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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Elektroschlackenumschmelzen von Metallen oder Metallegierungen durch Eintauchen von Elektroden aus dem zu raffinierenden Metall in ein Bad aus geschmolzener Raffinationsschlacke und Hindurchleiten von elektrischem Strom durch die Elektroden, wobei das Elektrodenmetall schmilzt in Form von Metalltropfen durch das Schlackenbad hindurchsinkt und dabei raffiniert wird, wobei die Metalltropfen in getrennte Ströme unterteilt, in getrennten Sümpfen gesammelt und unter Ausbildung von erstarrten Metallblöcken gekühlt werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Hauptzweck der Erfindung ist eine solche Ausbildung des Elektroschlacken-Umschmelzverfahrens, dass es mit höheren Kapazitäten als bisher ausgeführt werden kann. Weitere Ziele der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der nicht auf eine spezielle Metalltype oder auf eine besondere Schlackenart Bezug genommen zu werden braucht, weil es für den Fachmann klar ist, welche Metalle durch den ESU-Prozess raffiniert werden können und in welcher Weise die Raffinationsschlacke für ein beliebiges zur Raffination gelangendes Metall ausgewählt werden muss.
Beim ESU-Prozess werden eine oder mehrere Metallelektroden durch den elektrischen Strom tropfenweise in ein Raffinationsschlackenbad (eine aus Flussmitteln bestehende schmelzflüssige Schlacke) abgeschmolzen, und die so erhaltenen Tropfen werden unterhalb des Schlackenbades aufgefangen, wodurch ein Bad von geschmolzenem Metall erhalten wird, das durch äussere Kühlung allmählich zum Erstarren gebracht wird, so dass man schliesslich einen Block erhält, der durch das erstarrende Material kontinuierlich aufgebaut wird. Durch einen Ausgleich zwischen der Abschmelzgeschwindigkeit der Elektrode und der Kühlung und Erstarrung der Schmelze sowie durch eine richtig gewählte Schlackenzusammensetzung kann erreicht werden, dass der erhaltene Block im wesentlichen frei von Verunreinigungen, Steigerungen oder Poren ist.
Zur Erzielung der gewünschten hohen Qualität in dem fertigen Block muss die Schlacke im Stande sein, die Metalltropfen beim Durchgang durch die Schlacke von Verunreinigungen zu reinigen, und der erhaltene Block muss während des ganzen Ablaufs gleichmässig verfestigt werden. Zur Aufrechterhaltung dieses gleichförmigen Verfestigungsvorganges muss die Menge des in der Zeiteinheit geschmolzenen Metalls ebenso gross sein wie die Menge der Metallschmelze, die in der gleichen Zeit zur Erstarrung gebracht werden kann.
Die höchstzulässige Abschmelzgeschwindigkeit hängt daher von der maximal zulässigen Giessgeschwindigkeit ab, und diese wird normalerweise durch den Umstand beschränkt, dass Metallegierungen hoher Qualität, wie Schnelldrehstahl und andere Werkzeugstähle, eine verhältnismässig niedrige Giessgeschwindigkeit erfordern, um befriedigende Erstarrung-un Seigerungsbedingungen einhalten zu können. Das Elektroschlacken-Umschmelzverfahren benötigt somit nicht nur einen beträchtlich hohen Energieaufwand, sondern ist auch äusserst zeitraubend. Da beim ESU-Prozess die Elektrode bisher direkt in die Form abgeschmolzen wurde, in welcher der fertige Block erzeugt wurde, war auch die Gewinnung von Blöcken pro Schmelzstelle auf einen einzigen in einem Zeitabschnitt begrenzt.
Es wurde auch schon vorgeschlagen, mehrere Elektroden pro Schmelzstelle anzuwenden, um die Verwendung von dünneren Elektroden zu ermöglichen. Ebenso wurde auch empfohlen, die Elektrodenaufhängung, die Stromzufuhr und das Steuerungssystem für mehrere Schmelzeinheiten mit je einer eigenen Elektrode gemeinsam auszubilden, wobei jede dieser Elektroden in eine separate Form hineinragt Das letztgenannte Verfahren bot jedoch nur begrenzte Vorteile im Vergleich zu dem gebräuchlichen System, bei welchem nur ein Block in einem Zeitabschnitt erzeugt wurde.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine beträchtliche Erhöhung der Abschmelzgeschwindigkeit und der Blockerzeugung je Schmelzstelle dadurch herbeizuführen, dass eine parallele Erzeugung mehrerer Blöcke an ein und derselben Schmelzstelle ermöglicht wird.
Zur Erreichung dieses Zieles wird von einem Verfahren der eingangs genannten Art ausgegangen.
Gemäss der Erfindung ist nun dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass mit einer einzigen Elektrode eine Vielzahl von getrennten Sümpfen gespeist wird und dass der durch jeden einzelnen Sumpf bzw. jeden einzelnen Metallblock fliessende elektrische Strom individuell geregelt wird.
Die Arbeitsweise gemäss der Erfindung, bei der einer einzigen Elektrode aus dem zu raffinierenden Metall viele Sümpfe zugeordnet sind und die Stromzufuhr zu jedem einzelnen Sumpf bzw. Metallblock individuell geregelt wird, ergibt gegenüber einem aus der DE-OS 2215860 bekannten Verfahren, bei welchem für jede einzelne Kokille jeweils eine eigene Elektrode, jedoch ohne individuelle Stromregelung, vorgesehen ist, insbesondere den Vorteil, dass das Abschmelzen der einzigen Elektrode sehr gleichmässig gehalten werden kann. Des weiteren kann die Metallzufuhr zu den einzelnen Sümpfen nach Bedarf
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gesteuert werden, wodurch sich z. B. verhindern lässt, dass eine bei einem einzelnen Metallstrang auftretende Störung den gesamten kontinuierlichen Betriebsablauf unterbricht.
Unter dem Ausdruck"Schmelzstelle"ist im Rahmen der Erfindung eine Anordnung zu verstehen, die das für mehrere Giessformen bestimmte gleichzeitige Schmelzen von Metall in ein und demselben schmelzflüssigen Schlackenbad erlaubt. Um die parallele Erzeugung mehrerer Blöcke möglich zu machen, wird die die geschmolzene Schlacke aufnehmende Kokille durch in ihrem unteren Bereich befindliche Trennwände in mehrere Giessauslässe unterteilt, die für einen kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Giessvorgang bestimmt sind. Diese Giessauslässe setzen sich in Form von vorzugsweise wassergekühlten Giessformen fort.
Die dabei erhaltenen erstarrten Blöcke werden dann kontinuierlich mit der Geschwindigkeit abgesenkt, mit welcher sie zur Erstarrung gebracht werden, wobei sie auch die gewünschten Temperaturen aufweisen.
Wie bereits dargelegt, war niemals die Abschmelzgeschwindigkeit der beschränkende Faktor für die Produktion im ESU-Prozess ; die Blockerzeugung ist vielmehr bisher durch das Erfordernis einer relativ niederen Erstarrungsgeschwindigkeit für die bei diesem speziellen Verfahren eingesetzten Legierungen begrenzt gewesen. Die Erfindung ermöglicht nun die gleichzeitige Herstellung mehrerer Blöcke mit der gewünschten Erstarrungsgeschwindigkeit, ohne dass jedoch aus diesem Grunde die Abschmelzgeschwindigkeit der Elektroden beschränkt zu werden braucht.
Entsprechend dem erfindungsgemässen Verfahren werden die Tropfen aus geschmolzenem Metall von jeder Elektrode auf die verschiedenen Giessstränge verteilt, solange sich die Tropfen noch auf ihrem Durchgang durch die Schlacke befinden, d. h., das Schlackenbad reicht nach unten bis in jeden Giessauslass hinein, und die schmelzflüssigen Tropfen werden unter Bildung einer geschmolzenen Metallmasse unterhalb der Schlacke in den als Giessformen fortgesetzten Unterteilen jedes Giessauslasses gesammelt, worin die Metallschmelze allmählich durch äussere Kühlung zum Erstarren gebracht wird und so einen Block ergibt.
Zur unveränderten Aufrechterhaltung der Schlackentiefe in den verschiedenen Giessauslässen müssen die erhaltenen Blöcke von den Giessformen mit jener Geschwindigkeit abgesenkt werden, bei welcher sie mittels äusserer Kühlung und Einstellung einer gewünschten Temperatur zur Erstarrung gebracht werden, wogegen die Zufuhr von geschmolzenem Metall von der Elektrode her so gesteuert werden muss, dass sie je Zeiteinheit stets der Metallmenge entspricht, die in der gleichen Zeiteinheit zu einem Block verfestigt wird. Da, wie bereits erwähnt, die maximal zulässige Erstarrungsgeschwindigkeit des Metalles den zeitbestimmenden Faktor darstellt, ist es klar, dass dieser Faktor die Geschwindigkeit der Blockerzeugung festlegt.
Durch Aufteilung der Tropfen von geschmolzenem Metall aus einer einzigen Schmelzstelle auf mehrere Giessauslässe, deren jeder zu einem separaten Block führt, lässt sich die Blockproduktion je Schmelzeinheit beträchtlich erhöhen ; denn die theoretisch mögliche Abschmelzgeschwindigkeit jeder Schmelzstelle kann nun in einem weit grösseren Ausmass ausgenutzt werden, als dies bisher möglich war.
Die Produktion je Schmelzstelle, d. h. die Abschmelzgeschwindigkeit der Elektrode, kann durch Einstellen der Stärke des durch die Schlacke hindurchgehenden elektrischen Stromes geregelt werden. Bei der gleichzeitigen Erzeugung mehrerer Blöcke gemäss der Erfindung ist es also möglich, die Absehmelz- geschwindigkeit der Elektrode, durch individuelle Regelung der Stromzufuhr zu den verschiedenen Giesssträngen, die in den einzelnen Giessformen entstehen, zu beeinflussen und auf diese Weise die Stromdichte im Schlackenbad oberhalb jedes Giessstranges zu regeln. Die Abkühlungs- und Verfestigungsgeschwindigkeit der erzeugten Blöcke wird durch Einstellen der Kühlmittelzufuhr reguliert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird so vorgegangen, dass die Absenkgeschwindigkeit der einzelnen Metallblöcke individuell geregelt wird, um die getrennten Sümpfe aus geschmolzenem Metall auf einer im wesentlichen konstanten Höhe zu halten, und dass zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen konstanten Abstandes zwischen der gemeinsamen Elektrode und den einzelnen getrennten Sümpfen auch die Elektrode abgesenkt wird. Durch diese Konstanthaltung. eines Abstandes zwischen der Elektrodenunterseite und dem auf gleiche Höhe eingestelltem Niveau der Metallsümpfe wird eine besonders hohe Gleichmässigkeit im Ablauf des ESU-Verfahrens erzielt.
Eine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung besteht aus einer Kokille, die in ihrem oberen Bereich geschmolzene Raffinationsschlacke aufnimmt und die in ihrem unteren Bereich durch Trennwände unterteilt ist, aus Kühleinrichtungen für die Wände, aus von oben in die Kokille ragenden Metallelektroden samt Elektrodenstangen und Walzenpaaren für die Elektrodenabsenkung, aus Absenkvorrichtungen für die in dem geteilten Bereich der Kokille erstarrenden
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Stränge sowie aus die Stromkreise durch die Metallelektroden, das Schlackenbad und die Stränge schliessenden elektrischen Leitungen.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist nun dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Elektrode einer Vielzahl von getrennten Erstarrungszonen für die einzelnen Metallstränge zugeordnet ist und dass zur individuellen Regelung des durch jeden einzelnen Strang fliessenden elektrischen Stromes jedem Strang ein Stromregler und ein Paar von Treibwalzen zugeordnet sind, zwischen welchen Walzen eine einen absenkbaren Kokillenboden tragende Tragstange geführt ist.
Zweckmässig haben die Giessauslässe kleiner werdende Querschnittsflächen, u. zw. ausgehend von ihrer oberen Öffnung bis herunter zu jener Stelle, an der die eigentliche Giessform beginnt. Von diesem Punkt an behält die Blockgiessform ihre Querschnittsfläche unverändert bei.
Bei Durchführung der Erfindung wurde beobachtet, dass im Falle des Hinabreichens der flüssigen Schlacke bis zu den wassergekühlten Giessauslässen an deren Wänden eine dünne Schlackenschicht verfestigt wird. Durch diese Schlackenschicht wird verhindert, dass Tropfen der Metallschmelze an der Wand anhaften, so dass die Tropfen an den Wandungen entlang laufen, bis sie die Metallschmelze erreichen, die unterhalb der Schlacke in jeden Giessauslass aufrechterhalten wird. Um zu verhindern, dass diese erstarrte Schlackenschicht zu einem Anhaften der Metalltropfen führt, dürfen deren Wände im Verhältnis zur Lotrechten einen Winkel von 60 und vorzugsweise von 45 nicht überschreiten.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung, die eine erfindungsgemässe Vorrichtung in nicht beschränkender Weise veranschaulicht, weiter erläutert.
Die Vorrichtung umfasst eine Kokille-l-mit einem oberen weiteren Teil --la-- und einem unteren engeren Teil-lb-. Die Kokille --1-- von rechteckiger Querschnittsform wird durch drei vertikale
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--2-- inunterteilt. Die Trennwände --2-- sind hohl und weisen abgeschrägte Oberkanten --2a-- auf. Die Kokille - ist mit einem Kühlmantel --5-- versehen, der einen Kühlwassereintritt --6-- und einen Kühlwasser- austritt --7-- aufweist. Der Kühlmantel --5-- steht mit dem Inneren der hohlen Trennwände --2-- in Verbindung.
Eine aus dem zu raffinierenden Metall bestehende verzehrbare Elektrode --8-- ist an einer Stange - so befestigt, dass die Elektrode in den oberen Bereich-la--der Kokille hineinreicht. Die Elektrode - kann mittels eines Walzenpaares--10--, das mit der Stange --9-- zusammenwirkt, auf und ab bewegt werden. Die Stange --9-- ist über ein Kabel --12-- mit einer Wechselstromquelle --11-verbunden, welche ihrerseits über vier Kabel --13-- an vier Tragstangen --14-- angeschlossen ist, die an ihren oberen Enden Kokillenböden --15-- aufweisen, welche die in der Vorrichtung erzeugten Blöcke - tragen. Die Tragstangen --14-- können mit Hilfe von Walzenpaaren --16-- auf und ab bewegt werden.
In alle vier Kabel --13-- sind Stromregelgeräte --18-- eingebaut, die eine individuelle Steuerung des jedem Block --17-- zugeführten Stromes ermöglichen.
Zu Beginn des Vorganges werden die Tragstangen --14-- angehoben, so dass die Kokillenböden - 15-im oberen Teil der Giessformen --4-- zu liegen kommen. Nun wird der Vorrichtung geschmolzene Schlacke zur Ausbildung des Schlackenbades --19-- zugeführt. Sodann wird die Elektrode --8-abgesenkt, bis ihre Bodenfläche die flüssige Schlacke berührt. Man leitet nun den elektrischen Strom durch die flüssige Schlacke, was zur Folge hat, dass die bodenseitige Oberflächenschicht der Elektrode - zu schmelzen beginnt. Die Tropfen des abgeschmolzenen Metalles sinken durch die geschmolzene Schlacke hindurch und werden dabei raffiniert.
Die Tropfen der Metallschmelze sinken dabei durch die Giessauslässe --3-- ab und gelangen dann in die Giessformen --4--. Wenn die Tropfen der Metallschmelze die Kokillenböden --15-- erreichen, bilden sie einen Sumpf --20-- aus flüssigem Metall. Die Tragstangen - werden nun mit einer solchen Geschwindigkeit abgesenkt, dass die Oberfläche des jeweiligen Sumpfes --20-- aus flüssigem Metall im oberen Teil der Giessform --4-- verbleibt, wie dies auch in der Zeichnung dargestellt ist. Die Metallschmelze erstarrt bei ihrer Abwärtsbewegung in die Giessformen und bildet so die gewünschten Blöcke --17--. Infolge der Abkühlung der Wände der Vorrichtung entsteht auf den Wänden --1a, 1b-- der Kokille sowie auf den Trennwänden --2-- eine Schicht --21-- aus verfestigter Schlacke.
Diese Schicht --21-- verhindert ein Haftenbleiben der Tröpfchen aus geschmolzenem Metall an den Wänden.
Die verzehrbare Elektrode --8-- kann nach billigen Methoden hergestellt werden, weil an diese Elektrode keine besonderen Anforderungen zu stellen sind, natürlich unter der Voraussetzung, dass sie die gewünschten Bestandteile der fertigen Blöcke enthält. Es ist wichtig, dass sich oberhalb jedes
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Giessauslasses eine ungefähr gleich grosse Elektrodenfläche befindet. Der Sinn der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung ist der, dass die von der Elektrode kommenden Metalltropfen im Stande sind, durch die Schlacke hindurchzusinken und dabei im wesentlichen gleichförmig über die verschiedenen Giessauslässe verteilt zu werden. Um zu erreichen, dass jeder der Giessauslässe mit derselben Menge an geschmolzenem Metall versorgt wird, ist es am günstigsten, wenn die über jedem dieser Giessauslässe angeordnete Elektrodenfläche gleich gross ist.
Es ist aber auch in einem gewissen Ausmass möglich, das Abschmelzen der Elektrode und die Metallzufuhr zu den verschiedenen Giessauslässen durch eine individuelle Regelung der Stromzufuhr zu den einzelnen Blöcken zu steuern. Die Stromdichte im Schlackenbad oberhalb jedes Blockes kann daher mit Hilfe der Stromregeigeräte --18-- geregelt werden.
Die Elektrode --8-- wird allmählich abgesenkt, so dass ihre gesamte Bodenfläche mit dem Schlackenbad --19-- in Verbindung bleibt, was vorzugsweise so geschieht, dass der Abstand zwischen der Elektrode und dem jeweiligen Sumpf --20-- aus flüssigem Metall konstant gehalten wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Elektroschlackenumschmelzen von Metallen oder Metallegierungen, durch Eintauchen von Elektroden aus dem zu raffinierenden Metall in ein Bad aus geschmolzener Raffinationsschlacke und Hindurchleiten von elektrischem Strom durch die Elektroden, wobei das Elektrodenmetall schmilzt, in Form von Metalltropfen durch das Schlackenbad hindurchsinkt und dabei raffiniert wird, wobei die Metalltropfen in getrennte Ströme unterteilt, in getrennten Sümpfen gesammelt und unter
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dass mit einer einzigen Elektrode eine Vielzahl von getrennten Sümpfen gespeist wird und dass der durch jeden einzelnen Sumpf bzw. jeden einzelnen Metallblock fliessende elektrische Strom individuell geregelt wird.