DE69319191T2

DE69319191T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Stranggiessen von Stahl

Info

Publication number: DE69319191T2
Application number: DE69319191T
Authority: DE
Inventors: Nagayasu Bessho; Tetsuya Fujii; Akira Idogawa; Toshikazu Sakuraya; Kenichi Sorimachi
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1992-09-04
Filing date: 1993-09-03
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2013-09-04
Also published as: DE69319191D1; EP0585946A1; TW238268B; CA2105524C; CA2105524A1; KR940006665A; EP0585946B1; KR960010243B1; US5375648A

Description

Die vorliegende Erfindung betrift ein Verfahren zum Stranggießen von Stahl umfassend den Schritt des Induktionserhitzens einer Stahlschmelzeoberfläche in einer Form, und den Schritt des Herstellens von Gußprodukten mit verbesserten Oberflächeneigenschaften.
Im allgemeinen hängen die Oberflächeneigenschaften von Gußprodukten, die durch Stranggießen von Stahl erhalten werden, stark davon ab, unter welchen Bedingungen und wie Stahlschmelze in der Form zu erstarren beginnt, das bedeutet, sie hängen von den Bedingungen der Anfangserstarrung ab.
Die Bedingungen der Anfangserstarrung werden durch eine Vielzahl von Faktoren, wie z.B. (1) Vibration (wenn vorhanden) der Form, (2) Reibung (Schmierung) der Form und der Gußprodukte, (3) Wärmeverlust in der Nähe des Meniskus an der Oberfläche der Stahlschmelze, (4) Fließeigenschaften der Stahlschmelze in der Form und anderen Bedingungen.
Die Bedingungen der Anfangserstarrung werden tatsächlich von vielen Faktoren bestimmt, die sich gegenseitig auf komplizierte Weise beeinflussen. Darüber hinaus nimmt man an, daß es wichtig ist, eine spezielle Steuerung der thermischen Bedingungen zu schaffen und zu erhalten, die am Meniskus herrschen, um Gußprodukte mit guten Oberflächeneigenschaften zu erhalten.
Um die anwendbaren thermischen Bedingungen zu variieren, sind verschiedene Verfahren, wie z. B. Variieren der Rate des Wärmeverlustes durch Verwendung verschiedener Formmaterialien und durch Erhitzen des Meniskus von außerhalb der Form verfügbar.
Wie in der japanischen Patentveröffentlichung JP-B-5721408 offenbart, ist in einer herkömmlichen für das Stranggießen verwendeten Form eine Induktionsheizspule am Ende einer Kühlplatte einer aus Kupfer hergestellten Form angeordnet. Da Kupfer hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, ist es notwendig, um wirksam die Stahlschmelze zu erhitzen, entweder eine Induktionsheizspule mit niedriger Frequenz vorzusehen oder, wenn Hochfrequenz verwendet wird, die Dicke der Kupferplatte soviel wie möglich, z. B. auf ungefähr 1 mm, zu verringern.
Wenn jedoch Niederfrequenz verwendet wird, wird die Stahlschmelze in der Form verwirbelt und mit Formpulver verschmutzt, was die Qualität des Produktes beeinträchtigt.
Wenn die Dicke der Kupferplatte weiter verringert wird, ist die Kupferplatte anfällig für Schäden durch Wärme, mit der schwerwiegenden Folge, daß eine Dampfexplosion wahrscheinlich auftritt, wenn die Stahlschmelze in Kontakt mit dem Kühlwasser in der Form kommt.
Eine Veränderung der thermischen Bedingungen kann durch Ändem des Formmaterials erreicht werden, wobei die Verwendung einer Ni-Cr-Fe-Legierung mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und hoher Wärmefestigkeit eingeschlossen ist, wie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nummer 3-264143 offenbart.
Ein schwerer Nachteil dieses Lösungsversuches besteht jedoch darin, daß die thermischen Bedingungen am Meniskus nicht präzise und genau gesteuert werden können. Zum Beispiel hängen die thermischen Bedingungen am Meniskus zumindest teilweise von den Gießbedingungen ab, wie z. B. von der Gießgeschwindigkeit und der Temperatur der Stahlschmelze, die in die Form eingebracht wird, wodurch schwache Ergebnisse ähnlich denen die unter Verwendung von herkömmlichen Kupferformen erzielt wurden, verursacht werden.
Ein anderes Verfahren des Variierens anwendbarer thermischer Bedingungen umfaßt Erhitzen der Stahlschmelzeoberfläche in der Form, wie z. B. durch Lichtbogenerhitzen oder ähnlichem. Ein Verfahren verwendet Induktionserhitzen mit Hilfe einer Flach-Spule, wie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nummer 56-68565 offenbart, in der Wärmeeintrag in den Meniskus unabhängig von den Gießbedingungen gesteuert werden kann. Die Flach-Spule wird etwas oberhalb der Oberfläche der Stahlschmelze in der Form angebracht, um Wechselstrom einzusetzen, wodurch die Oberfläche der Stahlschmelze gleichmäßig erhitzt wird. Da Hochfrequenz-Strom dazu gebracht wird, in die Heizspule zu fließen, wird Joulesche Wärme im Leiter erzeugt und die Spule wird wahrscheinlich beschädigt. Deshalb fließt Kühlwasser in die Spule, um eine solche Beschädigung zu verhindern. Die Anwesenheit einer Flach-Spule, die etwas über der Oberfläche der Stahlschmelze angebracht ist, stellt jedoch schwere Probleme dar.
(1) Um einen guten Wärme-Wirkungsgrad zu erzielen, ist es notwendig, die Heizspule nahe an der Oberfläche der Stahlschmelze anzuordnen. Dies hebt jedoch das Niveau der Oberfläche der Stahlschmelze und taucht die Heizspule in die Stahlschmelze, wodurch die Spule beschädigt wird und weiter das Auslaufen von Kühlwasser verursacht wird, das die Stahlschmelze berührt und eine Dampfexplosion zur Folge hat.
(2) Im allgemeinen ist ein Wirbel-Höhensensor zum Messen der Höhe der Stahlschmelze üblicherweise etwas oberhalb der Oberfläche der Stahlschmelze vorgesehen. Ein solcher Sensor ist gegen Erhitzung durch die Heizspule ungeschützt, was Beschädigung zur Folge hat.
(3) Die Heizspule muß von Zeit zu Zeit für das Auswechseln einer Tauchdüse und einer Gießwanne abgenommen werden, um eine Beschädigung der Spule zu vermeiden.
(4) Formpulver wird normalerweise in die Stahlschmelze eingebracht, um die Temperaturerhaltung auf der Oberfläche der Stahlschmelze, die Absorption nicht metallischer Einschlüsse, die Schmierung zwischen der Form und den Gießprodukten und ähnlichem zu erhöhen. Das Formpulver wird beständig von oben zugeführt, um zu gewährleisten, daß ein vorbestimmtes Volumen vorgesehen wird. Da die Induktionsheizspule somit widrigen Bedingungen unterworfen ist, ist die Steuerung der Wartung schwierig.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehenden Nachteile zu beseitigen, was durch Vorsehen eines Verfahrens zum Stranggießen von Stahl erreicht wird, bei dem die Oberfläche der Stahlschmelze in einer Stranggußform wirksam durch Verwendung einer Induktionsheizspule, die außerhalb der Form angebracht ist, erhitzt wird.
Als Ergebnis einer vollständigen Untersuchung der komplizierten Beziehungen zwischen dem Formmaterial, dessen Dicke, den Eigenschaften einer Induktionsspule und dem Wesen der Stahlschmelze in der Form, wurde die vorliegende Erfindung erreicht durch Schaffen eines Verfahrens zum Stranggießen von Stahl, wie in Anspruch 1 beschrieben.
In den Zeichnungen ist
Fig. 1 eine schematische Aufsicht, die eine für das erfindungsgemäße Stranggießen verwendete Formgestalt zeigt,
Fig. 2 ein Teilquerschnitt, der die Form bei der Durchführung des Stranggießens zeigt,
Fig. 3 eine schematische Darstellung bzgl. der Induktionserhitzung,
Fig. 4 ein Diagramm, das die Eigenschaften bestimmter Beziehungen zwischen dem Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeit der Form und der Stahlschmelze einerseits und dem Verhältnis der Eindringtiefe des Magnetfeldes zur Formdicke andererseits angibt,
Fig. 5 ein anderes Diagramm, das die erfindungsgemäße Verbesserung des Wärme-Wirkungsgrades durch Verringern der elektrischen Leitfähigkeit und der Dicke der Form angibt,
Fig. 6 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Wärmewert und der Kreisfrequenz angibt,
Fig. 7 ein Diagramm, das die Beziehung der Werte der Gleichung, die bei der Anwendung dieser Erfindung verwendet wurden, darstellt,
Fig. 8 ein Diagramm, das die Beziehungen zwischen ξ und η angibt, um erfindungsgemäß im wesentiichen einen konstanten Wärme-Wirkungsgrad zu erhalten,
Fig. 9 ein Diagramm, das exponentiell die Beziehungen zwischen der Eingabeleistung und der Frequenz darstellt,
Fig. 10 ein Diagramm, das die Beziehungen in einer herkömmlichen Form des Standes der Technik angibt,
Fig. 11 ein seitlicher Querschnitt, der eine Ausführungsform einer Form mit eingebauter erfindungsgemäßer Induktionsheizspule zeigt,
Fig. 12 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht, die einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Induktionsheizspule zeigt,
Fig. 13 ein Zeit-Temperatur-Diagramm tatsächlicher Durchläufe, die die Vorteile der vorliegenden Erfindung zeigt, und
Figuren 14 und 15 eine Vielzahl von Graphen, die die Ergebnisse tatsächlicher Durchläufe zeigt und ferner die Vorteile der vorliegenden Erfindung.
Wenn Wechselstrom durch eine Spule fließt, wird eine elektromagnetische Welle erzeugt und breitet sich durch den Raum aus. Die elektrische Feldstärke B&sub0; der Welle nimmt proportional zum Strom I&sub0; zu, der in der Spule fließt, und diese Beziehung kann durch die Formel (1) ausgedrückt werden.
B&sub0; = αu&sub0;I&sub0; (1),
worin α eine durch den Aufbau der Spule bestimmte Konstante ist und u&sub0; die Permeabilität im Vakuum ist, und den Wert 4 π x 10&supmin;&sup7; H/m besitzt.
Bezug nehmend auf die Fig. 1 und 2 der Zeichnungen wirkt die durch die Spule erzeugte elektromagnetische Welle auf die Stahlschmelze 6 mit einer elektrischen Leitfähigkeit &sub2; durch die Form 1, die eine Dicke d und eine elektrische Leitfähigkeit &sub1; autweist, um die Stahlschmelze 6 in einer Form 1 mit Hilfe einer Induktionsheizspule 4, die außerhalb der Form 1 angebracht ist, zu erhitzen.
Wie in Fig. 3 dargestellt, wird die elektromagnetische Welle B&sub0;, die auf die Stahlschmelze 6 wirkt, teilweise auf der Oberfläche der Form 1 und auf der Oberfläche, die die Form 1 und die Stahlschmelze 6 berührt, reflektiert und wird ferner teilweise in der Form 1 absorbiert, wodurch die elektromagnetische Welle, die die Stahlschmelze 6 erreicht, abgeschwächt wird. Wenn die elektromagnetische Welle die Stahlschmelze 6 erreicht, erzeugt sie Induktionselektrizität und versorgt die Stahlschmelze 6 mit Joulescher Wärme.
Es wurde bestätigt, daß, wenn die Joulesche Wärme ist (zur Vereinfachung wurde die linke Seite der Gleichung 2 so ausgedrückt), die Joulesche Wärme durch die folgenden Gleichungen (2) bis (5) auf Grundlage der Theorie der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in Metall ausgedrückt werden kann:
worin x der Abstand vom Berührungspunkt zwischen der Form 1 und der Stahlschmelze 6 ist und ω die Kreisfrequenz der elektromagnetischen Welle. Die Beziehung zwischen der Kreisfrequenz ω und der Frequenz f wird durch die folgende Gleichung (6) ausgedrückt.
ω = 2πf (6)
Wie aus den Gleichungen (2) bis (6) ersichtiich, hängt der erzeugte Wärmewert auf komplizierte Weise von der Dicke d der Form, deren elektrischen Leitfähigkeit &sub1; und der Kreisfrequenz ω der elektromagnetischen Welle ab. Diese Abhängigkeit wird durch die charakteristische Funktion g (ξ, η) dargestellt.
Fig. 4 ist ein Diagramm, das g (ξ, η) als Funktion von ξ für die Fälle, wenn η jeweils 0,01, 0,1, 1 und 10 beträgt, darstellt Andererseits ist Fig. 5 ein Diagramm, das g (ξ, η) als eine Funktion von η in den Fällen darstellt, wenn ξ jeweils gleich 0,1, 0,5, 1 und 2 beträgt.
Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, nimmt g (ξ, η) ab, wenn ξ und η ansteigen. Somit kann eine Verbesserung des Wärme-Wirkungsgrades durch Verringern der elektrischen Leitfähigkeit &sub1; und Verringern der Dicke d der Form erreicht werden.
Die Abhängigkeit des Wärmewertes von der Kreisfrequenz ω wird durch η² g (ξ, η) hinsichtlich η dargestellt. Wenn z. B. ξ gleich list, wird die Abhängigkeit des Wärmewertes in dem in Fig. 6 gezeigten Diagramm angegeben. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, wird der Wärmewert maximal, wenn η ein bestimmter spezieller Wert η&sub0; ist, und somit ist die optimale Kreisfrequenz im Wärmewert vorhanden.
Daraus folgt, daß es notwendig ist, die elektrische Leitfähigkeit &sub1; der Form, deren Dicke d und die Kreisfrequenz ω des in der Induktionsheizspule fließenden Stromes so zu bestimmen, daß diese den folgenden Gleichungen (7) und (8) genügen.
Da ferner die Form aus einem Material mit niedrigerer elektrischer Leitfähigkeit als Kupfer und guter Hitzebeständigkeit gebildet sein muß, wird ein Metall mit niedrigerer elektrischer Leitfähigkeit als Kupfer für das Material der Form 1 verwendet.
Beschränkungen der auf die obige Gleichung (7) anwendbaren Werte werden im folgenden beschrieben. Fig. 7 ist ein Diagramm, das η&sub0; angibt, um den maximalen Wärmewert zu erreichen und η wird als Funktion von ξ in den Fällen angesehen, wenn der Wärme-Wirkungsgrad g (ξ, η) 0,1, 0,5 und 0,9 jeweils, wie in Fig. 7 dargestellt, beträgt. Wie aus Fig. 7 ersichtiich, beträgt der Wärme-Wirkungsgrad ungefähr 10 % oder weniger, wenn ξ ≥ 2 und η so bestimmt ist, um den maximalen Wärmewert zu erhalten. Wenn ferner ξ zunimmt, fällt der Wärme-Wirkungsgrad stark umgekehrt proportional zu ξ². Deshalb ist es wichtig, daß ξ im wesentiichen gleich oder kleiner als 2 ist, das bedeutet, ξ² ≤ 4, wenn beide Faktoren, Wärmewert und Wärme-Wirkungsgrad berücksichtigt werden.
Es ist nicht besonders notwendig, erfindungsgemäß die untere Grenze von ξ zu bestimmen. Die untere Grenze kann jedoch als ξ² ≥ (10&sup5; Ω&supmin;¹ m&supmin;¹/10&sup8; Ω&supmin;¹ m&supmin;¹) = 10&supmin;³ (ξ ≥ 3 x 10&supmin;²) bestimmt werdenInd wenn klargestellt ist, daß die Stahlschmelze in eine Metallform mit einer elektrischen Leitfähigkeit im Bereich zwischen ungefähr 10&sup5; Ω&supmin;¹ m&supmin;¹ und 10&sup8; Ω&supmin;¹ m&supmin;¹ gegossen wird.
Die Beschränkungen der Werte der obigen Gleichung (8) werden im folgenden beschrieben. Fig. 8 gibt ξ und η an, wenn der Wärmewert, das bedeutet, η² g (ξ, η) konstant ist. Wie aus Fig. 8 deutlich ersichtlich, gilt, wenn η ≤ (1/10), η² g (ξ, η) < 10&supmin;², wodurch der Wärmewert abnimmt. Andererseits im Fall, wenn η > 10, obwohl η² g (ξ, η) größer ist, wenn ξ kleiner wird, senkt bereits ein geringer Anstieg von ξ n² g (ξ, η) stark, und der Wärmewert nimmt somit ab. Das bedeutet, daß der Wärmewert, im Fall, wenn η > 10 ist, stark durch ξ beeinflußt wird. Deshalb ist es notwendig, daß (1/10) ≤ η ≤ 10 ist, wenn beide Faktoren berücksichtigt werden, um auf ausreichende Weise den Wärmewert zu erhalten und ihn nicht beträchtlich hinsichtlich ξ (um kaum durch ξ beeinflußt zu werden) zu variieren.
Wie oben erfindungsgemäß hergeleitet, wurde herausgefunden, daß es möglich ist, Wärmeenergie wirksam der Oberfläche der Stahlschmelze durch Verwendung einer Induktionsheizspule, die außerhalb der Form angebracht ist, zuzuführen, da das Material der Form und deren Dicke geeignet bestimmt wurde und ein Material mit einer niedrigeren elektrischen Leitfähigkeit als Kupfer als Formmaterial verwendet wird.
Wichtige Überlegungen betreffen ferner die Dicke der Form.
Herkömmlicherweise wird der Wirkungsgrad der Induktionserwärmung durch ein Wechselstrom-Magnetfeld entsprechend der Eintrittsposition der elektromagnetischen Welle mit einer Frequenz f berechnet, wenn eine Form mit einer Dicke d und einer elektrischen Leitfähigkeit &sub1; in Vakuum (oder an Luft) angeordnet ist.
Entsprechend einer der Richtlinien nimmt man an, daß die elektromagnetische Welle wirksam durchdringt, wenn die Eindringtiefe δ und die Formdicke d ungefähr d ≤ δ ist.
Die Beziehung zwischen f, δ und &sub1; ausgehend von dieser Durchdringung wird in Fig. 10 gezeigt.
Wenn z.B. die Form aus Kupfer ( &sub1; = 2x10&sup7; Ω&supmin;¹ m&supmin;¹) ist, beträgt die Eindringtiefe δ ungefähr 4 mm und 1,1 mm, wenn die elektromagnetische Welle eine Frequenz von 1 kHz und 10 kHz jeweils aufweist. Somit muß die Dicke der Form ungefähr gleich oder geringer als die jeweiligen Werte der Eindringtiefe sein.
Der Wärmewirkungsgrad berücksichtigt nur die Permeabilität der elektromagnetischen Welle, wenn sie mit Hilfe des obigen Verfahrens berechnet wurde. Es ist in der Tat jedoch notwendig, da die Stahlschmelze, die ebenfalls leitfähig ist, in der Form anwesend ist, die Dämpfung der elektromagnetischen Welle in der Stahlschmelze zu berücksichtigen.
Da das Ziel die Erwärmung der Stahlschmelze und nicht die Permeabilität der elektromagnetischen Welle ist, wird deshalb im folgenden der Wärmewert in der Stahlschmelze diskutiert.
Fig. 9 ist ein Diagramm, das exponentiell die Beziehung zwischen der Leistung P, die erforderlich ist, um den konstanten Wärmewert zu erhalten, der mit Hilfe der obigen Formel (2) gefunden wurde, zu erhalten, und der Frequenz f.
Zwei Arten von Materialien, Kupfer und Inconel 718, werden als Formmaterial in der Ausführungsform verwendet. Das Diagramm gibt Formen mit einer Dicke von jeweils 4 mm und 25 mm an.
Kupfer mit einer Dicke von 4 mm senkt deutiich die Leistung auf ein niedrigeres Niveau als Kupfer mit einer Dicke von 25 mm, wie aus Fig. 9 ersichtiich. Ein elektrisch schwach leitendes Material, wie z. B. Inconel 718, senkt weiter die Leistung und verringert den Wert um ein Niveau oder mehr.
Ferner, wie durch den Pfeil in Fig. 9 angegeben, unter Berücksichtigung eines Faktors, wie z. B. der Erwärmung, wird erfindungsgemäß bestimmt, daß die optimale Frequenz erforderlich ist, um einen guten Wärme-Wirkungsgrad zu erhalten, was gemäß dem herkömmlichen Verfahren, das nur die Permeabilität der elektromagnetischen Welle berücksichtigte, nicht in Erwägung gezogen wurde.
Wie in Fig. 9 gezeigt, liegt der Bereich der optimalen Frequenz zwischen ungefähr 1 bis 10 kHz.
Um zu verhindern, daß ein Stützrahmen thermisch durch eine im Stützrahmen angeordnete Induktionsheizspule beschädigt wird, kann ein Spuhlen-anordnender Bereich teilweise aus nicht magnetischem rostfreiem Stahl gebildet sein. Die Dicke D des unmagnetischen rostfreien Stahles beträgt vorzugsweise gemäß der folgenden Gleichung ungefähr:
D ≥ 1/ [πu f],
worin u die Permeabilität des unmagnetischen rostfreien Stahles
(= 4 π x 10&supmin;&sup7; H/m),
die elektrische Leitfähigkeit des unmagnetischen rostfreien Stahles und f die Hochfrequenz bezeichnen.
Fig. 11 ist ein seitlicher Querschnitt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Erfindungsgemäß, wie in Fig. 11 dargestellt, ist eine Induktionsheizspule 4 über einen Spannrahmen 10 auf Höhe eines Gießspiegels 7 in einen Stützrahmen 8, der eine Form 1 abstützt, integriert. Das ermöglicht die Lösung solcher Probleme, wie z. B. der Beschädigung der Spule durch Erwärmen der Stahlschmelze von oberhalb der Form mit Hilfe des herkömmlichen Verfahrens, der Gefahr der Dampfexpiosion, Arbeiten zur Entfernung der Spule beim Auswechseln einer Tauchdüse oder einer Gießwanne, Verschmutzung aufgrund des Formpulvers u. ä.
Wenn Hochfrequenzerwärmung auf der rückwärtigen Oberfläche der Form durchgeführt wird, wird andererseits die elektromagnetische Welle in der Form absorbiert und es ist infolgedessen notwendig, die Leistung unter Verlust zu erhöhen, um die erforderliche Wärme auf der Oberfläche der Stahlschmelze bereitzustellen.
Die Permeabilität ηt der elektromagnetischen Welle kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden.
ηt = exp (- [πu f] d) (9),
worin die elektrische Leitfähigkeit der Form ist, u die Permeabilität bezeichnet, d die Dicke ist und f die Frequenz der elektromagnetischen Welle ist. Somit weist Formmaterial vorzugsweise eine geringere elektrische Leitfähigkeit und eine höhere Warmfestigkeit hinsichtlich der Abnahme der Dicke d auf. Zum Beispiel können eine Ni-Cr-Fe- Legierung oder eine Ni-Cr-Co-Legierung verwendet werden.
Induktionswärme fließt auch zum Stützrahmen einschließlich der Spule. Im allgemeinen wird kohlenstoffhaltiger Stahl als Material für den Stützrahmen gewählt. Kohlenstoffhaltiger Stahl besitzt eine geringere elektrische Leitfähigkeit von ungefähr 10&sup7; Ω&supmin;¹ m&supmin;¹ aber eine beträchtlich höhere relative Permeabilität (das Verhältnis der magnetischen Permeabilität in einem Material zur magnetischen Permeabilität im Vakuum) von ungefähr 7.000. Deshalb wird die Oberfläche des Stützrahmens, der die Induktionsheizspule berührt, bis zum Schmelzpunkt erhitzt. Um diesen Nachteil zu beseitigen, ist die Oberfläche des Stützrahmens, der die Induktionsheizspule berührt, von einem nicht magnetischem Material umgeben, das eine relative Permeabilität von ungefähr 1 aufweist, damit die elektromagnetische Welle allmählich darin gedämpft werden kann, wodurch die Beschädigung des Stützrahmens durch Aufheizen verhindert wird. Zum Beispiel wird ein nicht magnetischer rostfreier Stahl (SUS 304, oder ein ähnlicher) als nicht magnetisches Material verwendet. Die Dicke d beträgt vorzugsweise ungefähr wie folgt:
D ≥ 1/ [πu f] (10),
worin u und die Permeabilität und elektrische Leitfähigkeit des nicht magnetischen rostfreien Stahles jeweils darstellen.
Um ferner die Stahlschmelze in der Form wirksam zu erhitzen, wird ein ferromagnetisches Wandelement so angeordnet, daß es die Ober-, Unter- und Rückseiten der Spule mit Ausnahme der Oberfläche, die die Stahlschmelze berührt, umgibt, wodurch die Stabilität des Hochfrequenzmagnetfeldes, das zur Oberfläche der Stahlschmelze wandert, erhöht wird. Das ferromagnetische Wandelement kann durch ein Verfahren erhalten werden, wobei dünne Siliciumstahlplatten isoliert und laminiert werden, um ein mehrfach laminiertes Element zu erhalten.
Wie in Fig. 12 gezeigt, ist eine Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Induktionsheizspule wie folgt aufgebaut. Hohle Kupferrohre 11 werden mit Hilfe eines Isolationsmaterials 13 voneinander isoliert und mehr als ein Rohr ist verbunden. Kühlwasser fließt durch die Rohre 11. Die Ober-, Unter- und Rückseiten der Rohre 11, mit Ausnahme der die Stahlschmelze berührenden Oberfläche, werden ferner von einem U-förmigen ferromagnetischen Wandelement 12 umgeben, wodurch das erzeugte elektromagnetische Feld auf die an die Stahlschmelze angrenzende Oberfläche konzentriert wird. Wie oben beschrieben kann das ferromagnetische Material eine Siliciumstahlplatte umfassen. Die Spule, die nur von der Siliciumstahlplatte umgeben ist, erzeugt jedoch ferner Induktionsstrom in der Siliciumstahlplatte aufgrund der hohen Frequenz, wodurch Joulesche Wärme erzeugt und der Wirkungsgrad gesenkt wird. Deshalb sind die Siliciumstahlplatten so dünn wie möglich. Sie sind ferner voneinander mit Hilfe des Isolationsmaterials 13 isoliert und laminiert, wodurch wesentlich der Induktionsstrom daran gehindert wird, in die Siliciumstahlplatten zu fließen.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf Fig. 1 näher beschrieben, die eine schematische Vorderansicht einer Form ist, die zum Stranggießen verwendet wird, das auf eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anwendbar ist.
Die Induktionsheizspule 4 ist um eine Form 1 herum angeordnet, wodurch die Stahlschmelze 6 in der Form 1 durch Induktion erhitzt wird. Die Form 1 umfaßt ferner eine Tauchdüse 5. Der von der Seite gesehene Aufbau ist im wesentlichen derselbe, wie der in Fig. 2.
Die Formen der Stranggußvorrichtung, die bei dieser Ausführungsform verwendet wurden, besaßen eine Breite von 1.200 mm und eine Dicke von 260 mm. Das Gußdurchsatzvolumen betrug 4,0 t/min. Vier Arten von Formmaterialien der vorliegenden Erfindung M1, M3, M4, M5 und ein herkömmliches Formmaterial M2, deren Zusammensetzung und elektrische Leitfähigkeit in Tabelle 1 gezeigt sind, wurden als Formen verwendet. Die Eigenschaften werden in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1
Die elektrische Leitfähigkeit &sub2; der Stahlschmelze betrug 7 x 10&sup5; Ω&supmin;¹ m&supmin;¹. Die elektrische Leitfähigkeit &sub1; des jeweiligen Formmaterials betrug für M1: 9 x 10&sup5; Ω&supmin;¹ m&supmin;¹, für M3, M4 und M5: 8 x 10&sup5; Ω&supmin;¹ m&supmin;¹, und für das herkömmliche Formmaterial M2: 6 x 10&sup7; Ω&supmin;¹ m&supmin;¹. Somit betrug der Wert ξ der Formmaterialien M1 bis M5, der mit Hilfe der obigen Gleichung (4) erhalten wurde, für M1, M3, M4 und M5: 1,1 und für M2: 9,3.
Die anderen Bedingungen, die zur Ausführung dieser Ausführungsform der Erfindung verwendet wurden, sind in Tabelle 2 gezeigt. Wie aus Tabelle 2 ersichtiich, betrug die Frequenz des Stromes, der in die Induktionsheizspule floß, 8 kHz für die Ausführungsformen 1 bis 7, außer für das herkömmliche Verfahren 4. Die Frequenz 8 kHz für die Formen, die aus den Materialien M1, M3, M4 und M5 gebildet wurden, stimmte mit der Frequenz überein, so daß der in Fig. 6 gezeigte maximale Wirkungsgrad erhalten wurde, wenn die Dicke der Form gleich der Dicke der Form des Ausführungsbeispiels 1 war. Die Ergebnisse der Berechnungen unter Verwendung der Gleichungen (7) und (8) werden ebenfalls in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2
Fig. 13 zeigt die Ergebnisse aus der Messung der Temperaturänderung an der Oberfläche der Stahlschmelze bei den Ausführungsformen Nummer 1 bis 7, außer für die herkömmliche Form 4, nach Beginn der Induktionserwärmung durch die Spule.
Aus Fig. 13 ist es klar, daß die Stahlschmelze erhitzt werden kann, wenn Formen, die aus schwach elektrisch leitfähigen Materialien M1, M3, M4 und M5 hergestelft sind, verwendet werden, wohingegen die Stahlschmelze kaum erhitzt werden kann, wenn eine Form verwendet wird, die aus dem stark elektrisch leitenden Material M2 hergestellt ist. Wenn ferner die Dicke der Form zunimmt, sinkt der Wärmewirkungsgrad (siehe vorliegende Erfindung 2).
Fig. 14 und 15 zeigen die Ergebnisse der Untersuchung der Anzahl der Schlackenstellen und Lunker in orbitrary units, die jeweils an der Oberfläche der Gußprodukte erscheinen, die gemäß den Ausführungsformen Nummer 1 bis 7 hergestellt sind.
Die Schlackenstellen werden durch Formpulver verursacht, der an der Oberfläche der Gußprodukte erscheint, und in die Stahlschmelze eingebracht wird hinsichtiich der Erhöhung der Temperaturerhaltung und der Nichtoxidation auf der Stahlschmelzeoberfläche der Form der Stranggußanlage und der Schmierung zwischen der Form und den Gußprodukten. Die Lunker werden durch Blasen verursacht, die an der Oberfläche der Gußprodukte erscheinen, und aus Argon oder ähnlichem gebildet sind und in die Tauchdüse geblasen werden, um zu verhindern, daß die Tauchdüse sich zusetzt.
Wie aus den obigen Ergebnissen ersichtiich, kann die Oberfläche der Stahlschmelze besonders wirkungsvoll erhitzt werden, wodurch die Oberflächeneigenschaften der Gußprodukte deutiich verbessert werden, wenn Formen mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit und geringerer Dicke, wie in Ausführungsform Nummer 1 (vorliegende Erfindung 1), Ausführungsform Nummer 5 (vorliegende Erfindung 3), Ausführungsform 6 (vorliegende Erfindung 4) und Ausführungsform 7 (vorliegende Erfindung 5) gezeigt, verwendet werden.
Aus der vorangegangenen Beschreibung ist es klar, daß die vorliegende Erfindung wichtige Vorteile bietet.
In einer Vorrichtung zum Induktionserhitzen der Oberfläche der Stahlschmelze in einer Stranggußform mit Hilfe einer Induktionsheizspule wird ein Formmaterial und dessen Dicke geeignet bestimmt und ein Metall mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit wird für dieses Material verwendet, wodurch die Oberfläche der Stahlschmelze wirksam mit Wärmeenergie versorgt wird durch Verwendung einer thermischen Spule, die außerhalb der Form angeordnet ist. Daraus folgt, daß Gußprodukte mit guten Oberflächeneigenschaften zuverlässig hergestellt werden können. Die Verwendung eines Stützrahmens ist vorteilhaft und kann ebenfalls vom thermisch bedingten Schmelzen abgehalten werden. Darüber hinaus ist die Gefahr, die durch Induktionserwärmung von oberhalb der Form verursacht wird, ausgeschaltet und Probleme hinsichtiich der Wartung und Steuerung sind unmittelbar erfindungsgemäß beseitigt.

Claims

1.Verfahren zum Stranggießen von Stahl in eine vertikale Stranggußform mit einer Vielzahl von Wänden aus einem Metall mit einer niedrigeren elektrischen Leitfähigkeit als Kupfer, umfassend:

(a) Anordnen einer Tauchdüse zum Zuführen von Stahlschmelze in die Form;

(b) Zuführen von Wärme zur Oberfläche der Stahlschmelze aus einer außerhalb angeordneten Induktionsheizspule, die die Stranggußform umgibt, und

(c) Steuern der Induktionserwärmung der Oberfläche der Stahlschmelze und benachbarter Bereiche mit Hilfe einer gesteuerten elektromagnetischen Welle, während die Eindringtiefe deren magnetischen Feldes in die Stahlschmelze unter den folgenden Bedingungen gesteuert wird:

worin ξ das Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeit der Form und der Stahlschmelze,

&sub1; die elektrische Leitfähigkeit der Form,

&sub2; die elektrische Leitfähigkeit der Stahlschmelze

u&sub0; die Permeabilität im Vakuum,

d die Dicke der Form,

ω die Kreisfrequenz der elektromagnetischen Welle, wobei die Frequenz der elektromagnetischen Welle 1 bis 10 kHz beträgt, und

η das Verhältnis der Eindringtiefe des magnetischen Feldes in die Stahlschmelze zur Dicke, wobei die Dicke der Form ungefähr gleich oder weniger als die jeweiligen Werte der Eindringtiefe ist, bezeichnen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Induktionsheizspule von einem Stützrahmen umgeben ist und der Stützrahmen um die Form nur in einem Bereich, der die Induktionsheizspule des Stützrahmens berührt, aus einem nicht magnetischem rostfreien Stahl ausgebildet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Dicke D des Bereichs des nicht magnetischen rostfreien Stahls durch die folgende Beziehung ausgedrückt ist:

D ≥ 1/ [πu f] ,

worin u die Permeabilität des nicht magnetischen rostfreien Stahles,

die elektrische Leitfähigkeit des nicht magnetischen rostfreien Stahles und

f die Hochfrequenz bezeichnen.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein ferromagnetisches Wandelement so angeordnet ist, daß es die Ober-, Unter- und Rückseiten der Induktionsheizspule umgibt, die im Stützrahmen angeordnet ist, der die Form, mit Ausnahme der die Stahlschmelze berührenden Oberfläche, umgibt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das ferromagnetische Wandelement ein mehrfach laminiertes Element aus einer dünnen Siliciumstahlplatte und einem Isolationsmaterial ist.