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Verfahren zum Elektroschlackenumschmelzen von verzehrbaren Elektroden und Anlage zu seiner Durchführung
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Elektroschlackenumschmelzung von verzehrbaren Elektroden und eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.
Die Erfindung ist zur Anwendung in der Elektrometallurgie, insbesondere zur Herstellung von Edelstählen und Legierungen nach dem Verfahren der Elektroschlackenumschmelzung bestimmt.
Es sind bereits Verfahren zur Elektroschlackenumschmelzung von Elektroden in einer Kühlkokille mit Gleich- und Wechselstrom und Anlagen für deren Durchführung bekannt, bei denen das Elektrodenmetall, indem es in Form von Tropfen durch eine Schicht geschmolzener Schlacke hindurchgeht, von den nichtmetallischen Einschlüssen infolge deren Absorption in der Schlacke gereinigt wird. Ausserdem kommt es bei Tropfenbildung und Tropfenfall zu einer teilweisen Tropfenreinigung von Schwefel, Phosphor und Gasen (s. das Buch B. I. Medowar und J. W. Latasch"Elektroschlackenumschmelzung", Kiew [1965], S. 20 - 21).
Es wurde festgestellt, dass kleinere Metalltropfen beim Durchgang durch eine Schicht geschmolzener Schlacke schneller und besser von nichtmetallischen Einschlüssen und andern Verunreinigungen gereinigt werden als grössere Metalltropfen.
Bei den bekannten Verfahren der Elektroschlackenumschmelzung und den Anlagen zu deren Durchführung sind die Tropfen ziemlich gross (Durchmesser bis 10-12 mm).
Deshalb sind die Austauschreaktionen, die zwischen Tropfenmetall und Schlacke verlaufen, nicht intensiv genug ; auch werden die Möglichkeiten des Prozesses der Elektroschlackenumschmelzung nicht vollständig ausgenutzt.
Die Erfindung bezweckt die Beseitigung des erwähnten Nachteils.
Der Erfindung ist die Aufgabe zugrundegelegt, ein solches Verfahren zur Elektroschlackenumschmelzung von verzehrbaren Elektroden und eine Anlage zu dessen Durchführung zu schaffen, die eine vollkommenere Reinigung des geschmolzenen Metalls von unerwünschten Beimengungen, u. zw. auf dem Wege einer wesentlichen Verminderung der Tropfengrösse des Elektrodenmetalls durch ein erzwungenes Tropfenabreissen, ehe der Zeitpunkt des natürlichen Tropfenablösens eintritt, gewährleistet.
Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, dass bei einer Elektroschlackenumschmelzung von verzehrbaren Elektroden in einer Kühlkokille auf den Betriebsstrom der Elektrode kurzzeitige Stromimpulse überlagert werden, deren Amplitude und Dauer für ein erzwungenes Abreissen von Tropfen des Elektrodenmetalls noch während der Bildung des Tropfens vor dem Moment seines natürlichen Ablösens ausreichend sind.
Die Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens weist einen Geber des Zeitpunktes der Tropfenbildung des Elektrodenmetalls auf. Der Eingang dieses Gebers ist an einen Strommesser und
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der Ausgang an ein Zeitrelais angeschlossen, welches über eine Vor-Steuereinheit auf eine stromsteuern- de Einrichtung einwirkt, welche im Stromkreis der verzehrbaren Elektrode Stromimpulse bewirkt.
Bei einer der Ausführungsformen der Anlage zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens kann als Einrichtung, welche die Stromimpulse im Stromkreis der verzehrbaren Elektrode bewirkt, ein Ignitronschütz benutzt werden, welches mit der Stromquelle zur Speisung des Stromkreises der verzehrbaren Elektrode in Reihe geschaltet ist.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese im folgenden an Hand von Zeichnungen erläutert, die auch schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zeigen.
Es zeigt Fig. 1 eine Elektrode im Moment des natürlichen Ablösens des geschmolzenen Metalltropfens ; Fig. 2 eine Elektrode im Moment eines erzwungenen Abreissens des geschmolzenen Metalltropfens ; Fig. 3 ein Oszillogramm für Wechselstrom eines Ofens bei natürlichem Ablösen der Metalltropfen vom Ende der verzehrbaren Elektrode ; Fig. 4 ein Oszillogramm für Wechselstrom eines Ofens bei erzwungenem Abreissen der Metalltropfen vom Ende der verzehrbaren Elektrode ; Fig. 5 ein Prinzipschaltbild der Anlage zum Elektroschlackenumschmelzen nach dem erfindungsgemässen Verfahren ; Fig. 6 ein Oszillogramm des Stromes, welcher durch das Ignitronschütz der erfindungsgemässen Anlage fliesst.
Das Wesen des Verfahrens besteht im folgenden.
Bei einer Elektroschlackenumschmelzung von verzehrbaren Elektroden wird das umzuschmelzende Metall von unerwünschten Beimengungen durch die Wechselwirkung mit der geschmolzenen Schlacke gereinigt. Neben andern Faktoren wird der Reinigungsgrad des umzuschmelzenden Metalls durch die Kontaktfläche des flüssigen Metalls mit der Schlacke bestimmt. Die Verminderung der Tropfengrösse bedeutet eine Vergrösserung dieser Fläche und intensiviert die Wechselwirkungsprozesse des Tropfenmetalls mit der Schlacke.
Das flüssige Metall wird am Elektrodenende durch die Kraft der Oberflächenspannung-F - (Fig. l) und den hydrostatischen Auftrieh-F -gehalten. Die Schwerkraft *-P-und die elektrodynamische Kraft-F-suchen das geschmolzene Metall in Form eines Tropfens vom Ende der Elektrode (Fig. l) zu trennen. Bei einer Elektroschlackenumschmelzung wird vor dem Zeitpunkt eines natürlichen Tropfenablosens folgende Ungleichheit befolgt :
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der Elektrode zu trennen suchen (P -F), grösser als die Kräfte, die den Tropfen am Ende der Elektrode festhalten (Fl + F2), d.h.
F,-i. F < P + F (2)
Unter den natürlichen Bedingungen des Prozesses tritt diese Ungleichheit ein, wenn die Grösse des Tropfens einen ziemlich hohen Wert erreicht (Tropfendurchmesser bis 10 bis 12 mm). Dies geschieht hauptsächlich durch eine Erhöhung des Tropfengewichtes und folglich auch durch die Tropfengrösse.
Die Komponente der elektrodynamischen Kraft-F-, welche die Elektrode zusammendrückt und das geschmolzene Metall von dieser zu trennen sucht, ist nach unten gerichtet und ist dem Stromquadrat proportional. Bei einer Umschmelzung bei Wechselstrom verändert sich --Fs-- zeitlich nach folgendem Gesetz :
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wobei
C = Proportionalitätsfaktor,
J = Wechselstromamplitude,
W = Stromwinkelfrequenz, t = jeweiliger Zeitpunkt.
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Ablösens ausreichend ist.
Die Vergrösserung der Kraft-F-wird durch Überlagern kurzzeitiger Stromimpulse auf den Betriebsstrom des Ofens erreicht, deren Amplitude und Dauer zum erzwungenen Abreissen von zerkleinerten Tropfen ausreichend sind, was in Fig. 3 und 4 dargestellt ist.
In Fig. 3 ist ein Oszillogramm für variablen Betriebsstrom bei natürlichem Ablösen von Tropfen des flüssigen Metalls vom Ende der verzehrbaren Elektrode dargestellt. Der Strom mit der Frequenz A, die 50 Hz beträgt, welcher Strom durch die Elektrode und die zu schmelzende Schlacke fliesst, wird durch den Schlackenwiderstand mit der Niederfrequenz B moduliert. Dies geschieht, weil der am Elektrodenende wachsende Metalltropfen den Elektrodenabstand, dessen Widerstand den Ofenstrom bestimmt, verringert. So entspricht auf dem Oszillogramm (Fig. 3) dem minimalen Wert der Amplitude des Betriebs- stroms --J1-- in jeder Periode-T.-der Frequenz B das Fehlen des Tropfens am Elektrodenende und dem maximalen Wert --J2-- der Moment, der dem natürlichen Tropfenablösen unmittelbar vorangeht.
Somit wird zu einem beliebigen Zeitpunkt jeder Periode das Anwachsen der Amplitude des Betriebs- stromes aus dem Ausdruck errechnet :
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wobei J der Amplitudenwert des Betriebsstromes zu einem bestimmten Zeitpunkt der zu betrachtenden Periode ist und jet die Minimalgrösse der Stromamplitude in der zu betrachtenden Periode, welche die Grösse des am Elektrodenende wachsenden Metalltropfens kennzeichnet.
Bei J = #max=J2 - J1 erfolgt ein natürliches Tropfenablösen vom Ende der verzehrbaren Elektrode.
Falls bei Gleichstrom umgeschmolzen wird, ändert sich der Betriebsstrom der Elektrode auch periodisch infolge der Verringerung des Elektrodenabstandes durch Tropfen des flüssigen Metalls und diese dadurch bewirkten Veränderungen des Betriebsstromes im Laufe jeder Periode charakterisieren auch die Grösse des am Elektrodenende wachsenden Metalltropfens.
Zum erzwungenen Abreissen kleiner Tropfen des Elektrodenmetalls werden auf den Betriebsstrom
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(Fig. 4)(Fig. 4) ist, angelegt. Als Ergebnis einer plötzlichen Steigerung der elektrodynamischen Kraft --F--, welche auf das flüssige Metall am Ende der Elektrode wirkt, kommt es zu einem erzwungenen Abreissen des Tropfens des flüssigen Metalls. Die Amplitudengrösse des Impulses und dessen Dauer-T-werden wegen einer komplizierten Berechnung in jedem konkreten Fall so gewählt, dass sie für das erzwungene Abreissen des Tropfens ausreichend sind.
Aus dem Vergleich der in Fig. 3 und 4 dargestellten Oszillogramme ist offenbar, dass sich die Häufigkeit des Abreissens von Tropfen beim Betrieb nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhöht, obwohl die Geschwindigkeit der Umschmelzung unveränderlich bleibt. Infolgedessen erhöht sich die Kontaktfläche zwischen dem flüssigen Metall und der geschmolzenen Schlacke, was eine vollständigere Entfernung von unerwünschten Beimengungen aus dem umzuschmelzenden Metall bewirkt.
Eine der möglichen Varianten einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Elektroschlackenumschmelzung von verzehrbaren Elektroden weist einen Ofen-2- (Fig. 5) zur Elektroschlackenumschmelzung mit einer Elektrode --1--, die in die geschmolzene Schlacke --3eintaucht, auf, weiters einen Leistungstransformator--4-, ein Ignitronschütz --5--. eine Steuerund Zündeinheit --6-- der Ignitrone des Ignitronschützes, einen Geber-7-des Momentes der Tropfenbildung des Elektrodenmetalls, einen Stromwandler --8-- und ein kontaktloses Zeitrelais --9--.
Die in den Zeichnungen dargestellte Anlage arbeitet in folgender Weise : Das Ignitronschütz --5-befindet sich in eingeschaltetem Zustand und arbeitet mit der Steuer- und Zündeinheit --6-- der Ignitrone des Ignitronschützes bei Dauerbetrieb mit einem Zündwinkel a (Fig. 6), der z. B. 70 bis 900 beträgt und einen Betriebsstrom für den Ofen mit der Amplitude --D-- gewährleistet. Vom Stromwandler
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- gelangt das Signal auf den Geber --7-- des Momentes der Tropfenbildung am Elektrodenmetall.
Im Moment "0" am Anfang der Bildung eines Tropfens flüssigen Metalls am Ende der Elektrode - -1--. welcher durch den Geber --7-- nach der Anwachshöhe der Amplitude des Betriebsstromes AJ = (J - J1) (s. Formel 4) bestimmt wird, bildet sich am Geberausgang-7-ein Impuls, der dann auf das kontaktlose Zeitrelais --9-- gelangt. welches mit dem Stromnetz synchronisiert ist. Das Zeitrelais - liefert einen rechteckigen Impuls, dessen Dauer einer oder mehreren Perioden des Stromes des Versorgungsnetzes gleich ist. der in die Steuer- und Zündeinheit --6-- der Ignitrone des Ignitronschüt- zes-5-- gelangt.
Für die Zeit der Impulsgabe-C-erfolgt eine sprunghafte Veränderung des Zündwinkels a der
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kundärkreis des Leistungstransformators-4--, der den Ofen --2-- speist. der Strom bis zum Wert --J-mit der Amplitude --E-- plötzlich zunimmt. Die Dauer des Stromimpulses-C-ist der Dauer des Impulses, der von dem Zeitrelais --9-- auf die Steuereinheit --6-- gelangt. gleich.
Dieser Impuls vergrössert die elektrodynamische Kraft-F-, die vom Ende der Elektrode-leine Portion flüssigen Metalls in Form eines kleinen Tropfens abreisst.
Es sind auch andere Ausführungsvarianten der Anlagen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens für Elektroschlackenumschmelzung von verzehrbaren Elektroden unter Benutzung von Wechsel- wie auch Gleichstrom möglich.
Bei der Elektroschlackenumschmelzung nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird auf der Anlage gemäss der Erfindung eine beträchtliche Erhöhung der Effektivität der Bearbeitung des Metalls mit Schlacke erreicht, wodurch das umgeschmolzene Metall weniger Schwefel, Phosphor, Gase, nichtmetallische Einschlüsse und andere schädliche Beimengungen enthält, als bei den üblichen Verfahren der Elektroschlackenumschmelzung auf den bekannten Anlagen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Elektroschlackenumschmelzung von verzehrbaren Elektroden in einer Kühlkokille, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Betriebsstrom der Elektrode kurzzeitige Stromimpulse überlagert werden, deren Amplitude und Dauer ausreichend sind, um ein erzwungenes Abreissen der Tropfen des Elektrodenmetalls während der Bildung des Tropfens vor dem Moment dessen natürlichen Ablösens hervorzurufen.