amplitude auf einen Wert innerhalb eines durch die Formel 0,69 ≤ ln(f_c/f_m) ≤ 9,90 bestimmten Bereichs eingestellt werden.
Verfahren zum kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen von Metallschmelze (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der der Elektromagnetspule (5) beaufschlagte Wechselstrom ein amplituden-, frequenz- oder phasenmodulierter Strom ist.
Verfahren zum kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen von Metallschmelze (2) nach einem der Ansprüche 1, 7, 8 und 9, wobei der in die konstant oszillierende Kokille (1) vergossenen und erstarrenden Metallschmelze durch Aufbringen eines stufenartigen Stroms aus einem Hochstrom (t₁) und einem Niedrigstrom (t₂) pro Zyklus eine elektromagnetische Kraft beaufschlagt wird, so dass die Kokille senkrecht zur Gießrichtung oszilliert, wodurch die Schmierung und die Oberflächeneigenschaften der Gussbramme verbessert werden.
Verfahren zum kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen von Metallschmelze (2) nach Anspruch 14, bei dem der wiederholt beaufschlagte Wechselstrom stufenartig ist und aus einer Hochstromstufe (t₁) und einer Niedrigstromstufe (t₂) pro Zyklus besteht, so dass die Temperatur der beheizten Kokille eingestellt und eine elektromagnetische Klemmkraft auf die Metallschmelze (2) in der Kokille (1) oder auf das sich in einem halberstarrten Zustand befindliche und in der Kokille (1) zur Erstarrung gebrachte Metall aufgebracht wird, um das Metall von der Kokille abzulösen, wodurch der Kontaktwiderstand zwischen dem erstarrenden Metall und der Kokille (1) verringert wird und eine Gussbramme von hervorragender Oberflächenqualität hergestellt wird.
Verfahren zum kontinuierlichen Gießen bzw. Stranggießen von Metallschmelze (2) nach Anspruch 1, wobei ein Wechselstrom stufenartig aufgebracht wird, so dass eine nicht in Gießrichtung oszillierende abkühlende Kokillenwand senkrecht zur Gießrichtung oszilliert und die Temperatur der beheizten Kokille eingestellt wird, wodurch der Kontaktwiderstand zwischen dem zu erstarren beginnenden Metall und der Kokillenwand verringert sowie die Schmierung und die Oberflächeneigenschaften der Gussbramme verbessert werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Vorrichtung aufweist eine Stranggießkokille (1), eine um die Stranggießkokille (1) herum angeordnete bzw. in einer Kokillenseitenwand eingebettete Solenoid-Elektromagnetspule (5) und eine Stromquelle (24) bzw. einen Wellenform-Generator (23) zum Beaufschlagen der Elektromagnetspule (5) mit einem Wechselstrom, welcher die Amplitude bzw. die Wellenform der entsprechenden Wellen des Wechselstroms periodisch verändert.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vorrichtung aufweist ein Gefäß (26) zur Aufnahme eines Metalls (2) im Schmelzzustand, das mit einer Wärmeisolierung (27) versehen bzw. für eine Aufheizfunktion, beispielsweise Induktionserwärmung, ausgebildet ist, eine mit dem Gefäß (26) in Verbindung stehende wassergekühlte Kokille (28) zur Verfestigung der Metallschmelze, eine den Verbindungsbereich zwischen dem Gefäß und der wassergekühlten Kokille (28) umgebende Solenoid-Elektromagnetspule (29) sowie eine Stromquelle (24) bzw. einen Wellenform-Generator (23) zum Beaufschlagen der Elektromagnetspule mit einem Wechselstrom, der die Amplitude bzw. Wellenform der entsprechenden Wellen des Wechselstroms periodisch verändert.