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Die Erfindung betnfft ein Verfahren zum kontinuierlichen Umschmelzen von Metallen, insbesondere von Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen durch Abschmelzen einer oder mehrerer selbstverzehrender Elektroden in einem elektrisch leitenden Schlackenbad in einer kurzen, nach unten offenen Kokille, aus der der teilweise erstarrte Strang kontinuierlich oder schrittweise entweder durch Abziehen des Stranges nach unten oder durch Anheben der Kokille nach oben abgezogen wird und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Bei der Herstellung von beispielsweise hochlegierten Werkzeugstählen, wie beispielsweise Schnellarbeitsstählen, ledeburitischen Chromstählen oder anderen stark seigernden Stählen und Legierungen ist die Herstellung kontinuierlich gegossener Stränge mit kleinen bis mittleren Querschnitten mit Problemen verbunden.
Aus der DE-1 608 082A ist ein Stranggiessverfahren mit hoher Giessgeschwindigkeit bekannt, wie es notwendigerweise angewendet werden muss, um eine annehmbare Oberflachenqualitat, die für die Weiterverarbeitung geeignet ist, zu erreichen. Die dafür erforderlichen Giessgeschwindigkeiten zusammen mit der notwendigen Überhitzung des Metalls haben Sumpflängen von mehreren Metern zufolge, die ihrerseits die Ursache für die Ausbildung starker Kernseigerungen, gepaart mit Schwindungshohlraumen, sind.
Aus derartigen Gusssträngen hergestellter Stabstahl ist fur einen grossen Teil der Einsatzfälle nicht verwendbar.
Aus den DE-1 483 646A und DE-1 932 763 A sind ebenso wie aus der AT 320 884 B verschiedene Varianten des Elektroschlacke-Umschmelzverfahrens bekannt. Die dort beschriebenen Verfahren mit selbstverzehrenden Elektroden ermöglichen die Herstellung von Umschmelzblöcken mit guter Oberfläche bei langsamer Blockaufbaugeschwindigkeit. Die dabei auftretenden geringen Sumpftiefen führen zu einer gleichmässigen Erstarrung zwischen Rand und Kern und damit zu einer guten Innenqualität der umgeschmolzenen Blöcke Die Anwendung kurzer Kokillen mit absenkbaren Bodenplatten und Elektrodenwechsel erlaubt auch hier die Herstellung relativ langer Stränge Bei der Herstellung kleiner Abmessungen wird jedoch die Erzeugung der erforderlichen Abschmelzelektroden schwierig und die Verfahrenskosten aufgrund der dann geringen Umschmelzraten werden hoch.
Um das Problem der Herstellbarkeit von Elektroden mit kleinen Querschnitten zu umgehen, wurde die Verwendung sogenannter Trichter- oder T- Kokillen vorgeschlagen, bei welchen die Kokille in einem nach oben trichterförmig erweiterten Teil das Schlackenbad aufnimmt und so ein Abschmelzen von Elektroden ermoglicht, deren Querschnitt grösser als der Querschnitt des herzustellenden Umschmelzblockes ist, wie dies in der US 4,145. 563 A beschrieben ist. Im weiteren wird in der US 4,145 563 A ausgeführt, dass die Wachstumsgeschwindigkeit des umgeschmolzenen brammenförmigen Blockes zur Vorschubgeschwindigkeit der Abschmelzelektrode sich verhält wie die Querschnittsflächen von Elektrode zu Giessquerschnitt.
Angaben betreffend die Umschmelzrate werden allerdings nicht gemacht.
Auch aus der US 3,921 699 A ist ein Verfahren zur Herstellung von Hohlblöcken bekannt, bei welchem die Kokille trichterförmig erweitert ist und Abschmelzelektroden verwendet werden, deren Querschnitt grösser ist als der Querschnitt des Umschmelzblockes. Der in einer feststehenden Kokille erzeugte Hohlblock wird nach unten abgezogen Zwecks Vermeidung der Ausbildung einer schlechten Oberfläche ist hier eine Beheizung des Meniskus über nichtverzehrbare Hilfselektroden vorgesehen. Damit können vor allem niedrige Abschmelzraten angewendet werden, da die Zusatzbeheizung über nichtverzehrbare Elektroden ein Voreilen der Erstarrung über den Meniskus hinweg verhindert.
Der Einsatz von Hohlelektroden mit einem kleineren Aussendurchmesser als der Durchmesser des hergestellten Umschmelzblocks ist aus der JP 6-136 469 A bekannt, in welcher ein Verfahren zur Herstellung einer Ni-Fe-Superlegierung beschrieben ist.
Während beim Stranggiessen bei Formaten zwischen 100 und 200 mm rund oder quadrat selbst bei langsamem Giessen Giessleistungen von mindestens 5 - 10 t je Stunde und Strang erforderlich sind, betragen die Abschmelzraten beim ESU- Verfahren maximal 100 - 200 kg je Stunde bei denselben Formaten Beim Stranggiessen ergeben sich damit Sumpftiefen zwischen 4 und 8 Meter Die Sumpftiefen beim ESU- Verfahren betragen dagegen 100 - 300 mm
Gemäss einer anderen Verfahrensweise (AT-399.
463 B bzw EP 280.766 A2) wird vorgeschlagen, Stränge aus hochlegierten Stählen, mit wesentlich geringeren Giessgeschwindigkeiten als beim Stranggiessen üblich, zu giessen, um eine verbesserte Kernzone zu erreichen bei gleichzeitiger Abdeckung des Giessspiegels durch ein elektrisch beheiztes Schlackenbad, um keine Nachteile hinsichtlich der Ausbildung der Oberfläche aufgrund zu starker
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Abkühlung in Kauf nehmen zu müssen. Dabei wird vorausgesetzt, dass das flüssige Metall über längere Zeit mit konstanter Temperatur aus einer beheizbaren Pfanne verfügbar gemacht werden kann
Bei diesem Verfahren stellt sich vielfach wieder das Problem des Warmhaltens grösserer Flüssigmetallmengen über einen längeren Zeitraum. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn nur mit einem Strang gearbeitet wird.
So ergeben sich beispielsweise beim Vergiessen von Schmelzen mit 25 t Gesamtgewicht zu einem Strang mit z B. 150 mm 0 mit einer Giessrate von beispielsweise 2000 kg/h Giesszeiten von 12,5 Stunden. Während dieser Zeit muss die Schmelze in einem Zwischengefäss oder einer Pfanne warmgehalten werden, was wieder entsprechende Energieverluste und einen Verbrauch an feuerfester Ausmauerung zur Folge hat
Andererseits besteht auch das Problem der Kontrolle der Giessgeschwindigkeit im Bereich von 2000 kg/h, da die hier zum Einsatz kommenden Ausgüsse mit etwa 8 mm Ausgussöffnung bei niedrigen Giesstemperaturen zum Einfrieren oder Zuschmieren neigen Um dies zu vermeiden, muss mit einer überaus hohen Überhitzung des Metalls im Verteiler gearbeitet werden,
was wieder zu einer Erhöhung der Sumpftiefe im gegossenen Strang führt und so der Zielsetzung der Verringerung der Sumpftiefe entgegenwirkt.
Wie Versuche gezeigt haben, konnen die oben geschilderten Nachteile der einzelnen bekannt gewordenen Verfahren in überraschend einfacher Weise vermieden bzw. umgangen werden, wenn beim an sich bekannten Elektroschlacke- Umschmelzverfahren mit erheblich höheren Abschmelzraten gearbeitet wird, als dies dem Stand der Technik entspricht.
Dabei werden Abschmelzelektroden mit einem im Vergleich zum Giessquerschnitt grossen Querschnitt verwendet, um eine unerwünschte Uberhitzung des von der Elektrodenstrimflache abschmelzenden Metalls möglichst gering zu halten
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zum Elektroschlacke- Umschmelzen, bei welchem bei Verwendung von Abschmelzelektroden von vergleichsweise grossem Querschnitt wesentlich höhere Abschmelzraten angewendet werden, als dies der herkömmlichen Arbeitsweise beim Elektroschlacke- Umschmelzen entspncht
Gute Ergebnisse werden bereits erzielt, wenn die Querschnittsfläche der Abschmelzelektrode(n) mindestens 50 % der Querschnittsfläche des herzustellenden Stranges beträgt. Die Querschnittsfläche der Abschmelzelektrode(n) kann aber auch grösser sein als der Giessquerschnitt.
Hinsichtlich der Abschmelzrate in kg/h hat sich gezeigt, dass diese bei Rundquerschnitten schon aus Gründen der Wirtschaftlichkeit mindestens das 1,5-fache, aus Gründen einer dichten Erstarrungsstruktur im Kern aber nicht mehr als das 30-fache des Durchmessers in mm betragen soll.
Bei Strangformen, welche vom Rundquerschnitt abweichen, kann mit einem Wert für den äquivalenten Durchmesser D2q gearbeitet werden, der aus dem Umfang abgeleitet werden kann gemäss
Däq = U/@
Besonders gute Ergebnisse hinsichtlich Energieverbrauch und Qualität der Oberfläche bei gleichzeitig guter Zentrumsstruktur werden erzielt, wenn die Abschmelzrate in kg/h dem 5 - 15- fachen des äquivalenten Durchmessers Daq in mm entspricht und das Verhältnis der Querschnittsfläche der Abschmelzelektrode(n) zur Querschnittsfläche des herzustellenden Giessquerschnitts gleich oder grösser ist als 1,0.
In diesem Fall muss in einer an sich bekannten Trichter- oder T- Kokille umgeschmolzen werden, wobei der neue, umgeschmolzene Strang im unteren, engeren Teil der Kokille gebildet wird und das über dem Giessspiegel befindliche Schlackenbad bis in den trichterförmig erweiterten Teil reicht, wo dann die Spitze der Abschmelzelektrode in diese eintaucht
Dieses hier vom Prinzip her geschilderte vorteilhafte erfindungsgemässe Verfahren kann in vielfacher Weise an die Erfordernisse des Betreibers angepasst werden.
So kann beispielsweise die Kokille fix in eine Arbeitsbühne eingebaut sein und der Strang nach unten abgezogen werden. Diese Anordnung erweist sich insbesondere dann als zweckmässig, wenn eine kontinuierliche Arbeitsweise wünschenswert ist. Wenn der Strangabzug durch eine dafür geeignete, unterhalb der Kokille angebrachte Vorrichtung bewirkt wird, können die erzeugten Stränge unterhalb der Strangabzugsvorrichtung, beispielsweise durch eine vom Stranggiessen her bekannte Brennschneidanlage, auf die gewünschte Länge geschnitten werden. Ist die Möglichkeit des Elektrodenwechsels gegeben, so kann eine vollkontinuierliche Arbeitsweise erreicht werden
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Für die Herstellung von Einzelsträngen kann aber auch der Strang auf einer feststehenden Bodenplatte aufgebaut werden und die Kokille in der Weise angehoben werden, wie der Strang anwächst.
Das Abziehen des Stranges bzw Anheben der Kokille konnen kontinuierlich oder schrittweise erfolgen
Femer besteht die Möglichkeit, die Kokille oszillieren zu lassen, was insbesondere bei einem kontinuierlichen Strangabzug von Interesse sein kann
Im Falle einer schrittweisen Strangabzugs- oder Kokillenhubbewegung kann zusätzlich an jeden Hubschntt unmittelbar ein Gegenhubschritt anschliessen, wobei die Schrittlänge des Gegenhubschritts bis zu 60 % der Schrittlänge des Abzugs- Hubschritts betragen kann
Für die Herstellung höchstreiner Umschmelzstränge kann das Abschmelzen der verzehrbaren Elektrode in einem, durch beispielsweise eine die Elektrode umgebende Haube,
gebildeten Raum mit kontrollierter Atmosphäre erfolgen
Beim konventionellen Elektroschlacke-Umschmelzverfahren fliesst der Schmelzstrom durch die Schlacke zwischen Elektrodenspitze und Schmelzsumpf oder bei biphilaren oder dreiphasig angespeisten Anlagen zwischen den Elektroden.
Eine derartige Stromführung ist auch beim erfindungsgemässen Verfahren möglich
Wenn mit tnchterförmigen Kokillen gearbeitet wird, werden auch gute Ergebnisse mit einer an sich bekannten Stromführung zwischen Elektrode und Kokillenwand erzielt
Zu besonders guten Ergebnissen hinsichtlich der Wärmeverteilung im Schlackenbad führt eine Anordnung, bei welcher die Elektrode mit dem einen Pol des Transformators verbunden ist, wahrend der zweite Pol des Transformators gleichzeitig sowohl mit dem Strang als auch mit einem oder mehreren in die Kokillenwand eingebauten stromleitenden Elementen verbunden ist
Beispiel: Zur Erprobung der erfindungsgemässen Technologie wurde an einer ESU- Anlage mit Hebekokille ein Versuch gefahren.
EMI3.1
<tb>
Kokille <SEP> Trichterkokille, <SEP> Durchmesser <SEP> unten <SEP> 160 <SEP> mm,
<tb>
<tb> Durchmesser <SEP> oben <SEP> 350 <SEP> mm
<tb> Abschmelzelektrode <SEP> 220 <SEP> mm <SEP> Durchmesser
<tb>
<tb> Stahl <SEP> S-6-5-2
<tb>
Nach dem Aufschmelzen von 55 kg Schlacke der Zusammensetzung 30 % CaO, 30 % A1203, 40 % CaF2 wurde der Kokillenhub so eingestellt, dass der Stahlspiegel etwa 20 - 30 mm unterhalb des Trichteransatzes im unteren Kokillenteil mit 160 mm 0 gehalten wurde
Die elektrische Leistung wurde auf 750 kW bei 10 KA und 75 Volt im Schlackenbad eingestellt,
wobei die Energie über die Elektrode in das Schlackenbad eingebracht wurde und sowohl über den Strang als auch über die Kokillenwand des trichterförmig erweiterten oberen Teils abgeleitet wurde
Bei diesen Bedingungen stellte sich eine Abschmelzrate zwischen 820 und 900 kg/h ein Dementsprechend wurde die Kokille mit einer mittleren Geschwindigkeit von 87-95 mm/min angehoben, wobei das Heben schrittweise mit ca. 10 mm Schrittlänge erfolgte. Die Hubfrequenz wurde über eine radioaktive Giessspiegelmessung kontrolliert und gesteuert.
Es wurde ein Strang mit ca. 3,0 m Länge erzeugt Die Strangoberfläche war gut, sodass vor der Warmverformung keine Oberflächenbehandlung erforderlich war Der Strang wurde ohne Schwierigkeiten auf einen Knüppel mit 100 mm quadrat auf einem Schmiedehammer vorgeschmiedet.
Die metallographische Erprobung ergab eine gleichmässig feinkörnige Karbidverteilung Zentrumsseigerungen wurden nicht festgestellt.
Ein Schema einer möglichen Vorrichtung für die Durchführung des erfindungsgemassen Verfahrens zeigt Fig. 1 Dann wird mit 1) eine Stromquelle bezeichnet, die entweder Wechselstrom oder Gleichstrom abgibt und welche mit dem einen Pol über eine Zuleitung 13) mit der Elektrode 2) verbunden ist, die durch eine geeignete, hier nicht dargestellte Vorrichtung so bewegt wird, dass die Spitze immer in das, in der Kokille 4)'befindliche Schlackenbad 9) eintaucht Die Stromrückleitung erfolgt entweder über den Strang 3) über als Stromabnehmer ausgebildete Treibrollen 8) und eine Hochstromrückleitung 14) mit einem Hochstromtrenner 7) oder über die in die Kokillenwand eingebauten Stromabnehmer 6) und die daran anschliessende Hochstromrückleitung 15) mit Hochstromtrenner 16) oder aber über Strang 3) und Stromabnehmer 6)
gemeinsam Dabei ist die Wahl der Rückleitung durch Betätigung der Trenner 7) und 16) wählbar. Der Anteil der über die Kontakte 6) und 8) fliessenden Strome, wenn beide in den jeweiligen Rückleitungen 14) und 15) vorgesehenen Trenner 7) und 16) so geschaltet sind, dass ein Stromdurchgang ermöglicht wird,
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hängt vom Verhältnis der Widerstände im Schlackenbad 9) ab. Diese werden vom Abstand der in das Schlackenbad 9) eintauchenden Elektrode 2) in bezug auf die Stromabnehmer 6) bzw. dem Abstand der Spitze der Elektrode 2) vom Metallspiegel des im unteren Teil der in der Kokille 4) gebildeten Stranges 3) bestimmt.
Der Strang 3) wird durch Treibrollen 8), in der Weise abgesenkt, wie die Abschmelzelektrode 2) abschmilzt, wobei der Spiegel des flüssigen Metalls im engen Teil der Kokille beispielsweise durch eine radioaktive Strahlenquelle 5) überwacht wird. Die Treibrollen 8) konnen gleichzeitig auch als Kontakte für die Stromrückleitung 14) vom Strang 3) zur Stromquelle 1) dienen.
Ein Ablängen des erzeugten Umschmelzstranges auf die benotigten Erzeugungslängen ist beispielsweise durch eine Brennschneidanlage 10) möglich Wenn die erste Elektrode 2) verzehrt ist, kann durch geeignete, hier nicht gezeigte, jedoch zum Stand der Technik gehörende Vorrichtungen diese aus dem Schmelzbereich entfernt und eine weitere Elektrode 11) aus einer Warteposition in die Schmelzposition gebracht werden und so der Schmelzvorgang fortgesetzt werden Damit wird durch Abschmelzen mehrerer Elektroden hintereinander ein vollkommen kontinuierlicher Betrieb moglich.
Die Elektrode und das Schlackenbad können durch gasdichte Hauben 12) und 17), die auch gegen den Kokillenflansch abdichtbar sind, gegen den Luftzutritt geschutzt werden Damit kann das Umschmelzen unter kontrollierter Atmosphäre und Ausschluss des Luftsauerstoffs stattfinden, womit auch die Herstellung höchstreiner Umschmelzstränge ermöglicht und ein Abbrand sauerstoffaffiner Elemente verhindert wird
Patentansprüche:
1 Verfahren zur Herstellung von Strängen aus Metallen, insbesondere aus Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen durch Abschmelzen selbstverzehrender Elektroden in einem elektrisch leitenden Schlackenbad in einer kurzen, nach unten offenen wassergekuhlten
Kokille, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschmelzrate in kg/h dem 1,5 bis 30-fachen des aus dem Umfang des Giessquerschnitts (U) in mm errechneten äquivalenten
Strangdurchmessers (D ) gemäss der Beziehung Dqa = U/@ entspricht und dass das
Verhältnis der Querschnittsfläche einer oder mehrerer Abschmelzelektroden zur
Querschnittsfläche des Giessquerschnitts grösser ist als 0,5.