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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Elektroschlackengiessen von Metallblöcken grosser Abmessungen, die als Rohlinge bei der Fertigung der Läufer von elektrischen Generatoren u. ähnlichen grossen Bauteilen Verwendung finden.
In der letzten Zeit ist in mehreren Industriezweigen und insbesondere im Kraftmaschinenbau der Bedarf an Schmiedestücken, die aus gegossenen Metallblöcken mit einer Masse von 100 t und mehr hergestellt werden, stark angestiegen. Die Güte von Schmiedestücken ist bekanntlich in vielen Belangen von der Struktur des Ausgangsblocks abhängig und bestimmt die Güte des Fertigerzeugnisses. Die Praxis hat gezeigt, dass bei dem üblichen Herstellungsverfahren von grossen Metallblöcken durch einmaliges Eingiessen des schmelzflüssigen Metalls in die Kokille Fehler wie Seigerungen, Lunker, ungünstige Verteilung von nichtmetallischen Einschlüssen in der Masse des Blocks und eine Oxydation seiner Oberfläche unvermeidlich sind.
Eine deutlich ausgeprägte physikalische und chemische Inhomogenität von auf diese Weise hergestellten Blöcken gestattet es in den meisten Fällen nicht, diese zur Herstellung von grossen Bauteilen zu verwenden.
Besonders ungünstig ist die Metallstruktur in der Kernzone eines derartigen Blocks. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Erstarrung des flüssigen Metalls hauptsächlich in der Richtung von den Wänden der Kokille zu ihrer Zentralzone vor sich geht. Im Masse des Fortschreitens der Kristallisationsfront verschlechtern sich dabei ständig die Wärmeableitungsbedingungen und die Struktur des erstarrenden Metalls ändert sich von der feindendritischen gehärteten an und in der Nähe der Oberfläche des Blocks bis zu den sphärolitischen Kristalliten mit zahlreichen Seigerungen in der Kernzone.
Es wurde bereits mehrfach versucht, die Kristallisationsrichtung zu ändern und dadurch die Struktur des Blocks vorteilhaft zu beeinflussen. Wie sich herausgestellt hat, ist das in der US-PS
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dieser Hinsicht das aussichtsreichste. Dieses Verfahren umfasst folgende Arbeitsgänge : Zuführen des elektrischen Stroms an die nicht selbstverzehrenden Elektroden, Erzeugen des Schlackenbades in der abzukühlenden Kokille und Erhitzen desselben durch Elektroden, das teilmengenweise Eingiessen des flüssigen Metalls durch die Schicht der flüssigen Schlacke. Das Eingiessen jeder nächstfolgenden Teilmenge wird gemäss dem erwähnten Verfahren nach der Kristallisation des Metalls jeder vorherigen Teilmenge um mehr als die Hälfte vorgenommen.
Nach dem Eingiessen der Metall-Teilmenge wird das Elektroschlackenerhitzen des Metallspiegels mit einer elektrischen Leistung durchgeführt, bei der der Metallspiegel am gesamten Kokillenumfang im flüssigen Zustand gehalten wird. Dabei erstarrt das eingegossene Metall langsam in der Richtung von unten nach oben in der Weise, dass zum Zeitpunkt des Eingiessens der nächstfolgenden Teilmenge des Metalls ein Teil des Metalls der vorherigen Teilmenge noch nicht erstarrt ist. Das flüssige Metall der nächstfolgenden Teilmenge wird in die Kokille eingefüllt, wo es sich mit den Resten des flüssigen Metalls der vorherigen Teilmenge vermischt. Die hauptsächliche Richtung des Fortschreitens der Kristallisationsfront nach dem Eingiessen der zweiten und der nächstfolgenden Teilmenge verbleibt wie früher von unten nach oben.
Die Untersuchung von beim vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten Metallblöcken hat ergeben, dass ihre physikalische und chemische Struktur im ganzen Volumen verhältnismässig homogen ist, während durch Schwindung-un Seigerungserscheinungen verursachte Fehler praktisch sogar in der Kernzone ausbleiben. Die betrachtete Technologie ermöglicht das Erzeugen von gegossenen Metallblöcken mit einer Masse über 300 t mit Hilfe eines Stahlschmelzaggregates von verhältnismässig geringem Fassungsvermögen (z. B. von 30 bis 50 t). Weiterhin wird das Metall infolge seiner Wechselwirkung mit der flüssigen Schlacke im bedeutenden Masse von nicht metallischen Beimengungen befreit, was sich auf die mechanischen Eigenschaften des gegossenen Metallblocks vorteilhaft auswirkt.
Eine kennzeichnende Besonderheit des obenbeschriebenen Verfahrens besteht darin, dass die Leistung, die den Elektroden zugeführt wird, im Verlaufe des ganzen Vorganges des Giessens des Metallblocks konstant gehalten wird. Beim Giessen von Metallblöcken mit einer Masse von 200 t wird insbesondere bei einem Strom von 10000 bis 20000 A und einer Spannung von 50 bis 90 V die optimale Leistung erreicht.
Die Untersuchung der bei solchen Betriebsbedingungen hergestellten Metallblöcke ergibt, dass in vielen Fällen im unteren Teil der Blöcke sich häufig Längsrisse bilden, deren Tiefe manchmal bis zur Kernzone des Blocks reicht. Wie sich herausgestellt hat, entsteht dieser Fehler vor allem beim Giessen von grossen Blöcken aus Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt von 0, 15 bis 0, 40% sowie aus legierten Stählen.
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Das Entstehen von Längsrissen wird durch die beim Erstarren des unteren Teils des Metallblocks im Masse des Ansteigens seiner Höhe bei teilmengenweisen Eingiessen entstehenden Wärmespannungen hervorgerufen.
Die Grösse der Wärmespannungen könnte zwar durch Erhitzen der Kokille theoretisch vermindert werden.
Dies erfordert aber eine bedeutende Komplizierung der konstruktiven Ausführung, zusätzlichen Energie- aufwand und eine ständige regelbare Änderung der Betriebsbedingungen des Kokillenerhitzers im Masse der Vergrösserung des gegossenen Metallblocks.
Darüber hinaus ist die Leistung des Giessvorganges beim oben beschriebenen Verfahren noch durch die ständige, intensive, die Erstarrung behindernde Wärmezuführung zum erschmolzenen Metall vom
Schlackenbad eingeschränkt.
Ziel der Erfindung ist es, die dargelegten Nachteile zu vermeiden, d. h. ein solches Verfahren zum Elektroschlackengiessen von Metallblöcken anzugeben, das es ermöglicht, Wärmespannungen im unteren Teil des Metallblocks ohne Kokillenerhitzung beim teilmengenweisen Eingiessen des flüssigen Metalls zu vermindern.
Dies wird bei einem Verfahren zum Elektroschlackengiessen von MetaUblöcken, bei dem das Schlackenbad in einer gekühlten Kokille erhalten und mittels Elektroden erwärmt wird und hierauf flüssiges Metall in die Kokille durch die schmelzflüssige Schlackenschicht hindurch teilmengenweise eingegossen wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass in dem Zeitabschnitt von 5 bis 20 min vor dem Eingiessen zumindest der ersten Teilmenge flüssigen Metalls die den Elektroden zugeführte Leistung des elektrischen Stroms um einen 20 bis 80% vom Nennwert betragenden Wert verringert und in dem Zeitabschnitt von 2 bis 5 min vor dem Eingiessen oder aber unmittelbar danach wieder auf den Nennwert erhöht wird.
Durch die Verringerung der Leistung des elektrischen Stroms, der den Elektroden zugeführt wird, verdickt sich die Schlackenschicht, wodurch es ermöglicht wird, die Wärmeableitung durch die Kokillenwände zu verringern, die Temperaturen in Höhenrichtung des Metallblocks auszugleichen und dadurch die Wahrscheinlichkeit der Bildung von durch Wärmespannungen verursachten Längsrissen zu verringern.
Durch die Erhöhung der Leistung des elektrischen Stroms auf den Nennwert in dem Zeitabschnitt von 2 bis 5 min vor dem Eingiessen oder aber unmittelbar danach ist es möglich, die Bildung von überschüssigen ringförmigen Schlackenansätzen am Schlackenbadspiegel zu vermeiden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die den Elektroden zugeführte Leistung unmittelbar nach dem Eingiessen der einzelnen Teilmengen verringert und 5 bis 20 min vor dem Eingiessen der nächstfolgenden Teilmenge wieder auf den Nennwert erhöht wird. Dadurch werden die Bedingungen des Formens des gegossenen Metallblocks in Verbindungsstellen der Teilmengen des Eingiessmetalls verbessert.
Beim erfindungsgemässen Verfahren ist weiters eine bedeutende Verminderung des Verbrauchs an elektrischer Energie und eine Steigerung der Giessleistung festzustellen. Die Steigerung der Giessleistung ist durch die Intensivierung der Kristallisation des flüssigen Metalls infolge der Verminderung der dem Schlackenbad zugeführten Wärme bedingt.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. l, eine gekühlte Kokille, in welche die Elektroden vor der Erzeugung des Schlackenbades eingeführt werden, Fig. 2 die gekühlte Kokille mit in diese eingeführten Elektroden, die an eine Stromquelle angeschlossen sind, Fig. 3 die Stellung der Elektroden in der Kokille bei der Erzeugung des Schlackenbades, Fig. 4 die Stellung der Elektroden in der Kokille bei der Vergrösserung der Höhe der Schlackenschicht vor dem Eingiessen der ersten Teilmenge des schmelzflüssigen Metalls, Fig. 5 die Stellung der Elektroden im Schlackenbad bei der Erhöhung der Leistung des elektrischen Stroms nach der Bildung der verdickten Schlackenschicht, Fig.
6 die Stellung der Elektroden im Schlackenbad nach dem Eingiessen der ersten Teilmenge bei der Verminderung der Leistung des elektrischen Stroms zur Intensivierung des Kristallisationsprozesses, Fig. 7 die Stellung der Elektroden im Schlackenbad bei der Steigerung der Leistung des elektrischen Stroms unmittelbar vor dem Eingiessen der zweiten Teilmenge und Fig. 8 die Stellung der Elektroden bei der Beseitigung des Lunkers nach der Beendigung des Giessens des Me- tallblocks.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zum Elektroschlackengiessen von Metallblöcken wird eine gekühlte, auf einer Bodenplatte-l- (Fig. 1) aufgestellte Kokille --2-- verwendet. Auf die
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Bodenplatte-l-wird eine Metallscheibe --3-- gelegt, deren Zusammensetzung der chemischen Zusammensetzung des Metalls, das eingegossen wird, ähnlich ist. In den Wänden der Kokille --2-- ist ein Wassermantel --4-- vorgesehen. In die Kokille --2-- sind Graphitelektroden --5--, wie aus Fig. 1 ersichtlich, eingeführt. Die Anzahl der Elektroden wird so gewählt, dass sie ein ganzzahliges Vielfaches von drei darstellt.
Als Stromquelle --6-- dient ein Drehstromtransformator, der an die Graphitelektroden --5-- angeschlossen ist (Fig. 2).
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Elektroschlackengiessen von Metallblöeken wird wie folgt realisiert : In die gekühlte Kokille-2- (Fig. 3) wird flüssige Schlacke eingefüllt, die eine hohe Raffinationsfähigkeit aufweist, bzw. ein Gemisch aus Beschickungsbestandteilen einer solchen Schlacke eingeschüttet. Mit Hilfe der nicht abschmelzbaren Graphitelektroden-5-wird die Schlacke erhitzt, wobei in der Kokille --2-- ein Schlackenbad --7-- erzeugt wird. Dabei wird die elektrische Leistung bei einer Stromstärke von 10000 bis 20000 A und einer Spannung von 50 bis 90 V als Nennwert gehalten.
Infolge einer intensiven Wärmeableitung durch die Wände der gekühlten Kokille --2-- und durch die Bodenplatte - an den Wänden der Kokille --2-- sowie im Freiraum zwischen der Metallscheibe --3-- und den Wänden der Kokille --2-- bildet sich eine Schlackenschicht --8--, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Vor dem Eingiessen der ersten Teilmenge flüssigen Metalls wird die Leistung des elektrischen Stroms, der den Elektroden --5-- zugeführt wird, um 20 bis 80% des Nennwertes verringert. Die elektrische Leistung wird durch Verminderung der Eintauchtiefe der Elektroden --5-- im Schlackenbad --7-- um eine Grösse von Ah geändert, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist.
Dabei bildet sich an den Wänden der Kokille --2-- eine verdickte Schicht der Schlacke--9--. In der unmittelbaren Nähe vom Schlackenbadspiegel entsteht ein überschüssiger Schlackenansatz --10--. Nach Bildung der Schlackenschicht --9-- wird die Leistung des elektrischen Stroms wieder bis auf den Nennwert erhöht, indem die Elektroden tiefer ins Schlackenbad --7-- abgesenkt werden, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Die Leistungssteigerung fördert das Niederschmelsen des überschüssigen Schlackenansatzes - -10--.
Die erste Teilmenge des schmelzflüssigen Metalls wird durch die Schicht der flüssigen Schlacke --7-eingegossen. Während des Eingiessens werden die Elektroden --5-- zusammen mit dem Schlackenbad --7--, das durch das Metall verdrängt wird, angehoben. Nach der Beendigung des Eingiessens der ersten Teilmenge --11-- wird die Leistung des elektrischen Stroms wieder vermindert, indem die Elektroden --5-aus dem Schlackenbad --7-- teilweise herausgeführt werden (Fig. 6). Dabei vermindert sich die Wärmezufuhr vom Schlackenbad --7-- zum Metall, wodurch eine gerichtete Kristallisation des Metalls gefördert wird.
Im weiteren wird die Leistung des elektrischen Stroms wieder auf den Nennwert gebracht und die zweite Teilmenge des schmelzflüssigen Metalls eingegossen (Fig. 7). Das Erhitzen des Schlackenbades vor dem Eingiessen der nächstfolgenden Teilmengen wird auf ähnliche Weise bis zum endgültigen Giessen des ganzen Gussblocks durchgeführt. Die verdickte Schlackenschicht --9-- vermindert die Wärmeableitung von Bodenteil des gegossenen Metallblocks, verringert den Temperaturgradient in Höhenrichtung des Metallblocks und verhindert somit das Entstehen von gefährlichen Wärmespannungen und die Bildung von Längsrissen.
Nach der Beendigung des Giessens des Metallblocks nach dem Eingiessen der letzten Teilmenge des schmelzflüssigen Metalls wird der Lunker beseitigt, indem man die zugeführte elektrische Leistung, z. B. durch Verminderung der Spannung des elektrischen Stroms, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist, allmählich herabsetzt.
Beispiel l : Beim Giessen eines Blocks für ein Schmiedestück mit einer Masse von 200 t aus Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0, 25% wurde eine Schlacke angewandt, deren Schmelztemperatur 1500 C beträgt. Das Giessverfahren wurde wie vorstehend beschrieben bei folgenden Betriebsbedingungen durchgeführt. Beim Zuführen eines Stroms von 20000 A und einer Spannung von 90 V wurden die Beschickungsbestandteile erschmolzen, das Schlackenbad in der Kokille gebildet und erhitzt. Dabei bildete sich an der Kokillenwand eine 4 bis 6 mm starke Schlackenschicht. Nach der Bildung bzw.
Erzeugung des Schlackenbades in der gekühlten Kokille wurde 20 min vor dem Beginn des Eingiessens der ersten Teilmenge die Leistung des elektrischen Stroms um 20% des Nennwertes durch Verringerung der Eintauchtiefe der Elektroden im Schlackenbad vermindert. Infolge der Temperaturverminderung stieg die Stärke der Schlackenschicht auf 10 bis 15 mm an. 5 min vor dem Beginn des Eingiessens der ersten Teilmenge des flüssigen Metalls wurde die zugeführte elektrische Leistung bis auf den Nennwert
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vergrössert, indem die Elektroden ins Schlackenbad bis auf den vorherigen Stand abgesenkt wurden.
Dabei wurde der ringförmige Schlackenansatz am Schlackenbadspiegel völlig erschmolzen, während die
Stärke der Schlackenschicht an den Wänden unbedeutend (um 2 bis 3 mm) abgenommen hat. Die erste Teilmenge des flüssigen Metalls wurde durch die Schicht der flüssigen Schlacke eingegossen. Im weiteren wurde das teilmengenweise Eingiessen des Metalls ohne Änderung der den Elektroden zugeführten Leistung des elektrischen Stroms bis zum endgültigen Giessen des ganzen Metallblocks durchgeführt. Die an den Kokillenwänden entstandene Schlackenschicht hat dank ihrer wärmedämmenden Eigenschaften die Temperatur an der Oberfläche des Bodenteils des gegossenen Metallblocks auf einem Wert von über 500 C im Verlaufe des ganzen Vorganges des teilmengenweisen Giessens gehalten.
Der Temperaturgradient in Höhenrichtung des Metallblocks hat den gefährlichen Wert nicht überschritten, und im Bodenteil des Metallblocks konnten keine Risse nachgewiesen werden.
Beispiel 2 : Ein Metallblock mit einer Masse von 120 t wurde aus Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0, 20% im erfindungsgemässen Giessverfahren hergestellt. Dabei wurde eine Schlacke mit einem Schmelzpunkt von 1100 C angewandt. Das Verfahren wurde bei folgenden Betriebsbedingungen durchgeführt. Beim Zuführen eines elektrischen Stroms von 10000 A und einer Spannung von 50 V wurden die Beschickungsbestandteüe erschmolzen, das Schlackenbad in der Kokille gebildet und erhitzt.
Dabei bildete sich an der Kokillenwand eine 4 bis 5 mm starke Schlackenschicht. Nach der Bildung des Schlackenbades in der gekühlten Kokille wurde 5 min vor dem Eingiessen der ersten Teilmenge die Leistung des elektrischen Stroms um 80% des Nennwertes durch eine Verringerung der Eintauchtiefe der Elektroden im Schlackenbad vermindert. Infolge der Verminderung der Temperatur stieg die Stärke der Schlackenschicht auf 14 bis 16 mm an. Die erste Teilmenge des schmelzflüssigen Metalls wurde durch die Schicht der flüssigen Schlacke eingegossen. Unmittelbar nach dem Eingiessen der ersten Teilmenge wurde die elektrische Leistung wieder bis auf den Nennwert erhöht.
Zur Erhöhung der elektrischen Leistung wurden die Elektroden ins Schlackenbad tiefer abgesenkt. 5 min vor dem Eingiessen der zweiten Teilmenge und der nächstfolgenden Teilmengen wurde die elektrische Leistung um 80% des Nennwertes vermindert und dann nach dem Eingiessen jeder Teilmenge vergrössert. Durch die an den Kokillenwänden gebildete Schlackenschicht wurde die Temperatur auf der Oberfläche des Bodenteils des Metallblocks auf einem Wert von über 500 C im Laufe des gesamten Verfahrens des teilmengenweisen Giessens gehalten. Der Temperaturgradient in Höhenrichtung des Metallblocks hat den gefährlichen Wert nicht überschritten, und es konnten auch keine Risse im Bodenteil des Metallblocks nachgewiesen werden.
Beispiel 3 : Beim Giessen eines Blocks für ein Schmiedestück mit einer Masse von 190 t aus Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0, 20% wurde eine Schlacke mit einer Schmelztemperatur von 1250 bis 1300 C angewandt. Das Verfahren wurde wie vorstehend beschrieben bei folgenden Betriebsbedingungen durchgeführt. Durch Zuführung eines elektrischen Stroms von 15000 A und einer Spannung von 70 V wurden die Beschickungsbestandteile erschmolzen und das Schlackenbad in der Kokille erzeugt und erhitzt. Dabei bildete sich an der Kokillenwand eine 4 bis 5 mm starke Schlackenschicht.
Nach der Erzeugung des Schlackenbades in der gekühlten Kokille wurde im Zeitraum von 12 bis 14 min vor dem Beginn des Eingiessens der ersten Teilmenge die Leistung des elektrischen Stroms um 45 bis 50% des Nennwertes durch Verringerung der Tauchtiefe der Elektroden im Schlackenbad vermindert. Infolge der Temperaturverminderung wurde die Stärke der Schlackenschicht auf 10 bis 15 mm vergrössert. Die erste Teilmenge des flüssigen Metalls wurde durch die Schicht der flüssigen Schlacke eingegossen und gleichzeitig mit dem Beginn des Eingiessvorganges die Leistung des elektrischen Stroms auf den Nennwert erhöht. Im weiteren wurde das teilmengenweise Eingiessen des Metalls ohne Änderung der den Elektroden zugeführten Leistung bis zum endgültigen Formen des ganzen Metallblocks vorgenommen.
Nach dem Ausheben des Metallblocks aus der Kokille konnten in seinem Bodenteil keine Risse nachgewiesen werden.
Beispiel 4 : Für ein Schmiedestück wurde ein gegossener Metallblock mit einer Masse von 200 t aus Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0, 35% hergestellt. Dabei wurde eine Schlacke mit einer Schmelztemperatur von 1500 C angewandt. Das Verfahren wurde wie vorstehend beschrieben unter folgenden Betriebsbedingungen durchgeführt. Die Stärke des zugeführten elektrischen Stroms betrug 20000 A, die Höhe der angelegten Spannung 90 V. Mit den Elektroden wurden die Beschickungsbestandteile erschmolzen, ein Schlackenbad wurde in der Kokille gebildet und erhitzt. Dabei bildete sich an der Kokillenwand eine 4 bis 6 mm starke Schlackenschicht.
Nach der Bildung des Schlackenbades in der gekühlten Kokille wurde von 15 bis 17 min vor dem Beginn des Eingiessens der ersten Teilmenge die
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Leistung des elektrischen Stroms um 30 bis 35% des Nennwertes vermindert. Infolge der Temperaturverminderung vergrösserte sich die Stärke der Schlackenschicht auf 15 mm. 5 min vor dem Beginn des Eingiessens der ersten Teilmenge des schmelzflüssigen Metalls wurde die zugeführte elektrische Leistung bis auf den Nennwert vergrössert, indem die Elektroden ins Schlackenbad bis auf den vorherigen Stand abgesekt wurden ; dabei wurde der ringförmige Schlackenansatz am Schlackenbadspiegel vollkommen erschmolzen, während die Stärke der Schlackenschicht an den Wänden um 2 bis 3 mm vermindert wurde. Die erste Teilmenge wurde durch die Schicht der flüssigen Schlacke eingegossen.
Unmittelbar nach dem Eingiessen der ersten Teilmenge wurde die elektrische Leistung um 30 bis 40% des Nennwertes vermindert ; dabei verringerte sich die Wärmezufuhr vom Schlackenbad zum Metall, und die Kristallisation der Metallschmelze erfolgte intensiver. 5 bis 20 min vor dem Eingiessen der zweiten Teilmenge wurde die elektrische Leistung wieder auf den Nennwert gebracht, so dass der ringförmige Schlackenansatz beim Schlackenbadspiegel und die dünne Umfangsschicht des bei den Kokillenwänden an der Grenze mit dem Schlackenbad kristallisierten Metalls der ersten Teilmenge erschmolzen wurden. Es wurde die zweite Teilmenge des schmelzflüssigen Metalls eingegossen und unmittelbar nach dem Ende des Eingiessens wurde die elektrische Leistung wieder vermindert.
Vor dem Beginn des Eingiessens der dritten Teilmenge wurde die elektrische Leistung wieder auf den Nennwert erhöht. Im weiteren wurden eine Änderung der Betriebsbedingungen und das Eingiessen der Teilmengen auf ähnliche Weise bis zum endgültigen Giessen des ganzen Metallblocks vorgenommen. Eine solche Modifikation des Verfahrens gemäss der Erfindung ermöglicht die Herstellung von gegossenen Metallblöcken hoher Güte und eine maximale Leistung des Giessvorganges.
Das obenbeschriebene Verfahren des Elektroschlackengiessens von Metallblöcken lässt sich nicht nur analog den Ausführungsbeispielen verwirklichen. Es sind Modifikationen des Verfahrens gemäss der Erfindung möglich, bei denen die Leistung des elektrischen Stroms und folglich die Temperaturbedingungen im Schlackenbad geändert werden, ohne die Elektroden zu verstellen, sondern indem man die Stromstärke und bzw. oder die Spannung, die den Elektroden zugeführt werden, variiert.
Das oben beschriebene Verfahren zum Elektroschlackengiessen von Metallblöcken ist zum Herstellen von Blöcken für hochwertige Schmiedestücke mit einer Masse von 40 bis 350 t und mehr am besten geeignet, die insbesondere zur Herstellung von Läufern einer Turbine mit einer Leistung über 1000 MW in einem Satz erforderlich sind. Der wichtigste Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens im Vergleich mit dem bekannten Stand der Technik besteht darin, dass die Bildung von Längsrissen im Bodenteil des Gussblocks vermieden und zugleich die Leistung des Giessvorganges gesteigert wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Elektroschlackengiessen von Metallblöclten, bei dem das Schlackenbad in einer gekühlten Kokille erhalten und mittels Elektroden erwärmt wird und hierauf flüssiges Metall in die Kokille durch die schmelzflüssige Schlackenschicht hindurch teilmengenweise eingegossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zeitabschnitt von 5 bis 20 min vor dem Eingiessen zumindest der ersten Teilmenge flüssigen Metalls die den Elektroden zugeführte Leistung des elektrischen Stroms um einen 20 bis 80% vom Nennwert betragenden Wert verringert und in dem Zeitabschnitt von 2 bis 5 min vor dem Eingiessen oder aber unmittelbar danach wieder auf den Nennwert erhöht wird.
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The invention relates to a method for electro-slag casting of metal blocks of large dimensions, which are used as blanks in the manufacture of the rotor of electrical generators and. similar large components are used.
Recently, the demand for forgings made from cast metal blocks with a mass of 100 t and more has risen sharply in several branches of industry and in particular in mechanical engineering. As is well known, the quality of forgings depends in many respects on the structure of the starting block and determines the quality of the finished product. Practice has shown that in the usual manufacturing process for large metal blocks, once the molten metal is poured into the mold, defects such as segregation, cavities, unfavorable distribution of non-metallic inclusions in the mass of the block and oxidation of its surface are inevitable.
In most cases, a clearly pronounced physical and chemical inhomogeneity of blocks produced in this way does not allow them to be used for the production of large components.
The metal structure in the core zone of such a block is particularly unfavorable. This is due to the fact that the solidification of the liquid metal mainly takes place in the direction from the walls of the mold to its central zone. As the crystallization front progresses, the heat dissipation conditions deteriorate constantly and the structure of the solidifying metal changes from the hostile, hardened metal near the surface of the block to the spherulitic crystallites with numerous segregations in the core zone.
Attempts have been made several times to change the direction of crystallization and thereby advantageously influence the structure of the block. As it turns out, that's in the US PS
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the most promising in this regard. This process comprises the following operations: supplying the electric current to the non-self-consuming electrodes, generating the slag bath in the mold to be cooled and heating it by electrodes, pouring the liquid metal in part through the layer of the liquid slag. The pouring in of each subsequent subset is carried out by more than half according to the method mentioned after the crystallization of the metal of each previous subset.
After the metal portion has been poured in, the electroslag heating of the metal mirror is carried out with an electrical power in which the metal mirror is kept in a liquid state over the entire circumference of the mold. The poured-in metal solidifies slowly in the direction from bottom to top in such a way that at the time of pouring in the next subset of the metal, part of the metal of the previous subset has not yet solidified. The liquid metal of the next subset is poured into the mold, where it mixes with the remains of the liquid metal of the previous subset. The main direction of progression of the crystallization front after pouring in the second and the next subset remains as before from bottom to top.
The examination of metal blocks produced in the process described above has shown that their physical and chemical structure is relatively homogeneous over the entire volume, while errors caused by shrinkage and segregation phenomena practically do not occur even in the core zone. The technology under consideration enables the production of cast metal blocks with a mass of over 300 t using a steel melting unit of relatively low capacity (e.g. from 30 to 50 t). Furthermore, due to its interaction with the liquid slag, the metal is largely freed of non-metallic admixtures, which has an advantageous effect on the mechanical properties of the cast metal block.
A characteristic of the method described above is that the power supplied to the electrodes is kept constant throughout the entire process of casting the metal block. When casting metal blocks with a mass of 200 t, the optimum performance is achieved in particular at a current of 10,000 to 20,000 A and a voltage of 50 to 90 V.
Examination of the metal blocks produced under such operating conditions shows that in many cases longitudinal cracks often form in the lower part of the blocks, the depth of which sometimes extends to the core zone of the block. As it turned out, this error arises especially when casting large blocks from steels with a carbon content of 0.15 to 0.40% and from alloyed steels.
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The formation of longitudinal cracks is caused by the thermal stresses that occur when the lower part of the metal block solidifies as the height of the block rises with partial pouring.
The magnitude of the thermal stresses could theoretically be reduced by heating the mold.
However, this requires a significant complication of the design, additional energy expenditure and a constant controllable change in the operating conditions of the mold heater to the extent of the enlargement of the cast metal block.
In addition, the performance of the casting process in the process described above is still due to the constant, intensive, solidification-preventing heat supply to the molten metal from
Slag bath restricted.
The aim of the invention is to avoid the disadvantages set out, i. H. to provide such a method for electro-slag casting of metal blocks, which makes it possible to reduce thermal stresses in the lower part of the metal block without mold heating when pouring the liquid metal in portions.
This is achieved according to the invention in a method for electro-slag casting of metal blocks, in which the slag bath is obtained in a cooled mold and heated by means of electrodes and then liquid metal is poured into the mold through the molten slag layer in such a way that in the period from 5 to 20 minutes before the pouring in of at least the first subset of liquid metal, the power of the electric current supplied to the electrodes is reduced by a value of 20 to 80% of the nominal value and in the period of 2 to 5 minutes before the pouring in or immediately afterwards to the nominal value is increased.
By reducing the power of the electrical current supplied to the electrodes, the slag layer thickens, which makes it possible to reduce the heat dissipation through the mold walls, to compensate for the temperatures in the vertical direction of the metal block, and thereby to increase the likelihood of the formation of thermal stresses Reduce longitudinal cracks.
By increasing the power of the electric current to the nominal value in the period from 2 to 5 minutes before pouring or immediately afterwards, it is possible to avoid the formation of excess annular slag deposits at the slag bath level.
An advantageous development of the method according to the invention is characterized in that the power supplied to the electrodes is reduced immediately after the individual partial quantities have been poured in and is increased again to the nominal value 5 to 20 minutes before the next subsequent partial quantity is poured in. As a result, the conditions of molding the cast metal block in junctions of the subsets of the pouring metal are improved.
In the method according to the invention, there is also a significant reduction in the consumption of electrical energy and an increase in the casting performance. The increase in the casting performance is due to the intensification of the crystallization of the liquid metal as a result of the reduction in the heat supplied to the slag bath.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a cooled mold into which the electrodes are introduced before the slag bath is produced, FIG. 2 shows the cooled mold with electrodes inserted into it and connected to a power source, FIG. 3 shows the position of the electrodes in the Mold in the generation of the slag bath, Fig. 4 the position of the electrodes in the mold when increasing the height of the slag layer before pouring the first portion of the molten metal, Fig. 5 the position of the electrodes in the slag bath when increasing the power of the electrical Current after the formation of the thickened slag layer, Fig.
6 shows the position of the electrodes in the slag bath after pouring in the first subset when reducing the power of the electric current to intensify the crystallization process, FIG. 7 shows the position of the electrodes in the slag bath when increasing the power of the electric current immediately before pouring in the second subset and FIG. 8 the position of the electrodes when the blowholes are removed after the casting of the metal block has ended.
To carry out the process according to the invention for electro-slag casting of metal blocks, a cooled mold --2-- placed on a base plate-1- (FIG. 1) is used. On the
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Base plate-l-a metal disc --3-- is placed, the composition of which is similar to the chemical composition of the metal that is poured. A water jacket --4-- is provided in the walls of the mold --2--. Graphite electrodes --5-- are inserted into the mold --2--, as can be seen in FIG. 1. The number of electrodes is chosen so that it represents an integer multiple of three.
A three-phase transformer, which is connected to the graphite electrodes --5--, serves as the current source --6-- (Fig. 2).
The process according to the invention for the electro-slag casting of metal blocks is implemented as follows: Liquid slag which has a high refining capacity or a mixture of feed components of such a slag is poured into the cooled mold-2 (FIG. 3). The slag is heated with the help of the non-meltable graphite electrodes-5-, whereby a slag bath --7-- is generated in the mold --2--. The electrical power is maintained at a current of 10,000 to 20,000 A and a voltage of 50 to 90 V as the nominal value.
As a result of intensive heat dissipation through the walls of the cooled mold --2-- and through the base plate - on the walls of the mold --2-- as well as in the space between the metal disc --3-- and the walls of the mold --2- - forms a slag layer --8--, as shown in Fig. 3. Before the first subset of liquid metal is poured in, the power of the electrical current that is supplied to the electrodes --5-- is reduced by 20 to 80% of the nominal value. The electrical power is changed by reducing the immersion depth of the electrodes --5-- in the slag bath --7-- by an amount of Ah, as shown in FIG. 4.
This creates a thickened layer of slag - 9-- on the walls of the mold. In the immediate vicinity of the slag bath level there is an excess amount of slag --10--. After formation of the slag layer --9--, the power of the electric current is increased again to the nominal value by lowering the electrodes deeper into the slag bath --7--, as is shown in FIG. 5. The increase in performance promotes the melting down of the excess slag batch - -10--.
The first subset of the molten metal is poured through the layer of liquid slag. During the pouring, the electrodes --5-- are lifted together with the slag bath --7--, which is displaced by the metal. After the pouring in of the first subset --11--, the power of the electric current is reduced again by partially leading the electrodes --5- out of the slag bath --7-- (Fig. 6). The heat supply from the slag bath --7-- to the metal is reduced, which promotes directional crystallization of the metal.
Furthermore, the power of the electric current is brought back to the nominal value and the second subset of the molten metal is poured in (FIG. 7). The heating of the slag bath before pouring in the next batches is carried out in a similar manner until the entire casting block is finally poured. The thickened slag layer --9-- reduces the heat dissipation from the bottom part of the cast metal block, reduces the temperature gradient in the vertical direction of the metal block and thus prevents the generation of dangerous thermal stresses and the formation of longitudinal cracks.
After the casting of the metal block has ended after pouring in the last part of the molten metal, the blow hole is removed by reducing the electrical power supplied, e.g. B. gradually decreases by reducing the voltage of the electric current as shown in FIG.
Example 1: When casting a block for a forging with a mass of 200 t from steel with a carbon content of 0.25%, a slag was used, the melting temperature of which is 1500 ° C. The casting process was carried out as described above under the following operating conditions. When a current of 20,000 A and a voltage of 90 V were supplied, the feed components were melted, the slag bath was formed in the mold and heated. A 4 to 6 mm thick slag layer formed on the mold wall. After education or
Generation of the slag bath in the cooled mold, the power of the electric current was reduced by 20% of the nominal value 20 min before the start of the pouring in of the first portion by reducing the immersion depth of the electrodes in the slag bath. As a result of the temperature decrease, the thickness of the slag layer increased to 10 to 15 mm. 5 minutes before the start of pouring the first portion of the liquid metal, the electrical power supplied was down to the nominal value
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enlarged by lowering the electrodes into the slag bath to the previous level.
The ring-shaped slag approach on the slag bath level was completely melted while the
The thickness of the slag layer on the walls has decreased insignificantly (by 2 to 3 mm). The first portion of the liquid metal was poured through the layer of liquid slag. In addition, the partial pouring of the metal was carried out without changing the power of the electric current supplied to the electrodes until the entire metal block was finally cast. Thanks to its heat-insulating properties, the slag layer formed on the mold walls has kept the temperature on the surface of the bottom part of the cast metal block at a value of over 500 C in the course of the entire partial casting process.
The temperature gradient in the height direction of the metal block did not exceed the dangerous value, and no cracks could be detected in the bottom part of the metal block.
Example 2: A metal block with a mass of 120 t was produced from steel with a carbon content of 0, 20% in the casting process according to the invention. A slag with a melting point of 1100 C was used. The procedure was carried out under the following operating conditions. When an electric current of 10,000 A and a voltage of 50 V were supplied, the feed components were melted, the slag bath in the mold was formed and heated.
A 4 to 5 mm thick slag layer formed on the mold wall. After the formation of the slag bath in the cooled mold, the power of the electric current was reduced by 80% of the nominal value 5 min before the first portion was poured in, by reducing the immersion depth of the electrodes in the slag bath. As a result of the decrease in temperature, the thickness of the slag layer increased to 14 to 16 mm. The first portion of the molten metal was poured through the layer of liquid slag. Immediately after the first part was poured in, the electrical output was increased again to the nominal value.
To increase the electrical power, the electrodes were lowered into the slag bath. 5 minutes before pouring in the second part and the next part, the electrical power was reduced by 80% of the nominal value and then increased after pouring in each part. Due to the slag layer formed on the mold walls, the temperature on the surface of the bottom part of the metal block was kept at a value of over 500 C in the course of the entire partial casting process. The temperature gradient in the height direction of the metal block did not exceed the dangerous value, and no cracks were found in the bottom part of the metal block.
Example 3: When casting a block for a forging with a mass of 190 t from steel with a carbon content of 0, 20%, a slag with a melting temperature of 1250 to 1300 C was used. The procedure was carried out as described above under the following operating conditions. The feed components were melted by supplying an electrical current of 15000 A and a voltage of 70 V and the slag bath in the mold was produced and heated. A 4 to 5 mm thick slag layer formed on the mold wall.
After the slag bath had been produced in the cooled mold, the power of the electric current was reduced by 45 to 50% of the nominal value in the period from 12 to 14 minutes before the start of the pouring in of the first portion by reducing the depth of immersion of the electrodes in the slag bath. As a result of the temperature decrease, the thickness of the slag layer was increased to 10 to 15 mm. The first part of the liquid metal was poured in through the layer of liquid slag and at the same time as the pouring process started, the power of the electric current was increased to the nominal value. In addition, the metal was poured in portions without changing the power supplied to the electrodes until the entire metal block was finally formed.
After the metal block was lifted out of the mold, no cracks could be detected in its bottom part.
Example 4: For a forging, a cast metal block with a mass of 200 t was made of steel with a carbon content of 0.35%. A slag with a melting temperature of 1500 C was used. The procedure was carried out as described above under the following operating conditions. The strength of the electrical current supplied was 20,000 A, the level of the applied voltage was 90 V. The charge components were melted with the electrodes, a slag bath was formed in the mold and heated. A 4 to 6 mm thick slag layer formed on the mold wall.
After the formation of the slag bath in the cooled mold, the was from 15 to 17 minutes before the start of pouring the first portion
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Electrical power output reduced by 30 to 35% of the nominal value. As a result of the temperature decrease, the thickness of the slag layer increased to 15 mm. 5 min before the start of pouring in the first subset of the molten metal, the electrical power supplied was increased to the nominal value by the electrodes being sunk into the slag bath to the previous level; the ring-shaped slag deposit on the slag bath level was completely melted, while the thickness of the slag layer on the walls was reduced by 2 to 3 mm. The first portion was poured through the layer of liquid slag.
Immediately after the first part was poured in, the electrical output was reduced by 30 to 40% of the nominal value; the heat supply from the slag bath to the metal decreased, and the crystallization of the molten metal was more intensive. 5 to 20 minutes before the second subset was poured in, the electrical power was brought back to the nominal value, so that the annular slag deposit at the slag bath level and the thin peripheral layer of the metal of the first subset crystallized at the mold walls at the boundary with the slag bath were melted. The second portion of the molten metal was poured in and the electrical power was reduced again immediately after the pouring had ended.
Before the start of pouring in the third subset, the electrical power was increased again to the nominal value. In addition, the operating conditions were changed and the partial quantities were poured in in a similar manner until the entire metal block was finally cast. Such a modification of the method according to the invention enables the production of cast metal blocks of high quality and maximum performance of the casting process.
The above-described process of electro-slag casting of metal blocks can not only be implemented analogously to the exemplary embodiments. Modifications of the method according to the invention are possible in which the power of the electric current and consequently the temperature conditions in the slag bath are changed without adjusting the electrodes, but rather by changing the current intensity and / or the voltage which are supplied to the electrodes, varies.
The above-described process for electro-slag casting of metal blocks is best suited for the production of blocks for high-quality forgings with a mass of 40 to 350 t and more, which are required in particular for the production of rotors of a turbine with an output of more than 1000 MW in one set. The most important advantage of the method according to the invention in comparison with the known prior art is that the formation of longitudinal cracks in the bottom part of the casting block is avoided and at the same time the performance of the casting process is increased.
PATENT CLAIMS:
1. A process for the electro-slag casting of metal blocks, in which the slag bath is obtained in a cooled mold and is heated by means of electrodes and then liquid metal is poured into the mold through the molten slag layer, characterized in that in the period from 5 to 20 minutes before pouring in at least the first subset of liquid metal, the power of the electric current supplied to the electrodes is reduced by a value of 20 to 80% of the nominal value and is increased again to the nominal value in the period of 2 to 5 minutes before the pouring or immediately thereafter .