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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Metallblöcken, insbesondere von Stahlblöcken mit 40 t übertreffender Masse nach dem Elektroschlacken-Giessverfahren, bei welchem die gesamte Metallmenge in mehreren, z. B. je 5 bis 25 Gew.-% der Gesamtmenge enthaltenden schmelzflüssigen Chargen in eine kühlbare Kokille durch ein in schmelzflüssigem Zustand erhaltenes Schlackenbad eingegossen und mit dem Eingiessen der zweiten und jeder folgenden Charge erst nach dem Erstarren mindestens der Hälfte der vorhergehend eingegossenen Charge begonnen wird.
In einigen, insbesondere in den mit der Fabrikation von elektrischen Maschinen und von Turbinen befassten Zweigen der Technik besteht ein reges, deutlich und stetig zunehmendes Interesse an Gussblöcken grosser Masse insbesondere an Stahlblöcken. Stahlblöcke von z. B. 100 t und mehr bilden das Ausgangsprodukt beispielsweise bei der Herstellung von Generatorläufen und Turbinenwellen und das Gefüge solcher Blöcke ist von ausschlaggebender Bedeutung, denn es ist in Schmiedestücken aus diesen Blöcken und aus den letzteren erzeugten Endprodukten wiederzufinden. Diese Erkenntnis ist nichts Neues und zeigt deutlich, dass bei der Blockherstellung entstandene Mängel nicht mehr rückgängig gemacht werden können.
Man weiss überdies, dass das Herstellen von grossen Blöcken in einem Guss zu Seigerungen, Lunkerbildungen, ungünstiger Verteilung nichtmetallischer Einschlüsse innerhalb des Blockes und ausser derartigen groben physikalischen und chemischen Inhomogenitäten auch zu einer Änderung der Blockstruktur zwischen dem Blockkern und der Blockoberfläche sowie zu deren Oxydation führt. Deshalb ist der Giessprozess, wie einleitend erwähnt, in Schritte aufgegliedert worden, was sich auf die Richtungen, in welchen die Erstarrungsfronten fortschreiten und damit auf das Gefüge vorteilhaft auswirkt. Auf diese Weise gegossene, aus bis zu 300 t-Stahl bestehende Blöcke erwiesen sich als hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und ihres Gefüges einwandfrei, zu wünschen übrig liess die geometrisch unregelmässige Beschaffenheit der seitlichen Blockoberfläche, die Querwülste aufwies.
Die Ursache des Entstehens dieser Wülste liegt in dem Reissen der verhältnismässig dünnen, bereits verfestigten und wegen des Schwindens von dem gekühlten Kokillenmantel bereits abgehobenen Oberflächenzone des in Erstarrung begriffenen Blockes. Durch Risse in den Raum zwischen der Blockoberfläche und der Kokillenwand eingedrungenes schmelzflüssiges Metall erstarrt dort und bildet die unerwünschten Querwülste. Solche Wülste müssen mechanisch abgetragen werden, da der Block andernfalls nicht geschmiedet oder ausgewalzt werden kann.
Hiezu bedarf es eines erheblichen Arbeitsaufwandes, sowie des Vorhandenseins entsprechend grosser spanabhebender Maschinen, was bei den Giessanlagen, die mit nur verhältnismässig kleinen Schmelzöfen ausgestattet zu sein brauchen, keineswegs selbstverständlich ist, wobei noch eine erhebliche Menge des abgetragenen und demnach nutzlos vergossenen Metalls anfällt. Abgesehen davon erschweren grössere Wülste das Entfernen des Blockes aus der Kokille.
Ziel der Erfindung ist die Behebung dieser Mängel bzw. das Herstellen von Gussblöcken mit einwandfreier Oberfläche, die eine unmittelbare Weiterverarbeitung des Blockes, sei es beispielsweise durch Schmieden oder durch Walzen, zulässt. Dieses Ziel ist mit einem Verfahren der eingangs umrissenen Art erreichbar, bei dem erfindungsgemäss zur Verringerung des ferrostatischen Druckes jede der auf die erste folgenden Chargen in zwei bis zehn Teilmengen zugegossen wird, mit dem Zugiessen jeder Teilmenge der ferrostatische Druck um das 0, 1- bis 0, 5fache jener Druckspanne angehoben wird, die sich beim Eingiessen der gesamten jeweiligen Charge ergibt, und nach dem Zugiessen jeder Teilmenge der Giessvorgang 3 bis 30 min unterbrochen wird.
Abgesehen von der einwandfreien Gestaltung der Oberfläche zeichnen sich solche Blöcke durch ein gleichmässiges Gefüge aus mit der Blockachse einen spitzen Winkel einschliessenden Dendriten aus. Bei der Auswahl der jeweils anzuwendenden Unterbrechungszeit sowie des zulässigen Bruchteiles der Gesamthöhe ist die Zusammensetzung des zu vergiessenden Metalls, insbesondere der Kohlenstoffgehalt von Stahl, und die Gesamtmasse des herzustellenden Blockes zu berücksichtigen, wie aus den später folgenden Beispielen hervorgeht. Es kann jedoch eine allgemeine Regel angegeben werden, deren Einhaltung sich beim Giessen von Blöcken von 50 bis 350 t, also mit sehr unterschiedlichen Massen bewährt hat. Es ist vorteilhaft, wenn jede der auf die erste folgenden Chargen in 3 bis 4 Teilmengen zugegossen und nach dem Eingiessen jeder Teilmenge der Giessvorgang für 12 min unterbrochen wird.
Bei dieser Verfahrensführung
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kann damit gerechnet werden, dass die oft überhaupt nicht sehr ausgeprägten optimalen Werte von den angewendeten nicht weit entfernt liegen.
Das erfindungsgemässe Verfahren sei zunächst allgemein an Hand der Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt in schematisierten Schnittdarstellungen Fig. 1 eine zur Durchführung dieses Verfahrens brauchbare Elektroschlacken-Giessanlage mit einer Kokille, mit eingeführten Elektroden und bereitstehendem Giessgefäss, Fig. 2 die elektrische Schaltung der An-
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Eingiessen der ersten Charge, Fig. 5 nach dem Eingiessen der ersten Charge, Fig. 6 zu Beginn des Eingiessens der zweiten Charge, Fig. 7 nach beendetem Zugiessen der ersten Teilmenge dieser Charge, Fig. 8 bei weiterem Eingiessen der zweiten Charge und Fig. 9 nach dem Eingiessen sämtlicher Chargen sowie mit zur Ausebnung der Blockstirnfläche aufgeheiztem Schlackenbad.
Die aus den Zeichnungen entnehmbare Elektroschlacke-Giessanlage weist eine Kokille --2-mit einem kühlbaren Mantel --3-- und einer Bodenplatte-l-auf, gegen die der Mantel abgestützt und auf welche eine Impfscheibe --4-- aufgelegt ist, deren chemische Zusammensetzung der des zu vergiessenden Metalls entspricht oder nahekommt. In die Kokille sind unverzehrbare Elektroden -5-- eingeführt, von denen jede an einem längs eines Ständers heb-und senkbaren Ausleger befestigt sein kann (nicht gezeigt). Oberhalb der Kokille ist ein Giessgefäss --6-- an- geordnet, in dessen Boden eine etwa in der Kokillenachse liegende Auslassöffnung --7-- vor- gesehen ist. Diese Öffnung ist mit einem Stopfen --10-- verschliessbar, der mittels eines Antriebes --8-- und eines Getriebes --9-- verstellbar ist.
Grösse und Form der Kokille sind von den Parametern des zu giessenden Blockes her vorgegeben ; beispielsweise kann eine zum Herstellen eines 200 t-Blockes bzw. eines 50 t-Blockes bestimmte Kokille einen Durchmesser von 2500 bzw. 1600 mm aufweisen und 6000 bzw. 3200 mm hoch sein. Es ist im Hinblick auf die zuzuführenden elektrischen Leistungen vorteilhaft, diese einem Drehstromnetz zu entnehmen und die Anzahl der Elektroden auf drei oder ein Vielfaches von drei festzulegen. Die Durchmesser der meist aus Graphit bestehenden Elektroden können 250 bis 500 mm erreichen, durch jede Elektrode kann ein Strom von 10 bis 20 kA fliessen und die verwendeten Spannungen können z. B. zwischen 50 und 90 V liegen.
Fig. 2 zeigt den Anschluss von drei Elektroden --5-- an die Endpunkte --a, b, c-der im Dreieck geschalteten Sekundärwicklung eines Dreiphasentransformators-11-mit primärseitigen Anschlussklemmen --A, B, C--.
In die Kokille wird zunächst ein Gemisch aus den festen Komponenten eines Schlackenbades eingebracht und durch Absenken der Elektroden --5-- geschmolzen. Es kann aber auch bereits geschmolzene Schlacke in die Kokille gegossen werden und dort das Schlackenbad --12-bilden, das die Impfscheibe --4-- überdeckt (Fig. 3). Das auf die eine oder andere Weise hergestellte Schlackenbad wird mittels durch die unverzehrbaren Elektroden --5-- zugeführten Stromes dauernd flüssig erhalten.
An der Innenwand der Kokille und in dem Raum zwischen der Impfscheibe und der Kokillenwand erstarrt das Schlackenbad und bildet eine die letztere über die Höhe des Bades überdeckende Schlackenkruste --13--. Hierauf wird in die Kokille eine der ersten Charge --14-- entsprechende Menge des zu vergiessenden, schmelzflüssigen Metalls aus dem Giessgefäss ohne Unterbrechung eingegossen, wobei die Elektroden --5-- nach Massgabe des Anstieges des Spiegels der Metallschmelze dauernd angehoben werden, um ständig in das Schlackenbad --12-- nicht aber in das Metall einzutauchen (Fig. 4). Nach dem Einbringen der gesamten ersten Charge wird die Metallzufuhr unterbrochen, jedoch das Schlackenbad weiterbeheizt (Fig. 5).
In dieser Phase des gesamten Giessprozesses beginnt das schmelzflüssige Metall in der Kokille zu erstarren, zunächst an der Oberfläche der Impfscheibe --4-- sowie an der Kokilleninnenwand und dann von dort in das Innere der Kokille fortschreitend. Die Metallzufuhr bleibt unterbunden, bis mindestens die Hälfte der ersten Charge erstarrt und an der Kokillenwand eine Schicht - erstarrten Metalls entstanden ist. Erst dann beginnt das Eingiessen der zweiten Charge, u. zw. in zwei bis zehn Teilmengen (Fig. 6). Beim Zugiessen der ersten Teilmenge, die einen Bruchteil der gesamten zweiten Charge ausmacht, steigt der Metallspiegel in der Kokille nur um einen Bruchteil der Höhe an, um die er bei Zugabe der gesamten zweiten Charge gestiegen wäre.
Das in aufeinanderfolgende Zugaben aufgeteilte Einbringen der zweiten und folgenden Chargen bringt eine in Stufen unterteilte Zunahme des ferrostatischen Druckes mit sich und
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diese Stufen sollen mindestens das 0, lfache und höchstens das 0, 5fache jenes Druckanstieges betragen, der sich ergäbe, wenn in die Kokille die gesamte Charge eingetragen worden wäre.
Zwischen dem Zugiessen aufeinanderfolgender Teilmengen wird die Metallzufuhr abgestellt. In diesen Pausen kann die Verfestigung bereits eingebrachten, schmelzflüssigen Metalls ungestört vor sich gehen und die Schicht --15-- wird dicker (Fig. 7). Nach dem Eingiessen der gesamten in Teilmengen aufgegliederten, zweiten Charge ist der Zustand nach Fig. 8 erreicht, worauf nach und nach alle Chargen, d. h. deren sämtliche Teilmengen in zeitlichen Abständen zugegeben werden und der Zustand nach Fig. 9 erreicht wird. Nach dem Zugiessen der letzten Teilmenge wird das Schlacken bad --12- oberhalb des verfestigten Blockes --16-- noch lange genug erhitzt, um eine ausreichende Ausebnung der oberen Stirnseite des Blockes herbeizuführen.
Beispiel 1 : Ein 200 t-Block aus Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt bis zu 0, 45% soll in einer Kokille von 6 m Höhe und 2, 5 m Durchmesser gegossen werden. Die gesamte Stahlmenge kann in diesem Fall in vier Chargen von je 50 t aufgeteilt werden, von welchen die erste ohne Unterbrechung in die Kokille gegossen wird. Anschliessend wird 7 bis 14 h bei beheiztem Schlackebad und jedenfalls so lange zugewartet, bis mindestens die Hälfte dieser Charge erstarrt ist.
Sodann wird mit dem Eingiessen der ersten Teilmenge der zweiten Charge begonnen. Diese Teilmenge ist erreicht, sobald der Metallspiegel in der Kokille sich um das 0, lfache jener Höhe gehoben hat, die der zugegebenen gesamten zweiten Charge entspricht. Nachdem dieser Punkt erreicht ist, wird das Zugiessen von Metallschmelzen für 3 min ausgesetzt, dann wieder aufgenommen, bis der Metallspiegel abermals um das O, lfache der erwähnten Höhe angestiegen ist, für 3 min ausgesetzt usw. bis die ganze zweite Charge in der Kokille ist.
Hierauf wird 7 bis 14 h, jedenfalls aber bis zum Erstarren mindestens der Hälfte der zweiten Charge gewartet sowie während dieser Zeit das Schlackenbad beheizt und dann die dritte und nach dieser die vierte Charge in den anlässlich des Einbringens der zweiten Charge erwähnten Teilmengen und Wartepausen zugegossen und zuletzt durch weiteres Erhalten des Schlackenbades auf gehöriger Temperatur die Blockstirnseite ausgeebnet. Wenn auch diese Verfahren an Hand der Herstellung eines 200 t-Blockes erläutert wurde, so liegt ihr bevorzugtes Anwendungsgebiet beim Giessen von 50 bis 100 t-Blöcken.
Beispiel 2 : Für die Herstellung von 200 t-Blöcken in Kokillen mit den an Hand des Beispiels 1 erwähnten Abmessungen insbesondere aus Stahl mit einem von 0, 20 bis 0, 50% reichenden Kohlenstoffgehalt ist eine Variante zu empfehlen, bei der wie bereits beschrieben ebenfalls vier 50 t-Chargen in Teilmengen vergossen werden, bei der nach dem Einbringen einer Teilmenge 30 min gewartet und dann erst mit dem Zugiessen der nächsten Teilmenge derselben Charge begonnen wird.
Beispiel 3 : Häufiger als 200 t-Blöcke werden 50 t-Blöcke aus Stahl mit z. B. 0, 30% Kohlenstoffgehalt verlangt. Bei der Herstellung von Blöcken in Kokillen mit einer Höhe von 3, 2 m und einem Durchmesser von 1, 6 m können vier Chargen zu je 10 t vergossen, die zweite bis vierte je in zwei Teilmengen eingetragen werden, bei deren Zugiessen der Spiegel des Metallbades in der Kokille um jeweils die Hälfte der Niveaudifferenz ansteigt, die der gesamten Charge entspricht. Mit dem Eingiessen der ersten Teilmenge der zweiten bis vierten Charge wird erst dann begonnen, wenn die vorhergegangene Charge mehr als zur Hälfte erstarrt ist. Nach dem Zugiessen der ersten Teilmenge wird die Metallzufuhr für 30 min unterbrochen.
Beispiel 4 : Man kann aber auch wie an Hand des Beispiels 3 erläutert vorgehen, z. B. wenn der Kohlenstoffgehalt etwas niedriger, wie bei 0, 25% liegt, jedoch anstatt 30 nur 3 min zwischen dem Eingiessen der beiden Teilmengen der zweiten bis vierten Charge verstreichen lassen.
Der Unterschied zwischen nach den Varianten der Beispiele 3 bzw. 4 gegossenen Blöcke liegt in deren Gefüge, das, wie in Fig. 9 angedeutet, von der Umfangsfläche des Blockes schräg aufwärts gegen dessen Achse verläuft und dessen Neigungswinkel gegenüber der Achse verändert werden kann.
Je grösser die Masse eines Blockes ist, in desto mehr Chargen wird man die gesamte zu vergiessende Metallmenge und in desto mehr Teilmengen wird man die einzelnen Chargen unterteilen und die Wartezeiten steigern müssen, wobei selbstverständlich die Verfahrensführung
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