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Verfahren, Elektroden und Anlage zur Elektroschlackenumschmelzung von Metallen oder Legierungen in einem gekühlten Metallkristallisator
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Elektroschlackenumschmelzung von Metallen und Legierungen in einem gekühlten Metallkristallisator sowie Elektroden und Anlagen, welche zur Durchführung dieses Verfahrens dienen.
Ziel der Erfindung ist eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit solcher Umschmelzverfahren und die Herstellung von Barren höherer Güte.
Die Anwendung der Erfindung ist vor allem bei der Erzeugung von besonders reinen Metallen und Legierungen aus geschmolzenen Elektroden von Vorteil.
Beim Giessen von Barren unter Benutzung bisher bekannter Verfahren der Elektroschlackenumschmelzung von Elektroden wird ein Metall von ungenügender Reinheit gewonnen, weil darin nichtmetallische Einschlüsse, Gase u. a. Verunreinigungen enthalten sind.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht, die genannten Mängel zu beseitigen und eine hohe Qualität des Metalles mit minimalem Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen, Gasen und sonstigen Verunreinigungen sowie eine axiale Richtung des Anwachsens der Kristalle während der Bildung des Barrens zu gewährleisten. Es lassen sich Barren verschiedenen Gewichtes herstellen.
Das genannte Ziel und die erwähnten Vorteile lassen sich erreichen, wenn erfindungsgemäss das Schmelzen des Metalles in einer Schlacke vorgenommen wird, deren Schmelztemperatur höher ist als die Schmelztemperatur des Metalles und deren linearer Wärmeausdehnungskoeffizient bei Kristallisationstemperatur des Metalles vom linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metallbarrens verschieden ist, wodurch ein Abtrennen des Schlackenansatzes von der Oberfläche des Barrens während seiner Bildung, wie auch von den gekühlten Wänden des Kristallisators gewährleistet wird.
Nach einem Merkmal der Erfindung können zur Herstellung von Legierungen aus deren metallischen Komponenten und/oder aus diese enthaltenden Legierungen, die unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen, in dem Kristallisator aus Schlacken verschiedener Zusammensetzung zwei Schlackenbäder unterschiedlicher Dichte gebildet werden, von denen das leichtere Schlackenbad auf einer leichteren Metallschicht und diese auf dem dichteren Schlackenbad schwimmt, und dass das leichtere Metall von Tropfen aus schwereren Legierungsbestandteilen mitgerissen und mit diesen legiert wird.
Es erweist sich als zweckmässig, wenn dem im Kristallisator geschmolzenen Metall und der geschmolzenen Schlacke eine im wesentlichen gleichförmige Drehbewegung mit vorgegebener Winkelgeschwindigkeit um eine Achse des Kristallisators erteilt wird und hiedurch das Metall und die Schlacke gegen die gekühlten Wände des Kristallisators gedrängt werden. Mit dieser Massnahme lassen sich Barren mit verhältnismässig ebener Stirnfläche gewinnen und überdies ist sie dem Kristallwachstum in Achsrichtung förderlich.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren können auch gleichzeitig eine Anzahl Elektroden abgeschmolzen werden, wobei diese Anzahl bei Speisung mit Drehstrom als ein Vielfaches von drei gewählt
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wird.
Die Umschmelzung kann ferner in einem hermetisch abgedichteten Kristallisator durchgeführt wer- den, in dem eine Schutzgasatmosphäre aufrechterhalten, z. B. mit einem Schutzgas gespült wird, das gegebenenfalls austretende Gase abführt, oder es können solche Gase abgesaugt werden.
Die Elektroden, welche bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens benutzt werden, können in mehreren konstruktiven Varianten ausgeführt werden, von denen jede ihre eigenen zusätz- lichen Besonderheiten aufweist.
Gebrauchselektroden zur Erzielung von besonders reinen Legierungen aus mehreren Metallen und/oder
Legierungen, die Bestandteile der herzustellenden Legierung enthalten und verschiedene Schmelztem- peraturen besitzen, sind zweckmässig aus mehreren Schichten oder Elementen aufgebaut, beispielswei- se aus einem Röhrenelement aus einem Metall oder einer Legierung mit einer höheren Schmelztempe- ratur und einem in diesem untergebrachten Stangenelement aus einem Metall oder einer Legierung mit einer niedrigeren Schmelztemperatur, welches in einer leichteren, in das Röhrenelement eingebrachten Schlackenschicht geschmolzen wird.
Gemäss einer andern Ausführungsform besteht die Elektrode aus einer äusseren Hilfsröhrenelektrode und aus einer in dieser angeordneten kompakten zentralen Elektrode, wobei der äusseren rohrförmigen Elektrode eine geringere Spannung zugeführt wird als der zentralen.
Es ist vorteilhaft, das Profil der äusseren Elektrode dem Profil des herzustellenden Barrens anzupassen. Die äussere Röhrenelektrode kann aus einem z. B. schraubenförmig gewundenen Leiter hergestellt sein.
Zur Durchführung des Verfahrens wurde eine Anlage entwickelt, die wenigstens eine an einem Gestell befestigte Elektrode und einen dieser gegenübergestellten Kristallisator aufweist. Erfindungsgemäss ist das mit Zangen zur Halterung der Elektrode bzw. Elektroden versehene Gestell und ein zweites Gestell, auf das der Kristallisator aufgesetzt ist, an einem vertikalen Führungsbalken angeordnet und wenigstens eines der beiden Gestelle entlang des Balkens verschiebbar.
Das Gestell kann als Fahrgestell ausgebildet sein, das dazu dient, den gekühlten Boden nach dem Arbeitsplatz zu befördern, denselben während der Zeitdauer des Giessens des Barrens in der notwendigen Stellung zu halten und schliesslich den abgegossenen Barren abzutransportieren.
Es kann sich empfehlen, dem Schlackenbad und dem Metall eine Rotationsbewegung aufzuprägen.
Dies kann in einfachster Weise und ohne Verwendung beweglicher Teile mit Hilfe von Solenoiden geschehen, die in den die Elektroden enthaltenden Stromkreis oder in den Kreis einer selbständigen Stromquelle geschaltet sind und die ein die Rotation bewirkendes Magnetfeld erzeugen.
Weitere Erfindungsmerkmale und Vorteile ergeben sich bei der folgenden eingehenden Erläuterung der Erfindung an Hand beispielsweiser Ausführungsformen, die in den Zeichnungen veranschaulicht sind.
Indiesen zeigen die Fig. 1-3 ein Schema der Kristallisation eines Barrens, Fig. 4 einen Schaltplan für die Speisung der Elektroden mit Wechselstrom, Fig. 5 ein Schaltschema für die Speisung der Elektroden mit Gleichstrom, Fig. 6 ein Schaltschema für die Speisung von zwei Elektroden, Fig. 7 ein Schaltschema für die Speisung von zwei Elektroden, von denen die äussere als Spiralelektrode ausgeführt ist, Fig. 8 ein Schema der Anordnung zusammengesetzter Elektroden aus Metallen, die unterschiedliche Schmelztemperaturen besitzen, Fig. 9 ein Schaltschema für die einphasige Speisung der Elektroden, die Fig. 10 und 11 je einen Schaltplan bzw. eine Anordnung zur Speisung der Elektroden mit Drehstrom und die Fig. 12 und 13 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Elektroschlackenumschmelzung.
Bei der Elektroschlackenumschmelzung von Metallen in einem gekühlten Kristallisator werden legierende oder passive Schlacken verwendet, deren Schmelztemperatur um 50-70Oc höher liegt als die Schmelztemperatur des Metalles und deren linearer Wärmeausdehnungskoeffizient bei Kristallisationstemperatur geringer ist als der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Metalles des Barrens.
Der Vorgang der Bildung des Schlackenansatzes und des Metallbades sowie der Kristallisation des Barrens ist in schematischer Weise in den Fig. 1-3 dargestellt.
Die Schlacke des Schlackenbades-l-kann beispielsweise folgende Zusammensetzung aufwei- sen : 80% CaF2 und 201o MgO. Während der ersten Periode der Schmelzung bildet sich an den gekühlten Wänden des Kristallisators --2-- ein 5-15 mm dicker Schlackenansatz-3--, in dessen Mitte sich das Metallbad --4-- befindet.
Mit dem Anfüllen des Kristallisators und Emporheben des Schlackenspiegels-l-erfolgt eine von unten verlaufende allmähliche Abtrennung des Schlackenansatzes --3-- von den Wänden des Kristalli- ; ators--2--, wobei sich zwischen diesem Ansatz und dem Kristallisator --2-- ein Spielraum --5-- bil-
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det.
Die Kristallbildung im Kristallisator geschieht allmählich, der Vorgang setzt unten an und das Metall erleidet dabei eine Schrumpfung. Als Ergebnis dieser Schrumpfung und der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, die unterschiedliche thermische Schrumpfungen des Metalles und der Schlacke ergeben, erfolgt bei der Kristallisation eine Abtrennung des Metalles von dem Ansatz Zwischen der Seitenwand des kristallisierten Barrens --S- und dem Ansatz bildet sich ein Spielraum - 5t-.
Der kristallisierte Teil des Barrens --6-- ist somit von der gekühlten Wand des Kristallisators durch
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det wird, kann durch Änderung der Zusammensetzung der Schlacke und durch Beeinflussung der elektrischen Parameter des Schmelzprozesses geregelt werden.
Infolge der erwähnten Trennung des kristallisierenden Metalles von der Wand des Kristallisators-2und der hiedurch bewirkten Beseitigung der seitlichen Wärmeableitung wird das Anwachsen der Kristalle im Barren in Axialrichtung vor sich gehen und sich ein ausreichend flacher Boden für den Metallsumpf ergeben.
Um eine gleichmässige Erwärmung des Schlackenbades und der Metallschmelze zu erzielen, ist die Zahl der in den Kristallisator-2--eingebauten Elektroden-7-als durch drei teilbarer Zahlenwert gewählt (s. Fig. 4). Die Elektroden sind von einem Drehstromnetz gespeist und längs des kreisförmigen Umfanges des Kristallisators angeordnet.
Eine zwangsläufige Rotation des Schlackenbades und der Metallschmelze um die Vertikalachse des Barrens wird mit Solenoiden-8-- bewirkt, von denen je eines in den Speisestromkreis jeder der Elektroden --7-- geschaltet ist. Die Stromspeisung erfolgt von einem Drehstromtransformator--9--. Die zwangsläufige Rotation der Schlackenwanne um die Achse des Barrens hat ein Wegschleudern der erwärmten, flüssigen Schlackenmasse und des Metalles in Richtung gegen die Kristallisatorwände zur Fol-
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Hiedurch wird der Einfluss der Wärmeableitung gegen die Kristallisatorwände unterdrückt, und die Wärmeableitung gegen den Boden über den vorher kristallisierten Teil des Barrens wird für die Kristallisationsrichtung des Metalles ausschlaggebend. Infolgedessen wird der Boden der Metallschmelze flach oder beinahe flach, und das Anwachsen der Kristalle erfolgt in Axialrichtung des Barrens, senkrecht zum Boden der Metallschmelze.
Hierin liegt ein wichtiger Vorteil dieser Ausführungsvariante des erläuterten Verfahrens gegenüber der bekannten Elektroschlackenschmelzung von Barren in gekühlten Metallkristallisatoren, bei denen die intensive Wärmeableitung durch die Kristallisatorwand zur Bildung einer Metallschmelze mit einem Boden in Form eines Rotationsparaboloides führt.
Eine Rotation des Schlackenbades und der Metallschmelze begünstigt nicht nur das Anwachsen der Kristalle in Axialrichtung, sondern bringt auch eine Verfeinerung der Barrenstruktur mit sich.
Eine Voraussetzung für das Auftreten einer Rotation ist Phasenübereinstimmung zwischen den elektrischen Strömen in den Elektroden und den magnetischen Feldern in den Solenoiden--8--. Deshalb sind beispielsweise die Solenoide --8-- (Fig. 4) mit den Elektroden in Serie geschaltet.
Die Einstellung der Rotationsgeschwindigkeit kann durch Änderung der Windungszahl der Solenoi- de--8-- erfolgen, wobei jedoch zu beachten ist, dass bei Serienschaltung jede Änderung der Windungszahl der Solenoide infolge der hiemit verbundenen Änderung der Induktivität des elektrischen Stromkreises auch eine Änderung des dem Schlackenbad zugeführten Stromes mit sich bringt.
Eine Stromspeisung der Solenoide erfordert aus einer unabhängigen Wechselstromquelle bei Wechselstromumschmelzung eine Phasenabstimmung zwischen den Strömen in den Elektroden und den Strömen in den Solenoiden.
Bei Elektroschlackenumschmelzung unter Nutzung von Gleichstrom kann die Stromspeisung der Solenoide von einer unabhängigen Gleichstromquelle erfolgen (s. Fig. 5).
In diesem Fall ist es möglich, die Regelung der Rotationsgeschwindigkeit durch Änderung der Ströme in den Solenoiden-8-zu bewirken.
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wird, deren Leerlaufspannung beispielsweise 60-80 V beträgt.
Im Lauf des Schmelzvorganges wird die Elektrode-' ? L- mit entsprechender vorgeschriebener Ge-
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schwindigkeit in dasSchlackenbad-l-vorgeschoben. Die zweite Elektrode--72--, dient als Hilfselektrode und ist unbeweglich. Sie ist als geschweisstes, gewalztes, gepresstes, oder gegossenes Rohr ausgeführt, dessen Länge der Höhe des Kristallisators entspricht.
Das Profil der rohrförmigen Hilfselektrode --72-- ist dem Profil des abzugiessenden Barrens angepasst. Diese unbewegliche Hilfselektrode wird von einer separaten Stromquelle mit niedriger Leerlaufspannung (etwa 15-30 V) gespeist, damit das Abschmelzen dieser Elektrode unter Aufrechterhaltung einer geringen Abstandsdifferenz-h bis h-erfolgt, d. h. deren Abstand vom Spiegel der Metallschmelze etwas kleiner ist.
Durch tiefes Eintauchen der HilfselektrodeindasSchlackenbad-l-wird die Möglichkeit geschaffen, ein Auswechseln der Hauptelektrode nach Verbrauch vorzunehmen, ohne den Schmelzvorgang zu unterbrechen. Dies bedeutet, dass in solchen Fällen auch kurze Hauptelektroden verwendet werden können.
DieHilfselektrode--72- übernimmt ferner die Rolle einer Abschirmung, sie reduziert die Energieverluste auf ein Minimum, die bei Wechselstrombetrieb in den Kristallisatorwänden entstehen.
Bei Anwendung zweier Elektroden, von denen die eine von einer andern unbeweglichen Hilfselek- trode umgebenist, lässt sich überdies eine seichte Metallschmelze --4-- gewinnen, was anzustreben ist, weil ein Emporschwimmen und Absorbieren auch sehr kleiner nichtmetallischer Einschlüsse und Gasblasen durch die Schlacke erleichtert wird. Auf diese Weise können Barren von besonderer Reinheit des Metalles erzielt werden.
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Feld und dem in der Schlackenschicht entstehenden Feld ruft eine Rotation des Schlackenbades und der Metallschmelze hervor. Als Endergebnis wird hier das gleiche erzielt wie bei der Verwendung von Solenoiden.
Beim Elektroschlackenschmelzen der Barren werden Elektroden verwendet, welche aus reinen Werkstoffen bestehen, die auf elektrolytischem Weg oder durch direkte Reduzierung oder auf andere Weise gewonnen wurden und keiner Schmelzung in elektrischen Öfen und Giessen in Kokillen unterworfen waren.
Die Elektroden können aus reinen Metallen oder Legierungen in Form von gewalzten, geschmiedeten oder gepressten Stangen, Streifen, Platten, Rohren oder Stäben verschiedenen Profils bestehen.
Um eine Wechselwirkung zwischen dem umzuschmelzenden Metall und der Luft völlig auszuschlie- ssen, kann ein Schutz der Elektroden und der Oberfläche der Schlacke durch neutrale Gase vorgesehen sein.
Zur Gewinnung besonders reiner Legierungen aus deren Bestandteile bildenden Metallen und/oder aus Legierungen, welche Bestandteile der herzustellenden Legierungen enthalten, verwendet man zusammengesetzte Elektroden aus solchen Metallen oder Legierungen. Eine derartige Elektrode wird zweckmässig innerhalb der Hauptröhrenelektrode angeordnet, wenn ihr Werkstoff in geschmolzenem Zustand ein geringeres spez. Gewicht besitzt als die geschmolzene Schlacke (Fig. 8). Die aus Leichtmetallbzw. Legierung erzeugte Gebrauchselektrode-7'-- wird in einer leichten Schlackenschicht --11¯- (beispielsweise in Natrium-Kryolith) geschmolzen.
Dabei entsteht eine kleine Säule --10-- flüssigen, leichten Metalles, das auf der Oberfläche der geschmolzenen Grundschlacke --1--, die ein verhältnis- mässighöheres spez. Gewicht besitzt, schwimmt. Es wird also das Metall der Elektrode --7'- zunächst in der Schlackenschicht --11¯- geschmolzen.
Die Tropfen --11-- des verhältnismässig schwerschmelzenden, schweren Hauptmetalles, aus dem
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--7"=-- besteht,ze-4-, aus welcher sich der Barren--6-- bildet.
Bei Elektroschlackenumschmelzprozessen von Metallen mit Abgiessen von Barren kann mit Einpha- senwechselstrom (Fig. 9) oder bei einer durch drei teilbaren Zahl von Elektroden, mit Drehstrom gespeist werden, wobei mit einem Kristallisator (Fig. 10) oder mit drei separaten Kristallisatoren (Fig. 11) gearbeitet werden kann.
In Fig. 12 ist eine universelle, selbsttätige Anlage zur Elektroschlackenumschmelzung von Metallen zur Herstellung von Barren in einem gekühlten Kristallisator schematisch veranschaulicht.
An einem senkrechten prismatischen Führungsbalken --12-- ist ein oberes und ein unteres Gestell --13 bzw. 15-bewegbar angeordnet. Die Hinterfläche des Führungsbalkens trägt eine Zahnstange
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oder ist mit einer Zahnung versehen.
Das obere Gestell-13-- führt während des Schmelzvorganges die Elektroden mit der erforderlichen Arbeitsgeschwindigkeit zu. An ihm ist eine Zange --14-- zum Zentrieren und Festhalten der Elektroden sowie eine Vorrichtung zum Zuführen des Stromes befestigt.
Ein Gewichtsausgleich zwischen dem oberen Gestell und den Elektroden erfolgt zum Teil durch ein innerhalb des Führungsbalkens angeordnetes Gegengewicht. Dieses Gewicht dient auch zum Festklemmen der Elektroden und ist mit der mittels eines über eine am Oberteil des Balkens angeordnete Lenkrolle geführten Stahlseiles verbunden.
Die Elektrode wird in der Zange durch Wirkung des Gewichtes über ein Hebel-Seil-System festgeklemmt. Das Öffnen der Zange geschieht z. B. mit einer pneumatischen Einrichtung, die einen mit Druckluft beaufschlagbaren Kolben in einem Druckzylinder aufweist.
Das obere Gestell ist zwecks Zufuhr der Elektroden und Einstellung in die anfängliche Arbeitslage mit Hilfe eines Antriebsmotors mit Reduziergetriebe verschiebbar. Auf der Abtriebswelle des Reduziergetriebes ist ein Zahnrad vorgesehen, welches mit der Zahnstange der Säule in Eingriff steht.
Das untere Gestell--15--, dient zur Befestigung und Zentrierung des Kristallisators sowie zu dessen Neigung (Schwenkung) und Anheben nach Abschluss des Ausgiessens des Barrens.
Das Heben und Senken dieses Gestelles erfolgt über einen eigenen Antrieb, z. B. eines Asynchronmotors mit Reduziergetriebe.
Der Kristallisator --2-- besteht aus einem Kupferrohr, welches in ein Gehäuse aus nichtmagnetischem Stahl eingesetzt ist. Zwischen dem Kupferrohr und dem Gehäuse ist ein ringförmiger Raum vorgesehen, in welchem Kühlwasser zur Kühlung des Kupferrohres während des Schmelzvorganges strömt.
Am oberen Kopfende des Kristallisatorgehäuses ist ein mit einem Isolierring versehener Deckel-16befestigt, welcher zum dichten Abschliessen des Schmelzraumes dient, und bei Schmelzen mit Zufuhr von Schutzgas zum Einführen des Schutzgases zum Spiegel der Schlackenwanne eingerichtet ist.
Einsolcher Deckel über dem Kristallisator kann auch mit einer Saugleitung verbunden sein, um das Absaugen von während des Schmelzvorganges entstehenden Gasen zu ermöglichen.
Eine Einrichtung --17-- zur zwangsläufigen Rotation des Schlackenbades und des Metallbades ist um den Kristallisator--2-- angeordnet.
Der Kristallisator zur Umschmelzung und zum Abguss des Barrens ist auf einem gekühlten Kupferboden --18-- aufgestellt, welcher auf einem Fahrgestell--19-- angeordnet ist.
Die Stromzuleitung zum Boden erfolgt über ein biegsames Kabel.
Nach Beendigung des Schmelzvorganges wird der Kristallisator bis zur vollständigen Befreiung des Barrens emporgehoben ; dieser wird mit einem Wagen seitwärts verfahren und mit einem Hebezug zur weiteren Transportierung abgehoben (Fig. 13).
Die Anlage kann mit einem selbsttätigen Steuersystem zur Regelung des Schmelzvorganges und der Rotationsgeschwindigkeit des Schlackenbades und der Metallschmelze versehen sein.
PATENTANSPRÜCHE :
1. VerfahrenzurElektroschlackenumschmelzungvonMetallen oder Legierungen in einem gekühlten Metallkristallisator, bei welchem die Barren des umgeschmolzenen Metalles aus Elektroden gewonnen werden, welche in einem Schlackenbad von der in der geschmolzenen stromdurchflossenen Schlacke erzeugten Wärme zum Schmelzen gebracht wurden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer höheren Güte des Barrens (6) sowie zur Gewährleistung einer Axialrichtung beim Anwachsen der Kristalle im Barren, das Schmelzen des Metalles in einer Schlacke vorgenommen wird, deren Schmelztemperatur höher ist als die Schmelztemperatur des Metalles und deren linearer Wärmeausdeh- nungskoeffizient bei Kristallisationstemperatur des Metalles vom linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metallbarrens verschieden ist,
wodurch ein Abtrennen des Schlackenansatzes (3) von der Oberfläche des Barrens während seiner Bildung, wie auch von den gekühlten Wänden des Kristallisators (2) gewährleistet wird.
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