AT409729B - Verfahren und anordnung zur herstellung von hohlen gusskörpern aus metallen - Google Patents

Description

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   Für eine Reihe von Anwendungen werden hohle Gusskörper oder Rohblöcke benötigt, die ent- weder direkt im Gusszustand eingesetzt werden oder noch einer weiteren Warmverarbeitung durch Walzen oder Schmieden unterzogen werden Bei unlegierten oder niedriglegierten Stählen ist es hier üblich, wenn nicht überhaupt ein Formgussstück hergestellt wird, einen Vollblock zu giessen und diesen vor der weiteren Warmformgebung warm zu lochen 
Diese Arbeitsweise ist jedoch bei höher legierten Stahlen, wie beispielsweise austenitischen, ferritischen und martensitischen korrosions- und hitzebestandigen Stählen, aber auch bei Werk- zeugstählen unterschiedlichster Zusammensetzung kaum mehr möglich, da diese für einen Warm- lochvorgang kein ausreichendes Warmverformungsvermögen mehr aufweisen.

   Noch weniger ist dies bei den noch schwerer verformbaren Ni- und Co-Basislegierungen möglich Für die Herstel- lung von Hohlkörpern aus schwer verformbaren Stählen und Legierungen ist es daher vielfach erforderlich einen vollen Gussblock oder sogar vorverformten Rohling durch mechanische Bearbei- tung auszubohren und dann erst weiter warm zu verformen. Diese Arbeitsweise ist jedoch mit hohen Kosten verbunden, da die hochlegierten Stähle und Legierungen nur schwer mechanisch zu bearbeiten sind und ausserdem vielfach vor einer mechanischen Bearbeitung einer Wärmebehand- lung unterzogen werden müssen. 



   Um diese o. a. Schwierigkeiten zu umgehen wurde in der Vergangenheit mehrfach vorgeschla- gen hochlegierte Hohlkörper und für die Weiterverarbeitung insbesondere durch Schmieden be- stimmte Hohlblocke nach dem Verfahren des Elektroschlacke - Umschmelzens mit selbstverzehr- baren Elektroden herzustellen, da dieses Verfahren zu einer hohen Qualität der hergestellten Hohlblöcke führt. 



   So beschreiben beispielsweise Akesson, aber auch B Medovar und Mitarbeiter ein Verfahren zur Herstellung von Hohlblöcken nach dem Elektroschlacke   Umschmeizverfahren,   bei welchem in einer kurzen wassergekühlten Kokille runden Querschnitts von oben ein ebenfalls wassergekühlter konischer Dorn konzentrisch so eingesetzt ist, dass zwischen Kokille und Dorn ein Ringspalt ver- bleibt. Für die Herstellung eines Hohlblocks werden in dem Ringspalt stangenförmige Abschmelz- elektroden konzentrisch angeordnet und über sie der Schmelzstrom in das im Spalt befindliche Schlackenbad geleitet und über das Schmelzbad und die Bodenplatte wieder abgeleitet. Auf Grund der beim Stromdurchgang durch das Schlackenbad entstehenden Joule'schen Wärme werden die Elektroden abgeschmolzen.

   Das nach unten tropfende flüssige Metall wird im Ringspalt gesammelt und erstarrt dort kontinuierlich zu einem Hohlblock. Mit diesem Verfahren gelingt es Hohlblöcke einwandfreier Qualität zu erzeugen. Der Aufwand für die Herstellung und Vorbereitung der langen, dünnen, stangenformigen Elektroden ist jedoch hoch und ausserdem ist deren konzentrische An- ordnung im Ringspalt, insbesondere bei Herstellung von Hohlblöcken mit geringer Wandstarke mit nicht unerheblichen Schwierigkeiten verbunden. Hier kann es hilfreich sein, wenn im Bereich des Schlackenbads trichterförmig nach oben erweiterte, sogenannte T - Kokillen zum Einsatz kommen, weil dann, im Vergleich zur Wandstärke des Hohlblocks, dickere Abschmelzelektroden zum Ein- satz kommen können, wie dies beispielsweise von Ujiie und Mitarbeitern vorgeschlagen wurde. 



   Bei einem anderen Verfahren, das von Klein und Mitarbeitern angewendet wurde, wird von un- ten durch eine Öffnung in der Bodenplatte ein in der wassergekühlten Kokille konzentrisch ange- ordneter Dorn in der Weise nach oben bewegt, wie der Block auf der Bodenplatte aufgebaut wird wobei das obere Ende des Doms immer bis in das Schlackenbad reicht, aber von diesem immer vollständig bedeckt bleibt. Damit wird es möglich im Schlackenbad oberhalb des Doms grosse Elektroden abzuschmelzen. Das von den Elektroden abschmelzende Metall tropft auf die ge- krummte Oberfläche des Dorns und läuft von dort in den Ringspalt zwischen Kokillenwand und Dorn, sodass wieder ein Hohlblock gebildet wird.

   Bei diesem Verfahren ist die Herstellung der Abschmelzelektroden zwar wesentlich vereinfacht, jedoch bereitet die konzentrische Führung des Dorns bei der Herstellung längerer Blocke nicht unerhebliche Schwierigkeiten, sodass oft eine nicht unerhebliche Exzentrizität der Bohrung beobachtet wird. Auch führt eine schlechte Oberflächen- ausbildung in der Bohrung immer wieder zu Schwierigkeiten bei der Weiterverarbeitung. Wenn diese vermieden werden sollen ist es vielfach erforderlich die Innenbohrung vor der Warmformge- bung mechanisch zu bearbeiten. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Hohlblöcken mit Stromzuleitung über die Elektroden ist in der AT 322. 575 beschrieben.

   In der DE 23 03 629 B2 wird der Schmelzstrom ebenfalls über die Abschmelzelektroden zugeleitet, zusätzlich wird noch eine rotierende Bodenplatte beschrieben, um eine bessere Wärmeverteilung im Ringspalt zu 

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 erzielen. 



   Wie aus dem oben gesagten hervorgeht sind Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern nach dem Pnnzip des Elektroschlacke Umschmelzens grundsätzlich bekannt, wobei bei allen bisher bekanntgemachten Verfahren der Schmelzstrom über rohr- oder stangenförmige Abschmelzelekt- roden in das Schlackenbad geleitet wird. Die Stromrückleitung erfolgt entweder ganz oder teilweise von der Bodenplatte. Die Energieeinbringung über eine oder mehrere abschmelzbare Elektroden hat zur Folge, dass die dadurch im Schlackenbad erzeugte Wärme, nur ungleich über den Rohr- querschnitt verteilt wird. Dort wo die Elektrode in die Schlacke eintaucht und der Strom in das Schlackenbad übergeht kann eine hohe Wärmekontentration erwartet werden, in den Elektroden- zwischenräumen eine niedrige. Ausserdem ist die Wärmeabfuhr über die äussere und innere Kokil- lenwand nicht immer die gleiche.

   All dies führt bei den umgeschmolzenen Rohrkorpern zu einer ungleichmässigen Ausbildung der Oberfläche. An Stellen mit zu hohem Wärmeangebot werden Metallausbrüche, die zu sogenannten Überrinnern führen beobachtet. An Stellen mit zu geringem Wärmeangebot bildet sich ein dicker Schlackenmantel, der zu einer rauhen Oberfläche führt und in extremen Fällen kommt es am Schmelzsumpf zu einem Erstarrungsfortschritt über den Meniskus hinweg und zum Auftreten einer rilligen Oberfläche. Diese Probleme können durch Verwendung einer rotierenden Bodenplatte zwar etwas gemildert aber auch nicht vollständig behoben werden. 



  Die Anordnung der Fehler ist dann spiralförmig über die Länge des Hohlkörpers anstatt längs einer Erzeugenden. 



   Allen bisher bekannt gemachten Verfahren ist gemeinsam, dass der Schmelzstrom für das Ab- schmelzen der verzehrbaren Elektroden über diese in das Schlackenbad zugeleitet wird und dieser so geregelt werden muss, dass die für den Erhalt einer günstigen Erstarrungsstruktur erforderliche Abschmelzrate eingehalten wird. Diese so geregelte Strom- bzw. Leistungszufuhr zum Schlacken- bad hat aber nicht notwendigerweise jene Schlackenbadtemperatur zur Folge, die auch zu einer guten Blockoberfläche in der Bohrung und an der Aussenoberfläche führt. Es gelingt daher mit diesen Verfahren kaum hohle Blöcke oder Gusskörper zu erzeugen, die sowohl eine günstige Gussstruktur als auch eine gute Oberfläche aufweisen. 



   Diese o. a. Schwierigkeiten werden bei der vorliegenden Erfindung dadurch vermieden, dass eine an sich bekannte stromleitende Kokille mit stromleitendem Dorn verwendet wird. Der Schmelzstrom wird dann beispielsweise dem Schlackenbad über die Kokille zugeleitet und aus diesem über den Dorn wieder abgeleitet. Eine stromführende Elektrode wird nicht benötigt. Die Metallzufuhr kann in Form flüssigen Metalls aber auch in Form festen Metalls erfolgen, wobei sowohl Granalien, Späne aber auch Stangen in Frage kommen, die aber stromlos bleiben. Damit wird erreicht, dass die Temperatur des Schlackenbads unabhängig von der Zufuhrrate des flüssigen oder festen Metalls geregelt werden kann. Diese kann dann so gewählt werden, dass sowohl ent- lang der Innenwand als auch entlang der Aussenwand des hergestellten Rohrkorpers eine gute Oberfläche erzielt wird. Die von der Abschmelz- bzw.

   Giessrate unabhängige Regelung der Schla- ckentemperatur ermöglicht es auch entsprechend den gestellten Anforderungen die Blockaufbau- geschwindigkeit in einem weiten Bereich zu verandern, ohne dass dies einen nachteiligen Einfluss auf die Ausbildung der Oberfläche hat. 



   Beim erfindungsgemässen Verfahren handelt es sich somit Verfahren zur Herstellung von hoh- len Gussstücken aus Metallen, insbesondere aus Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen nach einem Elektroschlacke Schmelz- oder Giessverfahren unter Anwendung des Prinzips der an sich bekannten kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille, bei dem ein hohler Gusskörper im Spalt zwischen einer kurzen wassergekühlten Kokille und einem innerhalb der Kokillenöffnung angeordneten, ebenfalls wassergekühlten Dorn gebildet wird, wobei der Metallspiegel durch ein den elektrischen Strom leitendes Schlackenbad abgedeckt ist,

   wobei Gleich- oder Wechselstrom durch in die Kokillenwand und/oder im wassergekühlten Dorn eingebaute an sich bekannte strom- leitende Elemente in das Schlackenbad eintritt und durch ebensolche Elemente des jeweils ande- ren Teils und/oder den gebildeten Gusskörper wieder austritt, wobei zumindest eines dieser strom- leitenden Elemente gegenüber den übrigen Teilen der wassergekühlten Kokille bzw. des Dorns elektrisch isoliert ist und bei welchem während des Abschmelzens von festem Vormaterial in Form von Stangen, Spänen oder Granalien oder des Eingiessens von flüssigem Material der Schlacken- spiegel durch eine Relativbewegung zwischen Gusskörper und Kokille annähernd konstant im Bereich der stromleitenden Elemente der Kokille gehalten wird. 

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   Fur die wirksame Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist es vorteilhaft wenn die stromleitenden Elemente vollständig im Bereich des Schlackenbads liegen und durch dieses abgedeckt werden. Um den Schlackenspiegel immer im Bereich der stromleitenden Elemente zu halten ist es erforderlich entweder den im Ringspalt zwischen Kokille und Dorn aufgebauten Hohl- block nach unten abzuziehen oder bei feststehendem Block die Kokille mit dem Dorn in der Weise anzuheben, wie der Spiegel ansteigt Für die Zu- und Rückleitung können verschiedene Anord- nungen gewählt werden Erfolgt die Zuleitung über die stromleitenden Elemente in der Kokillen- wand so müssen diese gegenüber den wassergekühlten, die Aussenoberfläche des Hohlblocks bildenden Teil der Kokille elektrisch isoliert sein.

   Die Rückleitung des Stroms kann dann entweder über die stromleitenden Elemente des wassergekühlten Doms und/oder über den gebildeten Hohlblock und die Bodenplatte erfolgen. Die Zuleitung kann aber auch über die stromleitenden Elemente des Doms erfolgen, wenn diese gegenüber den übrigen wassergekühlten Bauteilen des Dorns elektrisch isoliert sind In diesem Fall erfolgt die Rückleitung dann über die stromleitenden Elemente der Kokille und/oder den Block und die Bodenplatte. Grundsätzlich kann, wenn die stromleitenden Elemente elektrisch isoliert eingebaut sind, die Zuleitung des Stroms über Kokille und Dorn gemeinsam erfolgen. In diesem Fall erfolgt dann die Rückleitung des gesamten Stroms über den Block und die Bodenplatte. 



   In Fig. 1 wird eine Anordnung mit absenkbarer Bodenplatte zur Durchführung des erfindungs- gemässen Verfahrens mit den verschiedenen Schaltmöglichkeiten gezeigt Die absenkbare Boden- platte (21) ist als wassergekühlter Hohlkörper ausgebildet, dessen Aussendurchmesser gerade etwas geringer ist als der Innendurchmesser der Kokille (5), so dass er zum Zweck des Anfahrens soweit in die Kokille eingefahren werden kann, bis die Oberkante der Bodenplatte gerade unterhalb der Isolierungen (3a, 7a) zu liegen kommt.

   Andrerseits ist der Innendurchmesser der Bodenplatte (2) geringfügig grösser als der Aussendurchmesser des Dorns (1), sodass dieser bei hochgefahrener Bodenplatte in deren inneren Hohlraum hineinreicht und eine Abdichtung an der inneren Kante bewirkt Nach dem Eingiessen der flüssigen Schlacke befindet sich das Schlackenbad (10) im Bereich der stromleitenden Elemente (2, 6), sodass je nach Schaltung Strom fliessen kann.

   In weite- rer Folge kann nun beispielsweise flüssiges Metall (12) in den Spalt zwischen Dorn (1) und Kokille (5) mit einer Giessrate eingegossen werden, die eine ausreichende Erstarrungsstruktur des erzeug- ten Hohlkörpers sicherstellt Die Figur zeigt darüber hinaus noch über den oberen Isolierteilen (3b, 7b) angeordnete obere wassergekühlte Elemente (4,8) bei Kokille und Dorn sowie eine   Zentner-   vorrichtung (22) für die Anordnung des Dorns in der Kokille.

   Die Gleich- oder Wechselstromquelle (9) ist durch Hochstromleitungen mit den stromleitenden Elementen von Kokille und Dorn einer- seits (2,6) und der Bodenplatte (21) andererseits über die Hochstromschalter (14), (15) und (18) verbunden, die eine Reihe von Schaltmöglichkeiten zulassen, die durch wechselweises Schliessen der Schaltkontakte (13), (16), (17), (19), (20) und (21) hergestellt werden:   @ Variante 1 : Zuleitungüber Dorn, Rückleitung uber Kokille: Kontakte (19)   und (16) geschlossen   @   Variante 2 : Zuleitung über Dorn, Rückleitung über Bodenplatte :   (19) und (13) geschlossen     @   Variante 3: Zuleitung über Dorn, Rückleitung über Kokille und Bodenplat- te : Kontakte (19), (13) und (16) geschlossen. 



    @ Variante 4 : über Kokille, Rückleitung über Dorn : (17)   und (20) geschlossen. Entspricht bei Wechselstrom der Variante 1   @ Variante 5 : Zuleitunguber Kokille, Rückleitung über Bodenplatte: Kontak-   te (17) und (13) geschlossen. 



     @   Variante 6: Zuleitung über Kokille, Rückleitung über Dorn und Bodenplat- te : Kontakte (17), (13) und (20) geschlossen. 



     @   Variante 7: Zuleitung über Kokille und Dorn, Rückleitung uber Bodenplat- te : Kontakte (17), (19) und (13) geschlossen   @   Variante 8 : Zuleitung über Bodenplatte, Rückleitung uber Dorn : Kontakte (21), und (20) geschlossen. Entspricht bei Wechselstrom Variante 2. 



     @   Variante 9 : Zuleitung uber Bodenplatte, Rückleitung über Kokille: Kontak- te (21), und (16) geschlossen Entspricht bei Wechselstrom Variante 5. 

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   * Variante 10 : Zuleitung über Bodenplatte, Rückleitung über Dorn und Ko- kille: Kontakte (21), (16) und (20) geschlossen. Entspricht bei Wechsel- strom Variante 7. 



     @   Variante 11: Zuleitung über Bodenplatte und Dorn, Rückleitung über Ko-   kille,   Kontakte (21), (19) und (16) geschlossen. Entspricht bei Wechsel- strom Variante 6. 



   + Variante 12 : Zuleitung über Bodenplatte und Kokille, Rückleitung über Dorn Kontakte (21), (17) und (20) geschlossen. Entspricht bei 
Wechselstrom Vanante 3. 



   PATENTANSPRÜCHE: 1 Verfahren zur Herstellung von hohlen Gussstücken aus Metallen, insbesondere aus Stäh- len sowie Ni- und Co-Basislegierungen nach einem Elektroschlacke Schmelz- oder Giess- verfahren unter Anwendung des Prinzips der an sich bekannten kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille, bei dem ein hohler Gusskörper im Spalt zwischen einer kurzen wassergekühlten Kokille und einem innerhalb der Kokillenöffnung angeordneten, ebenfalls wassergekühlten Dorn gebildet wird, wobei der Metallspiegel durch ein den elektrischen 
Strom leitendes Schlackenbad abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet,

   dass Gleich- oder 
Wechselstrom durch in die Kokillenwand und/oder im wassergekühlten Dorn eingebaute an sich bekannte stromleitende Elemente in das Schlackenbad eintritt und durch ebensol- che Elemente des jeweils anderen Teils und/oder den gebildeten Gusskörper wieder aus- tritt, wobei zumindest eines dieser stromleitenden Elemente gegenüber den übrigen Teilen der wassergekühlten Kokille bzw. des Doms elektrisch isoliert ist und dass während des 
Abschmelzens von festem Vormaterial in Form von Stangen, Spänen oder Granalien oder des Eingiessens von flüssigem Material der Schlackenspiegel durch eine Relativbewegung zwischen Gusskörper und Kokille annähernd konstant im Bereich der stromleitenden Ele- mente der Kokille gehalten wird.

Claims (1)

1. 2 Verfahren zur Herstellung von hohlen Gussstücken aus Metallen, insbesondere aus Stäh- len sowie Ni- und Co-Basislegierungen nach einem Elektroschlacke Schmelz- oder Giess- verfahren unter Anwendung des Prinzips der an sich bekannten kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille, bei dem ein hohler Gusskörper im Spalt zwischen einer kurzen wassergekühlten Kokille und einem innerhalb der Kokillenöffnung angeordneten, ebenfalls wassergekühlten Dorn gebildet wird nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Kokillenwand und/oder Dorn eingebauten stromleitenden Elemente durch das Schla- ckenbad vollkommen abgedeckt werden 3.

   Verfahren zur Herstellung von hohlen Gussstücken aus Metallen, insbesondere aus Stah- len sowie Ni- und Co-Basislegierungen nach einem Elektroschlacke Schmelz- oder Giess- verfahren unter Anwendung des Prinzips der an sich bekannten kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille, bei dem ein hohler Gusskörper im Spalt zwischen einer kurzen wassergekühlten Kokille und einem innerhalb der Kokillenöffnung angeordneten, ebenfalls wassergekühlten Dorn gebildet wird nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass der hohle Gusskörper mit einer solchen Geschwindigkeit aus dem Spalt zwi- schen Kokille und Dorn nach unten abgezogen wird, dass der Giessspiegel in Bezug auf die stromleitenden Elemente im wesentlichen auf konstantem Niveau gehalten wird.

   4. Verfahren zur Herstellung von hohlen Gussstücken aus Metallen, insbesondere aus Stäh- len sowie Ni- und Co-Basislegierungen nach einem Elektroschlacke Schmelz- oder Giess- verfahren unter Anwendung des Prinzips der an sich bekannten kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille, bei dem ein hohler Gusskörper im Spalt zwischen einer kurzen wassergekühlten Kokille und einem innerhalb der Kokillenöffnung angeordneten, ebenfalls wassergekühlten Dorn gebildet wird nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass bei feststehender Bodenplatte und darauf aufgebautem hohlen Gusskörper Kokille und Dorn mit einer solchen Geschwindigkeit angehoben werden, dass der Giess- spiegel in Bezug auf die stromleitenden Elemente im wesentlichen auf konstantem Niveau <Desc/Clms Page number 5> gehalten wird 5.

   Verfahren zur Herstellung von hohlen Gussstücken aus Metallen, insbesondere aus Stäh- len sowie Ni- und Co-Basislegierungen nach einem Elektroschlacke Schmelz- oder Giess- verfahren unter Anwendung des Prinzips der an sich bekannten kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille, bei dem ein hohler Gusskörper im Spalt zwischen einer kurzen wassergekühlten Kokille und einem innerhalb der Kokillenöffnung angeordneten, ebenfalls wassergekühlten Dorn gebildet wird nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Zuleitung des Schmelzstroms zum Schlackenbad über die stromleiten- den, gegenüber den übrigen Bauteilen elektrisch isolierten Elemente des Dorns und die Rückleitung über die stromleitenden Elemente der Kokille und/oder den hohlen Gusskorper und die Bodenplatte erfolgen.

   6. Verfahren zur Herstellung von hohlen Gussstücken aus Metallen, insbesondere aus Stäh- len sowie Ni- und Co-Basislegierungen nach einem Elektroschlacke Schmelz- oder Giess- verfahren unter Anwendung des Prinzips der an sich bekannten kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille, bei dem ein hohler Gusskörper im Spalt zwischen einer kurzen wassergekühlten Kokille und einem innerhalb der Kokillenöffnung angeordneten, ebenfalls wassergekühlten Dorn gebildet wird nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Zuleitung des Schmelzstroms zum Schlackenbad über die stromleiten- den, gegenüber den übrigen Bauteilen elektrisch isolierten Elemente der Kokille und die Rückleitung über die stromleitenden Elemente des Dorns und/oder den hohlen Gusskörper und die Bodenplatte erfolgen.

   7 Verfahren zur Herstellung von hohlen Gussstücken aus Metallen, insbesondere aus Stäh- len sowie Ni- und Co-Basislegierungen nach einem Elektroschlacke Schmelz- oder Giess- verfahren unter Anwendung des Prinzips der an sich bekannten kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille, bei dem ein hohler Gusskörper im Spalt zwischen einer kurzen wassergekühlten Kokille und einem innerhalb der Kokillenöffnung angeordneten, ebenfalls wassergekühlten Dorn gebildet wird nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Zuleitung des Schmelzstroms zum Schlackenbad über die stromleiten- den, gegenüber den übrigen Bauteilen elektrisch isolierten Elemente von Kokille und Dorn und die Rückleitung über den hohlen Gusskörper und die Bodenplatte erfolgen.

   8 Verfahren zur Herstellung von hohlen Gussstücken aus Metallen, insbesondere aus Stäh- len sowie Ni- und Co-Basislegierungen nach einem Elektroschlacke Schmelz- oder Giess- verfahren unter Anwendung des Prinzips der an sich bekannten kurzen, stromleitenden, wassergekuhlten Kokille, bei dem ein hohler Gusskörper im Spalt zwischen einer kurzen wassergekühlten Kokille und einem innerhalb der Kokillenöffnung angeordneten, ebenfalls wassergekühlten Dorn gebildet wird nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass im Falle der Verwendung von Gleichstrom dessen Polarität veranderbar ist HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN