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Verfahren zur Herstellung von Blöcken
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Blöcken aus unlegierten und legierten Stählen mit verbesserter Primärkristallisation, verringerter Blockseigerung und vermindertem Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen.
Es sind bereits Verfahren zur Herstellung von Blöcken aus unlegierten und legierten Stählen bekannt, bei welchen der in der Kokille noch nicht vollständig erstarrte Block mit einer Schlackenmischung bedeckt ist, die durch Energiezufuhr, beispielsweise mit Hilfe nicht abschmelzender oder abschmelzender Elektroden geschmolzen bzw. so lange flüssig gehalten wird, bis der grösste Teil des Blockes erstarrt ist. Dadurch soll der durch den verlorenen Kopf bedingte Abfall möglichst gering gehalten und die Bildung von Schwindungshohlräumen im Block vermieden werden. Ausserdem wurde behauptet, dass bei entsprechender Energiezufuhr sogar ein bis tief in den Block reichender Reinigungseffekt erzielbar wäre (USA-Patentschrift Nr. 2, 240, 405, Kinzel).
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, durch eine zusätzliche Wärmequelle die Haube, also die den Blockkopf und die Schlacke seitlich begrenzenden Wände, zu beheizen, so dass zwei Beheizungsarten gleichzeitig zur Anwendung kommen (USA-Patentschrift Nr. 2, 893, 085, Johnsson u. a.).
Tatsächlich können durch diese bekannten Verfahren der Kopfabfall verringert und Schwindungshohlräume im obersten Blockteil vermieden werden. Eine entscheidende Verbesserung des mittleren und unteren Blockteiles wird jedoch nicht erzielt. Die Primärkristallisation, die Verunreinigungen durch nichtmetallische Einschlüsse und die Blockseigerung sind in diesen Zonen des Blockes ungefähr gleich wie bei Blöcken, die ohne Energiezufuhr über ein Schlackenbad erstarrt sind ("Stahl und Eisen"75 [1955], S. 1765/74). Selbst bei Verwendung einer besonders gut wärmeisolierenden Haube reicht beispielsweise bei einem 10 t-Block die Wirkung der zugeführten Energie nur bis in eine Tiefe von etwa 30 cm.
Eine Verstärkung der Tiefenwirkung durch erhöhte Energiezufuhr bringt wieder den Nachteil mit sich, dass ein Anschweissen des Blockes an der Kokille verursacht werden kann ("Stahl und Eisen"75, [1955], S. 1755/65). Bei den Versuchen, die zur Erfindung geführt haben, wurde ausserdem festgestellt, dass die Arbeitsschlacke und der flüssige Stahl des Blockkopfes das feuerfeste Material der Haube angreifen, so dass nicht nur die Schlackenzusammensetzung in unerwünschter Weise verändert wird, sondern auch aus dem feuerfesten Material der Haube stammende Einschlüsse in den Block gelangen. Solche Einschlüsse konnten sogar im Fussteil des Blockes festgestellt werden.
Es ist auch ein Verfahren zum Giessen von Metallblöcken bekannt, bei dem zunächst Schlacke in ungeschmolzenem Zustand in eine auf einer wassergekühlten Bodenplatte stehende Kokille eingebracht und in dieser mittels eines durch mindestens eine verzehrbare oder unverzehrbare Elektrode zugeführten Stromes geschmolzen wird. Hierauf wird flüssiges Metall in die Kokille gegossen und anschliessend das Schlackenbad durch die Joule'sche Wärme des durch die Elektrode (n) zugeführten Stromes erwärmt und die Erstarrung des Blockes gesteuert (franz. Patentschrift Nr. 1. 449. 220 und österr. Patentschrift Nr. 266358). Beispielsweise wird hiebei während der Erstarrung eines 5, 5 t schweren Stahlblockes die Schlacke 11/2 h lang mit einer elektrischen Leistung von 500 KVA beheizt.
Diese hohe Energiezufuhr ergibt zwar eine verringerte Blockseigerung, eine Verbesserung der Primärkristallisation wird jedoch nur
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im Bereich des Blockkernes erzielt, wogegen infolge der isolierenden Wirkung der zwischen Blockoberfläche und Kokillenwand gebildeten Schlackenschicht die rasche Erstarrung der Blockrandzone verhindert wird. Deshalb haben nach diesem Verfahren hergestellte Blöcke eine grobkristalline Randzone und bereiten somit Schwierigkeiten bei der Warmverformung. Darüber hinaus sind diese Blöcke üblicherweise am Blockfuss durch nicht geschmolzene Schlackenreste stark verunreinigt, so dass mit einem erhöhten Fussabfall gerechnet werden muss. Auch die Wärmeableitung zur Bodenplatte hin wird durch die isolierende Wirkung dieser Schlackenreste stark beeinträchtigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, durch welches die geschilderten Nachteile vermieden werden.
Dies wird dadurch erreicht, dass in bekannter Weise in eine Kokille flüssiger Stahl in einer dem gewünschten Blockgewicht mindestens annähernd entsprechenden Menge eingegossen, anschliessend auf diesen eine Schlacke aufgebracht und dieser Schlacke während der Erstarrung des Stahles Energie zugeführt wird, wobei jedoch erfindungsgemäss bei im wesentlichen gleichbleibender Blockhöhe durch Energiezufuhr zur bereits aufgeschmolzenen Schlacke entsprechend mindestens 120 KWh bzw.
mindestens 103 200 Kcal/t Blockgewicht die flüssige Kernzone dieser Schlacke auf hoher Temperatur gehalten wird, während zur Bildung und Aufrechterhaltung einer Schicht fester Schlacke an den die Schlacke seitlich begrenzenden Wänden eine Kühlung derselben mit Hilfe einer Flüssigkeit erfolgt, gegebenenfalls bei gleichzeitiger Durchführung einer Schmelzelektrolyse in der flüssigen Schlacke durch zusätzliche Verwendung von Gleichstrom. Die Kühlung des Kokillenaufsatzes kann in verschiedener Weise erfolgen. Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann jede Ausführungsform der Flüssigkeitskühlung herangezogen werden.
Die Flüssigkeitskühlung bewirkt nicht nur, dass diese Wände bei der hohen Energiezufuhr vor einer Zerstörung durch Aufschmelzen oder Auflösen geschützt werden, sondern hat auch zur Folge, dass stets eine Schicht fester Arbeitsschlacke an diesen Wänden vorhanden ist. Dadurch wird erreicht, dass weder die Arbeitsschlacke noch der flüssige Stahl des erstarrenden Blockes durch das Material der Seitenwände in oben erwähnter Weise verunreinigt oder in ihrer chemischen Zusammensetzung geändert werden. Durch das Fehlen einer isolierenden Schlackenschicht zwischen Blockoberfläche und Kokille weist der erfindungsgemäss hergestellte Block eine feinkristalline Randzone auf. Ausserdem ist der Blockfuss nicht durch Schlacken verunreinigt und hat infolge der guten Wärmeableitung zur Bodenplatte ein gleichmässiges Erstarrungsgefüge.
Beim erfindungsgemässen Verfahren kann die Schlacke nicht nur in flüssiger, sondern auch in fester Form aufgebracht werden. In diesem Fall wird die Schlacke erst nach dem Aufbringen durch Energiezufuhr geschmolzen und die erfindungsgemässe Mindestenergiezufuhr von 120 KWh oder
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aufgeschmolzen ist.
Beim erfindungsgemässen Verfahren kann auch jede beliebige Art von Energie Verwendung finden.
Vorzugsweise kommt in an sich bekannter Weise die elektrische Widerstandserwärmung der Schlacke zur Anwendung. Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von schweren Schmiedeblöcken mit Gewichten von etwa zehn bis zu mehreren hundert Tonnen, weil gerade diese Blöcke zu besonders ausgeprägten Innenfehlern neigen. Die erfindungsgemäss für die Herstellung solcher Blöcke erforderlichen elektrischen Leistungen sind sehr hoch, weshalb in der Regel die Verwendung von Wechselstrom vorteilhaft ist.
Der Strom wird in an sich bekannter Weise entweder durch nicht abschmelzende Elektroden zugeführt oder durch abschmelzende Elektroden mit gleicher oder ähnlicher chemischer Zusammensetzung wie die des Blockes. Die erfindungsgemäss hohe Energiezufuhr bewirkt, dass während nahezu der gesamten Erstarrungszeit fast über den ganzen Oberflächenbereich des Blockkopfes eine Oberflächenschicht flüssig gehalten wird und sich daher der Schwindungshohlraum bei Verwendung nicht abschmelzender Elektroden fast über den ganzen Querschnitt des Blockkopfes mit gleichmässiger Tiefe erstreckt. Bei Verwendung abschmelzender Elektroden entspricht die Menge des abgeschmolzenen Elektrodenmaterials etwa der Schwindung des Blockes, so dass in diesem Fall überhaupt kein Schwindungshohlraum entsteht und sich eine ebene Oberfläche des Blockkopfes ausbildet.
Die Verwendung von nicht abschmelzenden Elektroden empfiehlt sich somit dann, wenn abschmelzbare Elektroden passender Zusammensetzung nicht vorhanden sind, wogegen abschmelzende Elektroden vorteilhafter sind, wenn diese leicht herzustellen sind. Die Wahl der Elektrodenart richtet sich hauptsächlich nach den örtlichen Verhältnissen.
In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, diesem Wechselstrom in an sich bekannter Weise einen Gleichstrom zu überlagern und somit durch Ausnutzung der Schmelzelektrolyse
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die Richtung metallurgischer Reaktionen, z. B. Entschwefelung und Sauerstoffabbau, zu steuern. Bei Verwendung mindestens einer nicht abschmelzbaren Elektrode wird beispielsweise die Energie zuführende Elektrode bzw. die Elektroden als Anode und der Block als Kathode geschaltet. Die S--Ionen und die 0--Ionen wandern dann zur Anode und scheiden sich dort ab.
Bei Verwendung mindestens einer abschmelzenden Elektrode würden bei dieser Schaltung Schwefel und Sauerstoff das Elektrodenmaterial in unerwünschter Weise verunreinigen, weshalb in diesem Fall die Gleichstromüberlagerung vorzugsweise mit Hilfe mindestens einer zusätzlichen, in das Schlackenbad eintauchenden, nicht abschmelzenden Hilfselektrode erfolgt. Diese ist beispielsweise sowohl gegenüber dem Block als auch gegenüber der oder den abschmelzenden Hauptelektroden als Anode geschaltet, wenn sich an ihr Schwefel und Sauerstoff abscheiden sollen.
Bei der Herstellung von Stahlblöcken nach dem erfindungsgemässen Verfahren hat sich die Verwendung an sich bekannter hochbasischer, metalloxydarmer, im wesentlichen aus CaO, Al203 und CaF2 bestehender Schlacken, deren Si02 -Gehalt maximal 15% ist, als besonders günstig erwiesen. Auf Grund der schlechten Benetzbarkeit derartiger Schlacken durch Stahl ist nicht zu befürchten, dass einzelne Schlackenteilchen vom flüssigen Stahl des erstarrenden Blockes aufgenommen werden und zu Schlackeneinschlüssen führen. Vielmehr besitzen diese Schlacken die Eigenschaft, im Stahl vorhandene Schlackenteilchen aufzunehmen und festzuhalten. Ausserdem zeichnen sich derartige Schlacken durch die bekannten metallurgischen Eigenschaften, z. B. gute Entschwefelungs-und Desoxydationsfähigkeit aus.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Eine 17 t-Schmelze eines Cr-Ni-Mo legierten Vergütungsstahles wird in die auf einer Bodenplatte --1-- stehende Kokille --2--, mit einem mittleren Innendurchmesser von etwa 1200 mm und einer Höhe von etwa 1900 mm, gegossen, so dass der flüssige Stahl diese Kokille ungefähr bis zu ihrem oberen Rand füllt. Auf der Kokille--2--befindet sich der wassergekühlte Aufsatz --3--, der aus geschweissten Stahlblechen besteht. Wasserzu-und-abfluss sind durch Pfeile angedeutet.
In diesem Aufsatz--3--wird nach dem Füllen der Kokille--2--eine im wesentlichen aus CaO, Al203 und CaF2 bestehende, vorgeschmolzene Schlackenmischung eingegossen, so dass der Blockkopf durch die flüssige Schlackenschicht--4--etwa 200 mm hoch bedeckt ist. Durch die Abschreckwirkung des Aufsatzes--3--bildet sich an dessen Innenwand eine dünne Schicht erstarrter
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derselben mit gleichen Abständen zueinander angeordnet und werden vom heb-und senkbaren Ring - gehalten.
Eine Wechselstromquelle--8--ist mit Hilfe von zwei Leitern an die Abschmelzelektrode--5--bzw. an die Bodenplatte--l--und damit an den Block--9-angeschlossen, so dass nach dem Eintauchen der Abschmelzelektrode-5-Strom durch das Schlackenbad fliesst und diesem die erforderliche Energie zuführt. Die Stromrichtung Block-Energie wechselt zwangsläufig mit der Wechselstromfrequenz. Die Hilfselektroden--6--bzw. der Ring - sind über Gleichrichter--10 und 11--mit den beiden Leitern des Wechselstromkreises verbunden, so dass durch die Hilfselektroden--6--dem Wechselstromfluss in der Schlacke ein Gleichstrom überlagert wird.
Bei der gewählten Schaltung bilden die Hilfselektroden --6-- ständig den positiven Pol, wogegen der Block-9-und die Abschmelzelektrode-5-abwechselnd den negativen Pol darstellen. Zur Regulierung des Hilfselektrodenstromes dient der Regelwiderstand - -12--.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Erstarrungszeit des Blockes zirka 9 1/2 h. Fig. 1 der Zeichnungen zeigt den Erstarrungszustand zu Beginn der Energiezufuhr, Fig. 2 während des letzten Drittels der Erstarrungszeit.
Während der ersten 3 1/2 h erfolgt die Energiezufuhr zum Schlackenbad mit einer Wechselstromleistung von 570 KW bei einer Spannung von 52 V. Weitere 3 h lang wird mit verminderter Leistung, u. zw. mit 480 KW bei einer Spannung von 48 V, gefahren. In den letzten 3 h der Erstarrungszeit beträgt die Leistung nur mehr 420 KW bei 45 V Spannung, so dass dem Schlackenbad insgesamt eine Energie von 4700 KWh, also etwa 260 KWh/t Blockgewicht, zugeführt wird. Im Verlauf der Blockerstarrung werden 800 kg Stahl von der Elektrode abgeschmolzen, woraus sich ein Gesamtblockgewicht von 17, 8 t ergibt.
Während der gesamten Dauer der Energiezufuhr wird ausserdem mit Hilfe des Regelwiderstandes --12-- der über die Hilfselektroden geführte Gleichstrom bei einer Spannung von 20 V auf einer
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Stromstärke von 800 A konstant gehalten.
Der gemäss dem Ausfahrungsbeispiel hergestellte Stahlblock weist nach beendeter Erstarrung in allen Blockbereichen ein vollkommen dichtes Gefüge auf. Die bekannten V-Seigerungen in der axialen Blockzone fehlen vollständig. Ebenso sind die üblicherweise vorhandenen Anhäufungen nichtmetallischer Einschlüsse im unteren Blockteil nicht feststellbar. Die mit Hilfe des überlagerten Gleichstromes verstärkte Reinigungswirkung der Schlacke kommt auch darin zum Ausdruck, dass die Blockseigerung des Schwefels unterdrückt wird.
Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr sind im Rahmen der Patentansprüche je nach dem Grad der gewünschten Qualitätsverbesserung für die erzeugten Blöcke verschiedene Ausführungsformen möglich. In vielen Fällen, insbesondere bei kleineren Blöcken, z. B. aus üblichen Werkzeug-oder Schnellarbeitsstählen, kann beispielsweise auf die Gleichstromüberlagerung verzichtet werden.
PATENTANSPRÜCHE' ;
1. Verfahren zur Herstellung von Blöcken aus unlegierten und legierten Stählen mit verbesserter Primärkristallisation, verringerter Blockseigerung und vermindertem Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen, wobei in eine Kokille flüssiger Stahl in einer dem gewünschten Blockgewicht mindestens annähernd entsprechenden Menge eingegossen, anschliessend auf diesen eine Schlacke aufgebracht und dieser Schlacke während der Erstarrung des Stahles Energie zugeführt wird, d a d u r c h g e k e n n - zeichnet, dass bei im wesentlichen gleichbleibender Blockhöhe durch Energiezufuhr zur bereits aufgeschmolzenen Schlacke entsprechend mindestens 120 KWh bzw.
mindestens 103 200 Kcal/t Blockgewicht die flüssige Kernzone dieser Schlacke auf hoher Temperatur gehalten wird, wogegen zur Bildung und Aufrechterhaltung einer Schicht fester Schlacke an den die Schlacke seitlich begrenzenden Wänden eine Kühlung derselben mit Hilfe einer Flüssigkeit erfolgt, gegebenenfalls in an sich bekannter Weise bei gleichzeitiger Durchführung einer Schmelzelektrolyse in der flüssigen Schlacke durch zusätzliche Verwendung von Gleichstrom.
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