S T R N G G I E S S E N Elektromgnetisches remsen veressert die Sthlqulität eim Strnggießen Ds elektromgnetische remsen der Sthlströmung in der Kokille von Strnggießnlgen veressert die Qulität des gegossenen Sthls, indem es die nichtmetllischen Einschlüsse, die esonders ei hoher Gießgeschwindigkeit in den Sthl heruntergezogen werden, reduziert. Durch umfngreiche erechnungen ei Industril Systems wurde ds Verhlten der Sthlströmung in der Kokille einer Strnggießmschine unter Einwirkung der elektromgnetischen remse untersucht. D ie erhöhten Qulitätsnforderungen und der ständig gesteigerte Produktionstkt ei der Sthlveredlung führten u.. zur Entwicklung der Strnggießtechnik. nsttt wie früher in Form von einzelnen Rohlöcken wird ds Vormteril für ds weitere Verwlzen zu lech, Profilen usw. hierei durch kontinuierliches Strnggießen in Gleitkokillen hergestellt 1. Strnggießen ist ein kompliziertes Verfhren: Im gegossenen Sthl können leicht schädliche Einschlüsse uftreten, eispielsweise in Form von Schlcke oder Gs. Mit steigender Gießgeschwindigkeit erhöht sich die Gefhr derrtiger Fehler. Der us dem Tuchrohr ustretende Gießstrhl dringt nämlich tief in den gegossenen und erstrrenden Strng ein und zieht Gießpulver und ndere Verunreinigungen mit sich herunter. Diese Verunreinigungen werden im Sthl eingekpselt und eeinträchtigen dmit die Sthlqulität. Zur Lösung dieses Prolems ht die sogennnte elektromgnetische remse (EMR) entwickelt und ptentieren lssen, die mit Hilfe eines sttischen Mgnetfeldes den flüssigen Sthl remst. Dmit ergit sich eine gleichmäßige Wärme- und Geschwindigkeitsverteilung üer der Strngreite 2. Zugleich vermindert sich die Gefhr von nichtmetllischen Einschlüssen, wodurch sich die Qulität des gegossenen Sthls veressert. Für derrtige Einrichtungen ht sich der usdruck «elektromgnetische remse» durchgesetzt, owohl es sich streng genommen eher um elektromgnetische Strömungsverteiler hndelt. Dmit erhält uch ds scheinre Prdox, dß sich die Gießgeschwindigkeit dnk der elektromgnetischen remse erhöhen läßt, eine efriedigende Erklärung: D der Sthl ei elektromgnetischer remsung üer dem gnzen Strngquerschnitt eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit erhält, läßt sich die Gießgeschwindigkeit erhöhen, ohne dß eine Qulitätsverschlechterung des gegossenen Sthls zu efürchten ist. nders Lehmn Göte Tlläck Åke Rullgård Industril Systems Für die nordnung des sttischen Mgnetfeldes m Sthlstrng wurden verschiedene Konfigurtionen erprot und mit ihnen llmählich eträchtliche Veresserungen erzielt. Versuche mit neuen Konfigurtionen sind jedoch sehr kostspielig und zeitruend; ußerdem herrschen schwierige Umgeungsedingungen. ei Industril Systems ht mn den Schwerpunkt deshl uf die Entwicklung von erechnungsmodellen für die Sthlströmung ei verschiedenen Spulennordnungen gelegt [1, 2]. Mit Hilfe des entwickelten sttionären Modells wurden drei verschiedene Konfigurtionen der elektromgnetischen remse untersucht 3 : I Grundkonfigurtion: zwei örtlich egrenzte Mgnetfelder entlng der Strngreite II Konfigurtion Ruler («Linel»): ein gleichmäßig uf der gnzen Strngreite wirkendes Mgnetfeld III Konfigurtion F Mold (Flow ontrol Mold): zwei üer der gnzen Strngreite wirkende Mgnetfelder, zwischen denen die Gießöffnungen für den flüssigen Sthl liegen Zur Verifiktion der erechnungen dienten Vergleiche mit prktischen Messungen n usgeführten Instlltionen. Folgerungen us den erechnungen Die wichtigsten Ergenisse der erechnungen lssen sich folgendermßen zusmmenfssen: Die rgongsmenge und ds sttische Mgnetfeld hen einen erhelichen Einfluß uf die Strömung des flüssigen Sthls. Der günstigste Einfluß der remsung uf ds Strömungsild ergit sich, wenn der us der Gießöffnung ustretende Sthlstrhl gegen die im Mgnetfeld liegende Zone gerichtet ist. Die Menge der nichtmetllischen Einschlüsse, die tief in die Strngmitte eindringen, vermindert sich ei Mgnetfeldern, die die gnze Strngreite decken, gegenüer der Konfigurtion mit zwei örtlich egrenzten Mgnetfeldern. 4 Technik 1/1996
S T R N G G I E S S E N Strnggießnlge im Sthlwerk SS in Luleå/Nordschweden Die Tempertur m dspiegel (Meniskus) erhöht sich ei nwendung der elektromgnetischen remse um 5 15. ei reiten Kokillen und niedriger Gießgeschwindigkeit eispielsweise knn ei der Konfigurtion Ruler eine Leistungsreduktion erforderlich sein. Sonst knn die Sthlströmung n den Schmlseiten der rmme durch zu strke remsung zum Stillstnd kommen, so dß mn unter Umständen den entgegengesetzten Effekt erzielt eine zu niedrige Tempertur und ds Erstrren der Schmelze m dspiegel. ei nringung eines sttischen Mgnetfeldes in der Kokille vermindert sich die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Sthls direkt unter dem dspiegel häufig sehr strk. ei der Konfigurtion F Mold, ei der die Gießöffnungen für den Sthlstrhl zwischen den eiden gleichmäßigen Mgnetfeldern liegen, tritt eine egrenzte remsung des Sthlstrhls gegen die Schmlseiten uf und infolgedessen eine niedrigere Reduktion der mittleren Geschwindigkeit m dspiegel. Diese Konfigurtion ht den Vorteil, dß die Sthlströmung m dspiegel von den Schmlseiten weg zum Gießrohr gerichtet ist. Die Gefhr, dß die Strömung zum Stillstnd kommt, ist lso gering. 1 Im Vergleich zu einem ungeremsten Gießstrng vermindert sich die Eindringtiefe des Sthlstrhls in llen Konfigurtionen. Die räumliche nordnung und die Stärke des remsfeldes sind jedoch für die optimle Strömung und dmit für die Sthlqulität von usschlggeender edeutung. Die Neigung zu niederfrequenten Schwingungen hoher mplitude m dspiegel wird unter der Einwirkung eines sttischen Mgnetfeldes wirksm gedämpft. Dmit vermindert sich uch die Gefhr, dß Gießpulver mit nch unten gezogen wird, ws ei hoher Geschwindigkeit und eschleunigung der Strömung m dspiegel sonst leicht vorkommt. Weitere nwendungsgeiete für ds elektromgnetische remsen eim Strnggießen sind für kleinere Strngmessungen zu erwrten: die verminderte Eindringtiefe des Sthlstrhls und die höhere Tempertur direkt unterhl des dspiegels hen einen günstigen Einfluß uf die Sthlqulität. Mit Hilfe der elektromgnetischen EMR 2 3 4 5 6 7 Prinzipielle Drstellung der Sthlströmung im kontinuierlich gegossenen Strng, links ohne, rechts mit elektromgnetischer remsung (EMR) 2 S Strngreite Ohne EMR Mit EMR 1 Große Eindringtiefe 5 Ruhigerer, heißerer dspiegel der nichtmetllischen Einschlüsse 6 geremste Zone 2 Gießpulverschicht 7 Geringe Eindringtiefe 3 Gestörter dspiegel der nichtmetllischen Einschlüsse 4 Turulenzen 1 S Technik 1/1996 5
S T R N G G I E S S E N I II III Unterschiedliche Konfigurtionen der elektromgnetischen remse (EMR) 3 I II III Grundkonfigurtion: zwei örtlich egrenzte Mgnetfelder entlng der Strngreite Konfigurtion Ruler: ein gleichmäßig uf der gnzen Strngreite wirkendes Mgnetfeld Konfigurtion F Mold: zwei üer die gnze Strngreite wirkende Mgnetfelder, zwischen denen die Gießöffnungen für den flüssigen Sthl liegen remsung dürften lso in Zukunft ei eiehltener Qulität erhelich höhere Gießgeschwindigkeiten möglich sein, ws esonders eim Gießen von dünnen rmmen interessnt ist. Konfigurtion I örtliche Mgnetfelder quer zum Strng ei der ältesten Konstruktion der elektromgnetischen remse sind zwei oder mehrere örtlich egrenzte Mgnetfelder entlng der Strngreite ngeordnet 3. Mit dieser Entwicklung esichtigte mn, ein tiefes Eindringen des flüssigen Sthls in den Strng zu vermeiden und die Menge der nichtmetllischen Einschlüsse zu verrin- Konfigurtion I: erechnetes Strömungsfeld in den Schnitten, und ei einer elektromgnetischen remse mit örtlich egrenztem Mgnetfeld und ei unterschiedlicher mgnetischer Flußdichte 4 Schnitt durch die Strngmitte = 0 T Strngmessungen 245 1600 mm Schnitt 100 mm = 0,16 T Gießgeschwindigkeit 1,6 m/min seitlich von der Gießöffnung c = 0,32 T Eintuchtiefe 190 mm Schnitt 20 mm usströmwinkel 45 unterhl des dspiegels Spezifische dspiegelleistung 75 kw/m 2 rgongsmenge 10 l/min Üerhitzungstempertur 10 c 6 Technik 1/1996
S T R N G G I E S S E N gern. Wie Meßergenisse zeigen, vermindert sich die Eindringtiefe ei dieser Konfigurtion um mximl 50%, während die Tempertur direkt unterhl des dspiegels um 5 10 nsteigt. ei höchster remsleistung esteht jedoch die Gefhr, dß die Sthlströmung zum Stillstnd kommt. ußerdem knn, eispielsweise ei schmlem Strngquerschnitt, ein ungünstiges Strömungsild, d. h. ein einziger Strömungsknl in der Mitte, zu einer Vermehrung der nichtmetllischen Einschlüsse in der erstrrten Schle führen. Deshl sind Simultionen ein wichtiges Werkzeug zur Ermittlung der optimlen nordnung von elektromgnetischen remsen. Die erechneten Strömungsilder in drei Dimensionen sind in 4 und die induzierten Ströme und Lorentz-Kräfte in 5 drgestellt. Induzierte elektrische Ströme () und Lorentz-Kräfte () in den Schnitten, und ei einer elektromgnetischen remse mit örtlich egrenztem Mgnetfeld und mit denselen Gießdten wie in ild 4, jedoch mit einer mgnetischen Flußdichte von 0,32 T 5 Konfigurtion Ruler: erechnete solute Geschwindigkeitsverteilung in der Strngmitte. 6 Im schwrzen ereich eträgt die solute Geschwindigkeit 0,4 1,0 m/s Für lle Teililder gilt: Eintuchtiefe 150 mm, Eintuchtiefe 250 mm, Strngmessungen 225 1300 mm usströmwinkel 0 usströmwinkel 30 Gießgeschwindigkeit 1,5 m/min EMR us, rgongsmenge 0 e EMR us, rgongsmenge 0 Spezifische dspiegelleistung 75 kw/m 2 EMR us, rgongsmenge 10 l/min f EMR us, rgongsmenge 10 l/min Üerhitzungstempertur 20 c EMR ein, rgongsmenge 0 g EMR ein, rgongsmenge 0 Höchste Flußdichte 430 mm d EMR ein, rgongsmenge 10 l/min h EMR ein, rgongsmenge 10 l/min unterhl des dspiegels: 0,3 T 1300 c d e f g h Technik 1/1996 7
S T R N G G I E S S E N 2500 c Konfigurtion II Ruler: Verfolgung von 200 µm großen Prtikeln in Strngmitte ei einer mgnetischen Flußdichte von 0 (), 0,15 () und 0,30 T (c) 7 Strngmessungen 250 2500 mm Eintuchtiefe 225 mm Spezifische dspiegelleistung 150 kw/m 2 Gießgeschwindigkeit 0,9 m/min usströmwinkel 20 rgongsmenge 5 l/min Üerhitzungstempertur 15 Konfigurtion II (Ruler) üer die gnze Strngreite wirkendes Mgnetfeld Die Konfigurtion Ruler ist die zweite Genertion der elektromgnetischen remse 3. ei ihr wirkt uf der gnzen Strngreite ein gleichmäßiges Mgnetfeld. Die ersten elektromgnetischen remsen dieser urt wurden 1991 ei Sollc, Dunkerque/ Frnkreich, und Hoogovens, IJmuiden/ Niederlnde, in etrie genommen. Der Einfluß der rgongsmenge und der Eintuchtiefe der Gießöffnung uf die solute Geschwindigkeit ist in 6 drgestellt. ei geringer Eintuchtiefe und nhezu horizontler ustrittsöffnung des Gießrohrs neigt die Sthlströmung dzu, in die Zone oerhl des Mgnetfeldes einzudringen. Mit erhöhter Eintuchtiefe und mehr nch unten gerichteter ustrittsöffnung gelngt die Sthlschmelze direkt in ds Mgnetfeld, so dß der Strhl wirksm geremst wird. ei einer zu hoch ngeordneten elektromgnetischen remse können sich jedoch uf diese Weise rgongslsen nhe m Gießrohr nsmmeln. llgemein gilt, dß sich die erechnete Temperturverteilung in einem 2500 mm reiten Strng ei elektromgnetischer remsung mit der Konfigurtion Ruler, und zwr ei einer mgnetischen Flußdichte von 0 (), 0,15 () und 0,3 T (c). Im schwrzen ereich eträgt die Üerhitzungstempertur 6 8 (Gießdten wie in ild 7). 8 Schnitt durch die Strngmitte Schnitt 20 mm unterhl des dspiegels 2500 c 8 Technik 1/1996
S T R N G G I E S S E N Verminderung der Mischregion 9 von 6 uf 3 m Strnglänge ei Umstellung der Qulität ei der Preussg Sthl G, Slzgitter, ohne (lu) und mit elektromgnetischer remsung (rot) l Si MR 1 MR 2 Strnglänge Siliziumgehlt Mischregion ohne EMR Mischregion mit EMR Si 1.0 % 0.8 0.6 0.4 MR 2 MR 1 dspiegeltempertur ei der Konfigurtion Ruler um 5 15 erhöht. Wie erechnungen und prktische Messungen zeigen, läßt sich ein sttisches Mgnetfeld in der Kokille zur Steuerung der Metllströmung m dspiegel enutzen. Wenn keine elektromgnetische remse vorhnden ist, hängt diese Strömung von der Strngreite, der Gießgeschwindigkeit, der rgongsmenge und der usführung der Gießöffnung. ei elektromgnetischer remsung läßt sich die Geschwindigkeit m dspiegel regeln. Normlerweise versucht mn, diese Geschwindigkeit zu reduzieren. ei zu strker remsung knn jedoch eine entgegengesetzte Strömung entstehen, die von der Gießöffnung gegen die Schmlseiten gerichtet ist. Die Schwierigkeit, genu voruszusehen, wnn sich die Sthlströmung m dspiegel wendet, erhöht die Gefhr des Erstrrens. Die Verfolgung von 200 µm großen Prtikeln ist in 7 und die erechnete Temperturverteilung in einer 2500 mm reiten Kokille in 8 drgestellt. Im letzteren Fll ist die Strömung n den Schmlseiten ei voller remsleistung nhezu zum Stillstnd gekommen. ei niedriger Üerhitzungstempertur esteht n den Schmlseiten des dspiegels die Gefhr des Erstrrens. In diesem Fll muß mn die mgnetische Flußdichte der elektromgnetischen remse vermindern, die Gießgeschwindigkeit erhöhen oder die ustrittsöffnung des Gießrohrs verkleinern. Die elektromgnetische remse ht sich in der Prxis ls ein sehr wirksmes Werkzeug zur Verminderung der Eindringtiefe von Einschlüssen erwiesen. Wie Messungen ei der Preussg Sthl, 0.2 0 0 1 2 3 4 l 5 6 7 8 9 10 11 m 12 In der Sthlschmelze induzierte elektrische Ströme in den Schnitten, 10 und () sowie rgongsgehlt im Schnitt () ei Einstz einer elektromgnetischen remse der Konfigurtion F Mold mit einer Flußdichte von 0,3 T. Ds Tuchrohr ht vier ustrittsöffnungen, die zwischen den eiden Mgnetfeldern liegen. Trotz der reltiv niedrigen mgnetischen Flußdichte und der unterschiedlichen Richtung der induzierten Ströme verminderte sich in vorhndenen nlgen die Eindringtiefe für Verunreinigungen um mximl 50%. Schnitt durch die Strngmitte Strngmessungen 260 1700 mm Schnitt 100 mm Gießgeschwindigkeit 1,7 m/min seitlich von der Gießöffnung Eintuchtiefe 200 mm Schnitt 20 mm usströmwinkel 20 unterhl des dspiegels Spezifische dspiegelleistung 75 kw/m 2 rgongsmenge 16 l/min Üerhitzungstempertur 25 Technik 1/1996 9
S T R N G G I E S S E N 30 cm/s 10 v 0 10 20 30 40 50 60 320 360 400 440 s 480 t 50 cm/s 30 20 10 v 0 10 20 0 1 2 3 4 5 min 6 t Mit Hilfe des LES-Modells erechnete dspiegelgeschwindigkeit v ohne (lu) und mit elektromgnetischer remsung (rot) Strngmessungen 50 1300 mm Gießgeschwindigkeit 5,5 m/min 11 Gemessene dspiegelgeschwindigkeit v 12 ohne (lu) und mit elektromgnetischer remsung (rot) Strngmessungen 225 2100 mm Gießgeschwindigkeit 1,3 m/min Slzgitter/Deutschlnd, zeigen, ließ sich die Mischregion im Strng, die eim Umstellen des Reduktionsgrdes entsteht, durch elektromgnetisches remsen reduzieren 9. Konfigurtion III (F Mold) zwei prllele Mgnetfelder Die Konfigurtion F Mold 3 wurde von der jpnischen Kwski Steel orportion in Zusmmenreit mit entwickelt. Sie ist durch zwei prllele Mgnetfelder gekennzeichnet, die jeweils uf der gnzen reite des Strnges in der Kokille wirken. Die im geschmolzenen Sthl induzierten elektrischen Ströme und die rgongsmenge ei Einstz dieser Konfigurtion sind in 10 drgestellt. Owohl die mgnetische Flußdichte reltiv niedrig ist und die induzierten Ströme verschiedene Richtungen hen, wurde eine Verminderung der Eindringtiefe um mximl 50% gemessen. Die mittlere Geschwindigkeit unter dem dspiegel verringerte sich nicht in gleichem Mße, er die remsleistung läßt sich wie ei der Konfigurtion Ruler durch Veränderung der Eintuchtiefe und des Winkels für die Gießöffnung steuern. Ergenisse nch dem trnsienten Modell Ein sttisches Mgnetfeld dämpft die niederfrequenten Schwingungen in der Kokille. Im Unterschied zur Temperturerhöhung, die erst nch rund 2 min zum Trgen kommt, mcht sich diese Dämpfung sofort nch Einschlten der elektromgnetischen remse emerkr. Die erechnete horizontle Geschwindigkeit direkt unter dem dspiegel und 325 mm von der Strngmitte entfernt zeigt 11. Prktische Messungen in mehreren nlgen mit elektromgnetischen remsen estätigten, dß die Schwingungen wirksm gedämpft werden. Ein eispiel hierfür ist eine Strnggießnlge ei Hoogoven in IJmuiden/Niederlnde 12. Hier ließ sich eine ugenfällige Reduktion sowohl der mittleren Geschwindigkeit ls uch der Schwingungen feststellen. Ddurch verringert sich die Gefhr, dß Gießpulver in den Sthlstrng hinuntergezogen wird. Physiklische und mthemtische Grundlgen der erechnungsmodelle Zur Vorussge der uswirkungen der elektromgnetischen remsung uf die Sthlströmung wurden folgende zwei Modelle entwickelt: Sttionäres Turulenzmodell: Es diente zur erechnung der mittleren Sthlströmung im Strng ei unterschiedlichen Konfigurtionen, woei mn die Hukrft des rgongses in der Schmelze sowie die Verteilung der Einschlüsse unter dem Einfluß unterschiedlicher elektromgnetischer Feldkonfigurtionen erücksichtigte. Ds dreidimensionle Mgnetfeld wurde mit dem Progrmm TOS von Vector Fields erechnet und dnch im Strömungsprogrmm Hrwell Flow3D eingesetzt. Trnsientes LES-Modell: Um den Einfluß der elektromgnetischen remsung uf die niederfrequenten Schwingungen m dspiegel zu untersuchen, enutzte mn ein sogennntes trnsientes LES- Turulenzmodell (Lrge Eddy Simultion). Literturhinweise [1] Lehmn,.F. u..: Fluid flow control in continuous csting using vrious configurtions of sttic mgnetic fields. Interntionl Symposium on Electromgnetic Processing of Mterils, Ngoy/Jpn, 1994. [2] Tlläck, G. u..: Simultions of EMR influence on fluid flow in sls. 17th dvnced Symposium 1994, Phoenix, Z/ US, Report GRT 40681 (1994). dresse der utoren nders Lehmn Göte Tlläck Åke Rullgård Industril Systems Metls Division, Steelworks Products S-72167 Västerås Telefx: +46 (0) 21 14 83 27 10 Technik 1/1996