AT395296B - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von bloecken - Google Patents

Description

AT 395 296 B

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Blöcken, wobei eine metallische Schmelze, z. B. Stahlschmelze, in eine ein- oder mehrteilige Kokille mit Aufsatz bis zum unteren Teil des Aufsatzes eingebracht wird, worauf eine elektrisch leitende Schlacke auf dem Metallspiegel aufgebracht und über eine Elektrode der Schmelze Wärme zugeführt wird, wobei das Verhältnis der Querschnittsfläche der Elektrode(n) zur Querschnitts-S fläche der Kokille höchstens 1:10 ist.

DieErzeugung schwerer Schmiedeblöcke als Ausgangsprodukt für Schmiedestücke für den Kraftwerksbau stellt eine der größten Herausforderungen für den Stahlwerker dar. Die Anforderungen der Turbinenbauer an Reinheitsgrad und Freiheit von Seigerungen sind auch mit modernen Verfahren nur schwer einzuhalten. Während Erschmelzung und Schmelzenbehandlung in den letzten Jahren durch den Einsatz moderner 10 Pfannenmetallurgieanlagen großeFortschritte erzielt haben, bleibt dieErstarrung im konventionellen Blockguß nach wie vor das am wenigsten zu beeinflussende Glied in der Erzeugungskette.

TypischeFehlererscheinungen in Schmiedeblöcken sind der negativ geseigerte Bodenkegel, in vielen Fällen auch mit nichtmetallischen Einschlüssen verunreinigt, Schrumpfungshohlräume, verbunden mit V-Seigerungen in der Blockachse, im Blockschopf die positive Seigerung mit Anreicherungen von C, S und P, einschließlich die A- oder 15 λ-Seigerungen mit Anreicherungen von S und P. Für die Entstehung dieser Seigerungen gibt es zur Zeit noch keine allgemein anerkannte Theorie.

Um im Schmiedestück nichtmetallische Einschlüsse aus dem Bodenkegel zu vermeiden, müssen bei schweren Blöcken 15 % und mehr vom Blockboden abgesetzt werden. Der Anteil des verlorenen Kopfes kann bei sehr schweren Blöcken (25) und mehr Prozente betragen. Eine Beeinflussung der Erstarrung ist nur in sehr beschränktem 20 Ausmaß über Änderungen der Blockgeometrie oder des isolierenden Haubeneinsatzes möglich.

Eine wesentliche günstigere Erstarrung des Blockes ist beim Elektroschlackeumschmelzen erreichbar, wobei zur Herstellung langer Blöcke gemäß der DE-AS-1931780 eine gekühlte Kokille im räumlich und zeitlich gleichen Schritten angehoben wird. Aus der AT-PS-287 215 ist ein weiteres Verfahren zum Elektroschlackeumschmelzen bekannt geworden, bei welchem durch die Steuerung der Lage des Spiegels der Metallschmelze in der Kokille die 25 gesamte auf der Metallschmelze schwimmende flüssige Schlacke in einer wärmeisolierenden Zone der Kokille angesammelt wird. Auch ein Warmhalten und/oder Beheizen des aus der Kokille austretenden Blockes kann bei einem derartigen Verfahren gemäß AT-PS-295 061 vorgesehen sein. Durch ein Elektroschlackeumschmelzen, wie aus Berg- und Hüttenmännische Monatshefte, Jrg. 113, Heft 3, Seiten 83 - 93 hervorgeht, wird eine gute Reinheit und eine hohe Qualität des Blockes erreicht, weil eine aufwendige Reinigung des gesamten Blockmetalls mittels 30 einer metallurgisch aktiven Schlacke erfolgt.

Umdie Herstellkosten von BlöckenmitguterQualitätzu verringern,wurdegemäßDE-PS-855151 vorgeschlagen, eine Gießform, welche eine mit Preßluft und Wasseranschlüssen versehene Kühlschlange in einer rieselfähigen trockenen Sandschicht aufweist, mit flüssigem Stahl zu füllen und bei Kühlung der Kühlschlange den Kopf des gegossenen Blockes mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens zu heizen. Es wurdeauch versucht (DE-OS-2627406), 35 in einer Metallgießform mit sich nach unten erweiterndem Querschnitt durch in ihrer Seitenwandung vorgesehene wärmeisolierende Kammer die Bildung von sekundären Lunkerhohlräumen oder Seigerungen nur im Kopf des Gußblockes zu konzentrieren. Aus der DE-AS-2 631 980 ist ein mittels Elektrode beheizter Blockkopf zur Hers tellungvonRundblöcken bekannt geworden.Um das Fließen des elektrischen Stromes auf einen begrenztenTeil des Blockes, wo Einschlüsse weniger zu erwarten sind, zu begrenzen, und die Wasserstoffaufnahme im Bereich des 40 Hot-Tops herabzusetzen, ist dabei vorgesehen, über die Innenfläche des Hot-Tops eine Vielzahl gesonderter, elektrisch leitfähiger Zonen verteilt nach unten reichend auszubilden. Weiters wird in der DE-PS-2 804 487, insbesondere zur Vermeidung von durch den elektrischen Strom erzeugten Turbulenzen beim Hot-Topping und damit zur Verhinderung des Mitreißens von bereits verfestigten Partikeln und Schlackenteilchen in dem sich bildenden Rohblock vorgeschlagen, die Stromzuführung zum Schlackenbad ausschließlich über eine Haupt- und 45 Hilfselektrode vorzusehen.

Fehler, die bei üblichen Gießformausführungen und Blockkopfheizverfahren mit geringerer Intensität und/oder Häufigkeit auftreten können, können mit dem folgenden Verfahren vermieden werden. In eine herkömmliche Schmiedeblockkokille wird ein wassergekühlter Ring eingesetzt, die Kokille mit Stahl gefüllt, auf den Stahl kommt eine Schicht metallurgisch aktiver Schlacke, in die eine Elektrode eingetaucht wird. Durch Zufuhr elektrischer 50 Energie wird das Schlackenbad so stark erhitzt, daß die Elektrode abschmilzt und während des Erstarrungsprozesses

Schrumpfungshohlräumeim Block ausgleicht. Durch gezielte Variation der Energiezufuhr bei, z. B. gemäß DE-OS-2654 834, einer Einhalbing von bestimmten geometrischen Verhältnissen hinsichtlich des Elektrodenquerschnittes, der Schlackenbadhöhe und des Abstandes der Elektrodenoberfläche von dem gekühlten Kokillenaufsatz, kann auch die Erstarrung beeinflußt werden. Blöcke, die nach diesem Verfahren hergestellt werden, weisen keine negative 55 Bodenseigerung mit den damit verbundenen Nachteilen, keine V-Seigerungen und kaum Schrumpfungshohlräume auf. Dies konnte an mehreren tausend Schmiedeblöcken, die nach diesem Verfahren hergestellt wurden, bewiesen weiden. -2-

AT 395 296 B

Von Turbinenherstellern wird nunmehr auch sehr fein verteilten nichtmetallischen Einschlüssen mit Ersatz-fehlergrößen um 1 mm bei der Ultraschallprüfung besondere Bedeutung beigemessen. Derartige Fehler konnten mit dem oben angeführten Verfahren nicht mit ausreichender Sicherheit vermieden werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die S es erlauben, auch mit Sicherheit Ersatzfehletgrößen um 1 mm zu vermeiden, wobei gleichzeitig kein erhöhter oder kein wesentlich erhöhter Aufwand von der Energieseite als auch für die Vernichtungen erforderlich sein soll.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Blöcken, wobei eine metallische Schmelze, z. B. Stahlschmelze, in eine ein- oder mehrteilige Kokille mit Aufsatz, insbesondere wassergekühlte Haube, bis zum unteren Teil des Aufsatzes eingebracht wird, worauf eine elektrisch leitende Schlacke, bevorzugt verflüssigte heiße Schlacke, 10 auf dem Metallspiegel aufgebracht, und über eine, insbesondere selbstverzehrende, Elektrode aus einer, gegebenen falls der metallischen Schmelze im wesentlichen entsprechenden Zusammensetzung der Schmelze Wärme und gegebenenfalls weitere Schmelze zugeführt wird, wobei das Verhältnis der Querschnittsfläche der Elektrode(n) zur Querschnittsfläche der Kokille höchstens 1:10 ist, besteht im wesentlichen darin, daß der flüssigen Schlacke Wärme mit einer Leistungsdichte von zumindest 0,4 bis 2,0 kW/cm^ und einer Stromdichte von 8 bis 25 A/cm^, jeweils 15 bezogen auf die Querschnittsfläche der Elektrode, eingebracht wird, daß der Kokille in ihrem oberen Bereich und damit dem erstarrenden Block unterhalb des Aufsatzes verzögert Wärme abgeführt wird, wobei der untere Teil der Kokille, insbesondere die Bodenplatte in an sich bekannter Weise gekühlt, vorzugsweise fluidgekühlt, wird.

Durch diese gezielte Wärmezufuhr und Wärmeableitung bzw. Kühlung kann erreicht werden, daß der Block schalenweise erstarrt, wobei im Blockkopf die Erstarrung so lange verhindert werden kann, daß keine flaschen-20 halsartigen Verengungen der bereits erstarrten Schmelze eintreten, wodurch Seigerungen oder Einschlüsse und dgl., welche den oben angeführten Fehler verursachen, vermeidbar sind. Es war nun durchaus überraschend, daß mit einer derartigen gezielten Erstarrung es auch erreicht werden kann, daß diese Fehler, welche teilweise auf nichtmetallische Einschlüsse zurückzuführen sind, durch vermutlicherweise Aufsteigen oder Aufschwimmen diese nichtmetallischen Einschlüsse beseitigt werden können. 25 In der Schlacke treten zwei sich überlagernde Kräfte auf, wobei die thermisch bedingte Kraft eine Badbewegung in der Weise bewirkt, daß die Schlacke unterhalb der Elektrode aufsteigt, an der Oberfläche zur Haubenaußenseite sich bewegt und sodann die nunmehr abgekühlte Schlacke an die Oberfläche der Metallschmelze kommt und diese damit abkühlt. Die vorteilhafte Schlackenbewegung, welche durch die bevorzugt größere Lorenzkraft bewirkt wird, verläuft etwa gegensinnig in den Block hinein gerichtet, und zwar sinkt die heiße Schlacke unterhalb der Elektrode 30 bis zur Metalloberfläche, gibt ihre Wärme an den Metallspiegel ab und bewegt sich hierauf zum Rand des Aufsatzes, steigt dort entlang der Wandhoch,und dieabgeküblteSchlackebewegtsichan der Oberflächedes Schlackenspiegels wieder zur Elektrode. Dadurch kann weiters ein Deckel aus erstarrter Schlacke entstehen, welcher ebenfalls erwünscht ist, da eine thermische Isolierung erreicht wird. Mit einer derartigen Schlackenbewegung wird weiters auch ein flaschenartiges Einschnüren des Blockes beim Erstarren vermieden. 35 Die erfindungsgemäßeVorrichtungzur Herstellung von metallischen Blöcken mit einer Kokille, deren Querschnitt im oberen Bereich größer ist als im unteren da Bodenplatte zugewandten Teil, insbesondere mit einer mehrteiligen Kokille, die einen, vorzugsweise flüssigkeitsgekühlten Aufsatz zur Aufnahme von elektrisch leitender, flüssiger Schlacke aufweist, in welchen eine, insbesondere selbstverzehrende, Elektrode ragt, die mit einem Pol einer Spannungsquelle verbunden ist, während eine weitereElektrode und/oder der Bodenbereich der Kokille, insbesondere 40 die Bodenplatte mit einem weiteren Pol der Spannungsquelle verbunden ist, besteht im wesentlichen darin, daß die

Kokille unterhalb des Aufsatzes (9) thermisch isolierend ist, insbesondere eine thermische Isolierung (8) an der Außenwandung der Kokille aufweist, die sich bevorzugt über ein Drittel der Höhe der Kokille ohne Aufsatz erstreckt, und daß vorzugsweise die Bodenplatte (1) in an sich bekannter Weise kühlbar, insbesondere flüssigkeitskühlbar ist.

Durch die thermische Isolierung da Kokille unterhalb ihres gekühlten Aufsatzes kann nun eireicht werden, daß 45 daBlockdaserwünschteErstarrungsvahaltenaufweist,wobeidurcheinefluidgekühlteBodenplattedasbevorzugte Erstarren des Blockfußes noch weiter gefördert waden kann. Eine derartige Einrichtung ist besonders einfach und es war auch nicht naheliegend, sie so zu konzipieren, da an einem Block unterschiedliche scheinbar zueinander entgegengesetzte Wirkungen erreicht waden, und zwar Zuführung von Wärme, verzögertes Abkühlen und bevorzugtes Abkühlen. 50 Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung weist bei einer mehrteiligen Kokille im wesent lichen der gesamte obere Teil derselben eine thermische Isolierung auf.

Schließlich istesgemäßeinerweiteren Ausführungsform bevorzugt undverstärkt die Effekte der unterschiedlichen Wärmeabfuhr, wenn die Kokille zu ihrem unteren, insbesondere da Bodenplatte zugeordneten Bereich hin eine höhere Wandstärke aufweist, als zu ihrem oberen Baeich hin. Die höhere Wandstärke im unteren Bereich bewirkt 55 infolge der höheren Masse ein höhaes Wärmeaufnahmevermögen, darüber hinaus ist die Kontaktfläche mit der Bodenplatte ahöht, während die geringere Wanddicke im oberen Bereich ein vermindertes Wärmeschluckvermögen bewirkt. -3-

Claims (4)

1. AT 395 296 B Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beispiele und der Zeichnung, in welcher eine Kokille mit Blockkopfheizung dargestellt ist, näher erläutert. Die in der Zeichnung schematisch dargestellte Vorrichtung zur Herstellung von Blöcken weist eine Bodenplatte (1) auf, die über Wasserzu- und -äbleitungen (2), (3) mit Kühl wasser versorgt wird, eine Kühlung mit einem anderen Fluid, z. B. Flüssigmetall, Gase od. dgl., kann ebenfalls erfolgen. Auf der Bodenplatte liegt ein unterer Teil (4) der Kokille auf, welcher eine Ausnehmung (5) besitzt, in welche der Gießkanal für einen steigenden Guß mündet Der mittlere Teil (6) der Kokille weist einen leicht konischen nach oben sich öffnenden Querschnitt auf. Auf diesem Kokillenteil (6) ist ein oberer Kokillenteil (7) aufgesetzt, der an seiner Außenseite eine thermische Isolierung (8) trägt die mit einer mineralischen Isolierung, beispielsweise Mineralwolle, Vermiculit oder Asbest gefüllt ist und einen Blechmantel zum Schutz gegen mechanische Beschädigung auf weist. Weiters ist ein wassergekühlter Aufsatz (9) vorgesehen, in welchem eine abschmelzende Elektrode (10) angeordnet ist. Sowohl die Bodenplatte (1) als auch dieElektrode(10)sindmiteiner schematisch dargestellten Spannungsquelle (11) verbunden. Wieaus der Zeichnung ersichtlich, reicht die Metallschmelze (12) nicht bis zum Aufsatz (9), sondern es befindet sich zwischen Aufsatz und Metallschmelze eine erschmolzene Schlacke (13). Beispiel 1 In einer Vorrichtung gemäß der Zeichnung wurden 36 t einer Schmelze folgender Zusammensetzung in Gew.-% C 0,27, S 0,001, P 0,003, Mn 0,40, Cr 132, Mo 0,44, Ni 2,64, V 0,05 und danach eine Elektrode mit einem Durchmesser von300mm eingebracht. Auf die Metallschmelze wurde sodann eine flüssige, erschmolzene Schlacke aufgebracht, worauf der Aufsatz in die Schlacke eingetaucht wurde, wobei ein Eintauchen desselben in die Metallschmelze vermieden wurde. Sodann wurde eine Elektrode mit einem Durchmesser von 300 mm in die Schlacke eingetaucht. Der Schmelze wurde sodann über die Elektrode im Laufe des Erstanens von 10 Stunden Wärme und zwar anfänglich mit einer Leistungsdichte von 1,33 kW/cm^ und einer Stromdichte von 12 Ampere/cm^ an der Elektrode zugeführt. Der Block war nach 16 Stunden vollkommen erstarrt, worauf sowohl die Kühlmittelzufuhr zur Bodenplatte als auch zum Aufsatz unterbrochen wurde, und gleichzeitig nicht weitere Wärme über die abschmelzende Elektrode zugeführt wurde. Der so erhaltene Block wurde mit Ultraschall geprüft und wies weder im Fuß, noch im Zentrum, noch im Kopf Einschlüsse mit Ersatzfehlergrößen um 1 mm auf. Beispiel 2 Es wurde analog zum Beispiel 1 vorgegangen, jedoch hatte die Vorrichtung keine thermische Isolierung im oberen Drittel der Kokille. Der Block wies zwar keinen negativ geseigerten Bodenkegel mit teilweise groben nichtmetallischen Einschlüssen auf, besaß kaum Lamda- oder Schattenstreifen, und es waren keine V-Seigerungen undkaum Schwindungshohlräume vertreten,jedoch bei der Ultraschallprüfungkonnten nichtmetallischeEinschlüsse mit Ersatzfehlergrößen um 1 mm festgestellt werden. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung von Blöcken, wobei eine metallische Schmelze, z. B. Stahlschmelze, in eine ein- oder mehrteiligeKokille mit Aufsatz, insbesondere wassergekühlte Haube, bis zum unteren Teil des Aufsatzes eingebracht wird, worauf eine elektrisch leitende Schlacke, bevorzugt verflüssigte heiße Schlacke, auf dem Metallspiegel aufgebracht, und über eine, insbesondere selbstverzehrende, Elektrode aus einer, gegebenenfalls der metallischen Schmelze im wesentlichen entsprechenden Zusammensetzung der Schmelze Wärme und gegebenenfalls weitere Schmelze zugeführt wird, wobei das Verhältnis der Querschnittsfläche der Elektrode(n) zur Querschnittsfläche der Kokille höchstens 1:10 ist, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssigen Schlacke Wärme mit einer Leistungsdichte von zumindest 0,4 bis 2,0 kW/cm^ und einer Stromdichte von 8 bis 25 A/cm^, jeweils bezogen auf die Querschnittsfläche der Elektrode, eingebracht wird, daß der Kokille in ihrem oberen Bereich und damit dem erstarrenden Block unterhalb des Aufsatzes verzögert Wärme abgeführt wird, wobei der untere Teil der Kokille, insbesondere die Bodenplatte, in an sich bekannter Weise gekühlt, vorzugsweise fluidgekühlt, wird.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Kokille, deren Querschnitt im oberen Bereich größer ist als im unteren der Bodenplatte zugewandten Teil, insbesondere mit einer mehrteiligen Kokille, AT 395 296 B die einen, vorzugsweise fliissigkeitsgekühlten Aufsatz zur Aufnahme von elektrisch leitender, flüssiger Schlacke aufweist, in welchen eine, insbesondere selbstverzehrende Elektrode ragt, die mit einem Pol einer Spannungsquelle verbunden ist, während eine weitereElektrode und/oder der Bodenbereich der Kokille, insbesondere die Bodenplatte mit einem weiteren Pol der Spannungsquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille unterhalb des Aufsatzes (9) thermisch isolierend ist, insbesondere eine thermische Isolierung (8) an der Außen wandung der Kokille aufweist, die sich bevorzugt über ein Drittel der Höhe der Kokille ohne Aufsatz erstreckt, und daß vorzugsweise die Bodenplatte (1) in an sich bekannterWeise kühlbar, insbesondere flüssigkeitskühlbar, ist
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer mehrteiligen Kokille im wesentlichen der gesamte obere Bereich (7) der Kokille eine thermische Isolierung (8) aufweist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille in ihrem unteren Bereich (4) eine höhere Wandstärke aufweist als in ihrem oberen Bereich (7). Hiezu 1 Blatt Zeichnung -5-