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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Elektroschlackegiessen von Metallblöcken, bei dem zunächst in eine gekühlte Kokille, an deren Boden eine Impfscheibe angeordnet ist, flüssige Schlacke hoher Raffinationsfähigkeit bzw. ein Gemisch aus festen Komponenten einer solchen Schlacke eingebracht, mittels durch in die Kokille eingeführte, unverzehrbare Elektroden zugeleiteten Stromes das bereits flüssige bzw. aus den zunächst schmelzenden Komponenten entstandene Schlackenbad flüssig erhalten und sodann durch dieses hindurch das schmelzflüssige Metall in Teilmengen eingegossen wird, wobei das
Eingiessen der zweiten und der weiteren Teilmengen stets dann erfolgt, wenn mehr als die Hälfte der vorhergegangenen Teilmenge erstarrt ist.
Dieses bekannte Verfahren gestattet das Giessen von Metallblöcken grosser Abmessungen, die als
Ausgangsprodukt bei der Herstellung von Läufern für elektrische Generatoren oder andere Maschinen- bestandteile mit grossen Abmessungen dienen und unter Schmiedepressen weiter verarbeitet werden. Der
Bedarf an solchen Schmiedestücken mit 100 t aber auch wesentlich darüber liegenden Massen steigt ständig. Es ist eine Tatsache, dass die Qualität eines Schmiedestückes nicht zuletzt von dem Gefüge seines
Ausgangsprodukts, des Gussblockes abhängt.
Das Gefüge von Blöcken, die aus einer in ihrer Gesamtheit flüssigen Metallmenge erstarrt sind, deren Masse der Blockmasse entspricht, ist völlig unbefriedigend, denn insbesondere in den achsennahen Blockbereichen treten regelmässig Lunker, Seigerungen,
Ansammlungen nichtmetallischer Verunreinigungen und andere Mängel auf, welche die Verwendung solcher
Blöcke ausschliessen oder weitgehend beeinträchtigen. Nach dem oben erwähnten Verfahren (US-PS
Nr. 3, 807, 486) hergestellte Blöcke zeichnen sich durch das Fehlen von Lunkern und Seigerungen selbst in
Nähe des Kernes aus, sie sind in ihrer Gesamtheit verhältnismässig gut homogen, was auch für ihr Gefüge gilt.
Tatsächlich können nach diesem Verfahren verwendbare Blöcke mit Massen von 300 t und mehr gegossen werden, wobei es auch vorteilhaft ist, dass die einzelnen Teilmengen in relativ kleinen
Schmelzöfen hergestellt werden können. Unvorteilhaft ist es jedoch, dass das Giessen des Blockes aus, wie vorgeschlagen, je 5 bis 25% der gesamten Blockmasse ausmachende Teilmengen schon bei vergleichsweise kleinen Blöcken, ein oftmaliges Eintragen von schmelzflüssigem Metall in die Kokille bedingt, was, wenn auch technisch ausführbar, einfacher auszusprechen als durchzuführen ist. Es ist daher versucht worden, die Masse der Teilmengen auf mehr als 25% der Gesamtmasse zu steigern, jedoch ist dieser Weg ungangbar.
Schon im Bereich der aus der zweiten und dritten Teilmenge entstandenen Blockabschnitte haben sich Seigerungen gezeigt und Mängel, die auf eine Inhomogenität des Giessgefüges zurückführbar sind. Die Abfuhr der dem schmelzflüssigen Metall zu entziehenden Wärme erfolgt teils durch den bereits erstarrten Blockteil zu dem Kokillenboden, teils durch die Mantelwand der Kokille. Bei einer Vergrösserung der Teilmengen auf mehr als 25% der Gesamtmenge wird die jeweils schmelzflüssige Metallsäule in der
Kokille höher, woraus eine erhebliche Vergrösserung des durch die Kokillenwand entzogenen Wärmeanteiles gegenüber dem andern resultiert.
Hieraus entspringt eine Änderung der Richtung, in welcher die Erstarrungszone fortschreitet, und schon ab dem aus der zweiten Teilmenge erstarrten Blockabschnitt unterscheidet sich das Gefüge im wesentlichen nicht mehr von dem eines aus einer einmaligen Gesamtcharge gegossenen Blockes.
Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, das erlaubt, aus möglichst wenig Teilmengen Blöcke mit einem Gefüge zu giessen, das eine aufwärts gerichtete Vorzugsorientierung aufweist. Dieses Ziel ist mit einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erreichbar, bei dem erfindungsgemäss als erste Teilmenge 30 bis 50% der Gesamtmasse des Gussblockes in die Kokille eingegossen und als weitere Teilmengen lediglich je 10 bis 50% der ersten Teilmenge zugegossen werden. Während des Giessens wird der in der Kokille bereits erstarrte Teil des Blockes immer höher, wobei aus jeder Teilmenge ein Blockabschnitt entsteht, dessen Höhe nicht nur von diesen, sondern auch von der Grösse des Blockquerschnitts abhängt. Die durch den erstarrten Teil des Blockes in Richtung gegen den Kokillenboden pro Zeiteinheit abführbare Wärme nimmt mit zunehmender Höhe dieses Blockteiles ab.
Es kann sich daher als vorteilhaft erweisen, wenn die Teilmengen stetig verringert werden, indem beispielsweise bei den auf die zweite Teilmenge folgenden Teilmengen jeweils 50 bis 90% der vorhergehenden Teilmenge der Kokille zugeleitet werden. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist dafür gesorgt, dass die Höhen der nach dem Zugeben der einzelnen Teilmengen entstehenden Säulen aus schmelzflüssigem Metall im Verlaufe des Giessvorganges stets der durch den bereits erstarrten Blockteil abführbaren Menge angepasst sind.
Zwischen der durch den erstarrten Blockteil und der durch die Kokillenwand im Bereich der schmelzflüssigen Metallsäule abgeführten Wärmemenge ist eine das Entstehen des gewünschten Gefüges innerhalb
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des gesamten Gussblockes sichernde Relation geschaffen. Empfehlenswert ist diese Führung des erfindungsgemässen Verfahrens vor allem, wenn die herzustellenden Blöcke relativ schlank sind, aber auch die Wärmeleitfähigkeit des jeweiligen Giessmetalls kann bestimmend sein.
Das mit abnehmenden Teilmengen durchgeführte, erfindungsgemässe Verfahren lässt verschiedene
Varianten zu. Es kann sich empfehlen, als erste Teilmenge 30% der Gesamtmasse des Gussblockes in die
Kokille einzugiessen und bei den auf die zweite Teilmenge folgenden Teilmengen jeweils 90% der vorhergehenden Teilmenge der Kokille zuzuleiten. In andern Fällen kann es besser sein, als erste
Teilmenge 50% der Gesamtmasse des Gussblockes in die Kokille zu giessen und bei den folgenden Teilmengen jeweils 50% der vorhergehenden Teilmenge der Kokille zuzuleiten. Manchmal ist es vorteilhaft, wenn als erste Teilmenge 40% der Gesamtmasse des Gussblockes in die Kokille gegossen werden und wenn bei den auf die zweite Teilmenge folgenden Teilmengen jeweils 779xi der vorhergehenden Teilmenge der Kokille zugeleitet werden.
Eine allgemeine Regel dafür, wann die eine oder die andere der erwähnten Varianten zu bevorzugen ist, lässt sich nicht angeben, weil dies weitgehend von der Gestalt der herzustellenden
Blöcke und von dem Metall abhängt, aus dem sie bestehen müssen. Zu beachten ist, dass es sich bei der Herstellung grosser und insbesondere sehr grosser Blöcke regelmässig um das Erzeugen weniger Stücke wenn nicht eines einzigen handelt, wobei auch die Metalle wechseln, so dass eine Typisierung bisher nicht
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen gemäss den Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt Fig. l in schematisierter Darstellung im Längsschnitt eine
Kokille samt Elektroden vor Beginn des Giessvorganges, Fig. 2 die Schaltung der Elektroden, Fig. 3 und 4 die Kokille beim Herstellen des Schlackenbades bzw. beim Eingiessen der ersten Teilmenge, Fig. 5 die
Stellung der Elektroden nach dem Eingiessen der ersten Teilmenge, Fig. 6 das Zugeben der zweiten
Teilmenge, Fig. 7 die Stellung der Elektroden nach dem Eingiessen sämtlicher Teilmengen und Fig. 8 das
Gefüge des hergestellten Blockes.
Beim Herstellen eines Gussblockes nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird eine Vorrichtung mit einer Kokille --2-- benutzt, die von einem Wassermantel --3-- umgeben und auf einen Boden-l- aufgesetzt ist, der den Kokillenhohlraum unten begrenzt. Auf den Boden-l-ist eine Impfscheibe--4-- aus einem Metall aufgelegt, dessen Zusammensetzung der des zu vergiessenden Metalls im wesentlichen entspricht. In die Kokille --2-- sind unverzehrbare Elektroden --5--, z. B. Graphitelektroden, eingeführt.
Im Hinblick auf die im Verlauf des Giessens schwerer Blöcke aufzuwendenden erheblichen elektrischen Leistungen empfiehlt es sich, drei oder auch mehr Elektroden zu verwenden, deren Anzahl ein Vielfaches von drei beträgt, und diese an einer Drehstromquelle anzuschliessen.
Gemäss Fig. 2 sind drei in Winkelabständen von je 120 angeordnete Elektroden --5-- vorgesehen, die mit den im Dreieck geschalteten Wicklungen-b-- der Sekundärseite eines Drehstromtransformators--6-verbunden sind, dessen primärseitige Wicklungen --a-- ebenfalls im Dreieck geschaltet sind. Die Anschlussklemmen des Transformators sind mit-A, B und C-- bezeichnet.
Vor dem Giessen eines Blockes werden die Elektroden --5-- so weit abgesenkt, bis sie die Impfscheibe - berühren. Dann wird ein Schlackenbad --7-- hergestellt. Die Zusammensetzung dieses Bades wird im Hinblick auf das zu vergiessende Metall und die in diesem etwa vorhandenen Verunreinigungen gewählt.
Entweder kann Schlacke mit der erwünschten hohen Raffinationsfähigkeit in flüssigem Zustand eingegossen werden oder es werden ihre festen granulierten Komponenten in die Kokille geschüttet. Hierauf wird die Stromquelle angeschaltet, um das Schlackenbad auf seine gewünschte Temperatur zu bringen bzw. auf dieser zu erhalten. Feste Komponenten schmelzen zunächst unter dem Einfluss des elektrischen Stromes.
Die Stromstärken liegen je nach Grösse des herzustellenden Blockes bzw. der Kokille --2-- zwischen 10 bis 20 kA und die Spannungen zwischen 50 bis 90 V (Fig. 3). Das dauernd und gehörig temperierte Schlackenbad erfüllt den Zwischenraum zwischen der Impfscheibe--4--und dem Boden --1--, und in dem Zwischenraum und an der Kokillenwand bildet sich eine erstarrte Schlackenschicht --8--, die bis zum Badspiegel reicht. In die Kokille --2-- wird dann die erste Teilmenge Mi eingegossen, die 30 bis 50% der gesamten zum Herstellen des Blockes erforderlichen Metal1menge M beträgt.
Während des Eingiessens werden die Elektroden --5-- angehoben, wobei deren Enden jedoch ständig innerhalb des Schlackenbades verbleiben (Fig. 4). Auch nach dem beendeten Eingiessen der ersten Teilmenge bleibt die Stromquelle angeschaltet. Von dem erhitzten Schlackenbad --7-- geht durch den Spiegel des schmelzflüssigen Metalls, das innerhalb der Kokille --2-- eine flüssige Säule --9-- bildet, Wärme in diese über. Gleichzeitig wird
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--4--.Bei s pie 1 4 : Die erste Teilmenge beträgt 60 t entsprechend 30% der Gesamtmasse und die zweite Teilmenge 50% der ersten, nämlich 30 t. Die dritte und die folgenden Teilmengen sind jeweils um etwa 10% kleiner als die vorangehende. Auch auf diese Weise kann man mit sieben Teilmengen auskommen, jedoch steigen die zwischen dem Zuführen aufeinanderfolgender Teilmengen einzuhaltenden Zeiten an, denn die Bedingung, eine Teilmenge erst dann aufzugeben, bis die vorherige mehr als zur Hälfte erstarrt ist, muss eingehalten werden.
Beispiel 5 : Man kann aber auch mit einer grösseren ersten Teilmenge beginnen, nämlich mit
80 t, als zweite Teilmenge 40 t und als weitere Teilmengen jeweils etwa 77% der vorhergehenden der
Kokille zuleiten. Die Intervalle zwischen den aufeinanderfolgenden Eingüssen nehmen dann von 20 h auf etwa 2 h ab. In diesem Fall kommt man mit weniger Teilmengen aus, muss aber mehr Zeit aufwenden.
Die vorstehenden Beispiele zeigen die Abwandelbarkeit des erfindungsgemässen Verfahrens, dessen
Vorzüge bei der Herstellung von 40 t-Blöcken ins Gewicht zu fallen beginnen und beim Giessen von
Blöcken grösserer Masse zunehmend ausgeprägter werden. Blöcke des letztgenannten Ausmasses dienen beispielsweise als Ausgangsprodukte für die Herstellung von Turbinen mit einer Leistung von 1 GW und mehr.
In allen Fällen bleiben die Vorteile des Elektroschlackegiessens, nämlich das Entziehen von
Verunreinigungen aus den vergossenen Metallen mit Hilfe des Schlackenbades, welches sämtliche
Teilmengen passieren, erhalten. Verringert wird die zum Giessen namentlich sehr schwere Blöcke aufzuwendende Zeit, wobei-und hierin liegt ein wesentlicher Vorteil- ohne zusätzliche Massnahmen ein innerhalb des gesamten Blockes gleichmässiges Gefüge der gewünschten Beschaffenheit erreicht wird.
Es empfiehlt sich, zumindest die auf die erste folgenden Teilmengen durch Giessrohre einzubringen, die das gehörige Vermischen des jeweils zugegebenen Metalls mit der in der Kokille noch vorhandenen Metall- schmelze zulassen, ohne die vorhandenen, die im Zustand der Erstarrung begriffene Metallschmelze enthaltenden Zonen durch exzessive Wirbelbildung von Grund auf zu zerstören oder in diese Schlacken- teilchen einzuführen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Elektroschlackegiessen von Metallblöcken, bei dem zunächst in eine gekühlte
Kokille, an deren Boden eine Impfscheibe angeordnet ist, flüssige Schlacke hoher Raffinationsfähigkeit bzw. ein Gemisch aus festen Komponenten einer solchen Schlacke eingebracht, mittels durch in die Kokille eingeführte, unverzehrbare Elektroden zugeleiteten Stromes das bereits flüssige bzw. aus den zunächst schmelzenden Komponenten entstandene Schlackenbad flüssig erhalten und sodann durch dieses hindurch das schmelzflüssige Metall in Teilmengen eingegossen wird, wobei das Eingiessen der zweiten und der weiteren Teilmengen stets dann erfolgt, wenn mehr als die Hälfte der vorhergegangenen Teilmenge
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der ersten Teilmenge zugegossen werden.