AT512471B1 - Umschmelzanlage für selbstverzehrende elektroden - Google Patents

Abstract

Eine Anlage zum Umschmelzen selbstverzehrbarer Elektroden kann sowohl als Vakuumlichtbogenofen als auch als Elektroschlacke-Umschmelzanlage betrieben werden, wobei die Anlage sowohl über eine zu- bzw. wegschaltbare Gleichstrom-(26) als auch Wechselstromversorgung (27) verfügt und alternativ an ein Vakuumpumpensystem (16) bzw. eine Schutzgasversorgung (24) und Rauchgasabsaugung (21) sowie eine Dosiervorrichtung (31, 32) für Schlacke und Desoxidationsmittel angeschlossen werden kann.

Description

österreichisches Patentamt AT 512 471 B1 2014-02-15

Beschreibung

UMSCHMELZANLAGE FÜR SELBSTVERZEHRENDE ELEKTRODEN

[0001] Für die Herstellung hochwertiger Blöcke aus Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen aber auch anderen werden sogenannte Umschmelzverfahren eingesetzt, bei welchen eine selbstverzehrende Abschmelzelektrode durch Zufuhr von elektrischer Energie zu einem Umschmelzblock umgeschmolzen wird, der in einer wassergekühlten Kokille schrittweise aufgebaut wird. Die Umschmelzrate wird dabei so gewählt, dass ein flacher Schmelzsumpf beibehalten wird und die Erstarrung vom Boden zum Kopf hin langsam fortschreitet, solange bis die gesamte Elektrode abgeschmolzen ist.

[0002] Im Wesentlichen haben zwei Verfahrensvarianten technische Bedeutung erlangt. Es sind das einerseits der Vakuumlichtbogenprozess, im englischsprachigen Schrifttum als „Vacu-um Are Remelting" (VAR) bezeichnet und anderseits das Elektroschlacke-Umschmelzverfahren (ESU), im Englischen als „Electroslag Remelting" (ESR) bezeichnet.

[0003] Jeder dieser beiden Prozesse weist kennzeichnende Merkmale auf, die in Folge kurz dargelegt werden.

[0004] Beim Vakuumlichtbogenverfahren erfolgt das Abschmelzen der Elektrode in einem geschlossenen Ofengefäß, bestehend aus einer Ofenhaube und dem vom Kühlwasser durchflossenen Kokillentopf, in den der mit einer Bodenplatte verschlossene Kupfertiegel zur Aufnahme des Umschmelzblockes unter Vakuum eingehängt ist. Alternativ kann auch eine komplette, aus Wasserkasten und Kupfereinsatz bestehende Kokille mit einer ebenfalls wassergekühlten Bodenplatte verschlossen und direkt mit der Haube verbunden werden. Die Abschmelzelektrode wird durch eine am unteren Ende einer Elektrodenstange angebrachte hydraulisch oder pneumatisch betätigte Klemme gehalten, die auch zur Stromübertragung dient. Die Elektrodenstange ist in vertikaler Richtung verfahrbar und dient der Zufuhr der Abschmelzelektrode zum Schmelzbad in der Weise, wie diese abschmilzt. Eine vakuumdichte Durchführung ermöglicht die vertikale Bewegung der Elektrodenstange. Das Vakuum im Ofengefäß wird durch einen Satz mechanischer Pumpen erzeugt. Die für das Umschmelzen erforderliche Energie wird von einer Gleichstromquelle geliefert, deren einer Pol mit der Elektrodenstange und damit der Abschmelzelektrode verbunden ist, während der andere Pol an die Bodenplatte bzw. die Kokille angeschlossen ist, wobei die Rückleitung von der Kokille über den Kokillenflansch und allenfalls noch über die Haube geführt werden kann, um eine Koaxialität zwischen Zu- und Rückleitung sicherzustellen. Die Schmelzenergie wird durch einen Lichtbogen erzeugt, der zwischen der Spitze der Abschmelzelektrode und der Oberfläche des Schmelzbades brennt. Um einen stabilen Lichtbogen aufrecht zu erhalten, muss der Abstand zwischen Elektrodenspitze und Schmelzsumpf genau eingehalten werden.

[0005] Beim Elektroschlacke-Umschmelzen erfolgt das Abschmelzen der Elektrode in einem metallurgisch aktiven Schlackenbad, welches einen Ohm'schen Widerstand darstellt und welches beim Durchgang des Stroms von der Elektrode zum Schmelzsumpf auf Temperaturen erhitzt wird, die ein Abschmelzen der Elektrode zur Folge haben. Um Polarisationseffekte im Schlackenbad zu vermeiden werden beim Elektroschlacke-Umschmelzen Stromquellen verwendet, die Wechselstrom entweder mit Netzfrequenz oder einer meist niedrigeren Frequenz als Wechselstrom liefern. Ähnlich wie beim Vakuumlichtbogenverfahren wird das abgeschmolzene Metall in einem wassergekühlten Tiegel aufgefangen und schrittweise ein Umschmelzblock aufgebaut. Durch eine geeignete Vorrichtung wird die Abschmelzelektrode in der Weise in das Schlackenbad nachgefahren, wie sie abschmilzt, sodass die Elektrodenspitze ständig im Schlackenbad eingetaucht bleibt.

[0006] Grundsätzlich kann das Elektroschlacke-Umschmelzen an Luft erfolgen, da das Metallbad vollständig durch die flüssige Schlacke abgedeckt ist und so ein Kontakt der Umgebungsluft mit dem flüssigen Metall unterbunden wird. In modernen Anlagen wird heute jedoch unter einer kontrollierten Schutzgasatmosphäre umgeschmolzen, die entweder bei Atmosphären- 1 /5 österreichisches Patentamt AT 512 471 B1 2014-02-15 druck liegt, aber auch über oder unter diesem liegen kann. Damit verfügen moderne ESU-Anlagen ebenfalls über eine auf dem oberen Kokillenrand gasdicht aufsitzende Haube mit einer ebenfalls gasdichten Durchführung für die Elektrodenstange, mittels derer die Abschmelzelektrode nachgefahren wird und über die der Schmelzstrom zur Elektrode geleitet wird. Der Schmelzstrom gelangt dann über das Schlackenbad und den umgeschmolzenen Block und die Bodenplatte bzw. Kokille zurück zur Stromquelle. Auch hier wird vielfach die Rückleitung vom Kokillenflansch über die Haube und von dort zum zweiten Pol der Stromquelle geführt.

[0007] Beide Verfahren dienen zur Herstellung qualitativ hochwertiger Umschmelzblöcke, wobei von Fall zu Fall einmal dem einen und einmal dem anderen Verfahren der Vorzug gegeben wird, was zu Problemen hinsichtlich Kapazität oder Auslastung der jeweiligen für ihr spezielles Verfahren konzipierten Anlagen führt oder führen kann. Dabei sind wesentliche Anlagenkomponenten bei beiden Verfahrensweisen weitgehend ident wie beispielsweise die wassergekühlte Kokille zur Aufnahme des umgeschmolzenen Blockes die Kühlwasserversorgung von Kokille und kritischen Anlagenkomponenten die Haube mit einer gasdichten bzw. vakuumdichten Durchführung für die Elektrodenstange die Elektrodenstange für die Stromzufuhr mit der Vorschubvorrichtung und einer Stromklemme die Hochstromleitungen zwischen Stromquelle und Elektrodenstange bzw. Bodenplatte, Kokillenflansch oder Haube ein großer Teil der Steuerung sowie praktisch alle Betätigungen [0008] Unterschiede zwischen den Verfahren bestehen wie folgt: bei der Schmelzstromversorgung, die beim Vakuumlichtbogenverfahren eine Gleichstromquelle ist und beim ESU-Verfahren eine Wechselstromquelle der Vakuumlichtbogenofen benötigt eine aus mehreren mechanischen Vakuumpumpen bestehende Vakuumerzeugungsanlage mit entsprechender Steuerung eine Schutzgas-ESU-Anlage benötigt eine Schutzgasversorgung mit entsprechender Steuerung sowie eine Rauchgasabsaugung mit Filter eine Schutzgas-ESU-Anlage benötigt eine Dosiervorrichtung für eine gesteuerte Zugabe von Schlacken sowie Desoxidationsmitteln und Legierungen [0009] Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die vorab geschilderten Probleme im Hinblick auf unzureichende Kapazitäten bzw. Auslastung bei spezialisierten Anlagen zu vermeiden durch Einsatz von Anlagen, die für jede der beiden Verfahrensvarianten geeignet bzw. anpassbar sind.

[0010] Gegenstand der Erfindung ist demnach eine Anlage zum Umschmelzen selbstverzehrbarer Elektroden zu Blöcken in wassergekühlten Kokillen, die alternativ sowohl als Vakuumlichtbogenofen als auch als Elektroschlacke-Umschmelzanlage betrieben werden kann, wobei sowohl die Schmelzstromversorgung und die Prozesssteuerung sowie der Vakuumpumpensatz bzw. das Schutzgassystem und die Dosieranlage so umschaltbar ausgeführt sind, dass die Anlage an die Erfordernisse des jeweiligen Prozesses angepasst werden kann.

[0011] Die Anlage kann erfindungsgemäß daher mit zwei nebeneinander eingebauten, aber getrennt betreibbaren Stromversorgungen ausgestattet sein, von denen eine eine Gleichstromversorgung darstellt und es sich bei der zweiten um einen Wechselstrom-Transformator oder eine thyristorgesteuerte Umrichteranlage handelt.

[0012] Die Anlage kann aber auch mit einer einzigen thyristorgesteuerten Umrichteranlage ausgestattet sein, die entweder Gleichstrom oder Wechselstrom mit einer Frequenz von max. 20 Hertz liefern kann. 2/5 österreichisches Patentamt AT 512 471 B1 2014-02-15 [0013] Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Anlage. In einem wasserdurchflossenen Kühltopf (1) ist ein Kupfertiegel (2) eingehängt, der der Aufnahme des umgeschmolzenen Blockes (3) dient, der durch Abschmelzen einer Elektrode (9) entweder in einem heißen Schlackenbad (4) oder durch einen zwischen dem unteren Ende der Elektrode (9) und dem flüssigen Metallsumpf (6) brennenden Lichtbogen (5) hergestellt wird. Die Abkühlung des Blockes (3) wird durch das über den Einlaufstutzen (7) zugeleitete und entlang des Spalts zwischen Kühltopf (1) und Kupfertiegel (2) nach oben strömende Kühlwasser bewirkt, welches über den Auslaufstutzen (8) ausströmt.

[0014] Die Abschmelzelektrode (9) wird durch eine Stromklemme (14) gehalten und durch eine hydraulisch betätigte Zugstange (13) gegen die Kontaktfläche (30) der Elektrodenstange (12) gepresst, wodurch der Kontakt zu der Stromzuleitung (28) hergestellt wird, die ihrerseits mit einer Schmelzstromquelle (26, 27) verbunden ist.

[0015] Die in vertikaler Richtung mittels einer geeigneten, hier nicht dargestellten Vorrichtung verfahrbare Elektrodenstange (12) wird durch eine vakuum- bzw. gasdichte Durchführung (11) in den durch die Ofenhaube (10) gebildeten Innenraum geführt.

[0016] Von der Ofenhaube (10) führt eine Vakuumleitung (15) zum Vakuumpumpensatz (16). Der Vakuumschieber (17) ist bei Vakuumlichtbogenbetrieb geöffnet und wird geschlossen, wenn die Anlage als ESU-Anlage betrieben wird. Bei ESU-Betrieb bleibt der Vakuumschieber [17] geschlossen und der ebenfalls vakuumdichte Schieber (19) wird geöffnet, wodurch die Abgasleitung (18) mit Staubfilter (20) und Ventilator (21) freigegeben wird.

[0017] Bei ESU-Betrieb ist außerdem der ebenfalls vakuumdichte Schieber (23) geöffnet, wodurch über die Zuleitung (22) die Zudosierung von Schlacke oder Legierungselementen aus dem Behälter (31) durch Betätigung der Dosiervorrichtung (32) ermöglicht wird.

[0018] Bei ESU-Betrieb unter Schutzgas gelangt dieses über die Schutzgasleitung (24) und ein geeignetes Dosierventil (25) über die Leitung (22) oder auch direkt in den durch die Haube (10) gebildeten Innenraum.

[0019] Die Zuleitung des Schmelzstroms zur Elektrodenstange (12) erfolgt über die Hochstromleitung (28), die mit einem Pol der Schmelzstromversorgung (26, 27) über die Hochstromschalter (26a, 27a) verbunden ist. Die Rückleitung des Schmelzstroms (29) kann, wie hier dargestellt, vom Flansch der Kokille (2) zum zweiten Pol der Schmelzstromversorgung (26, 27) erfolgen, kann aber auch vom Boden des Kupfertiegels (2) oder auch von der Ofenhaube (10) erfolgen.

[0020] Um die Anlage als Vakuumlichtbogenofen mit Lichtbogenheizung (5) betreiben zu können, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

Schieber (19) und (23) sind geschlossen und Vakuum-Schieber (17) geöffnet

Vakuumpumpen (16) in Betrieb

Schutzgaszufuhr abgestellt, Dosierventil (25) geschlossen

Gleichstromversorgung (26) in Betrieb, Hochstromschalter (26a) geschlossen und Hochstromschalter (27a) unterbrochen [0021] Wird die Anlage im ESU-Modus betrieben mit Abschmelzen der Elektrode (9) in einem Schlackenbad (4), so müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

Vakuumschieber (17) geschlossen und Schieber (19) sowie Schieber (23) und Dosierventil (25) geöffnet

Vakuumpumpen (16) außer Betrieb, Ventilator (21) und Schutzgaszufuhr (24) in Betrieb

Wechselstromversorgung (27) in Betrieb, Hochstromschalter (27a) geschlossen und Hochstromschalter (26a) unterbrochen 3/5

Claims (6)

1. österreichisches Patentamt AT 512 471 B1 2014-02-15 Patentansprüche 1. Anlage zum Umschmelzen selbstverzehrender Elektroden (9) zu Blöcken (3) in einer wassergekühlten Kokille (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage alternativ sowohl zum Vakuumlichtbogen-Umschmelzen als auch zum Elektroschlacke-Umschmelzen verwendet werden kann, wobei sowohl Schmelzstromversorgung als auch Vakuum- bzw. Schutzgassystem und die Prozesssteuerung so geschaltet werden, dass sie an die Erfordernisse des jeweils angewandten Prozesses angepasst sind.
2. 2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochstromkreis der Anlage umschaltbar sowohl an eine Gleichstromversorgung (26) als auch eine Wechselstromversorgung (27) mit einer Wechselstromfrequenz von unter 100 Hertz verbindbar ist.
3. 3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmelzstromversorgung eine einzige sowohl für Gleichstrombetrieb als auch für Wechselstrombetrieb bis max. 20 Hertz geeignete Thyristor-Umrichteranlage verwendet wird.
4. 4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage über ein für den Vakuumlichtbogenprozess ausreichendes Vakuumsystem (16) verfügt, dessen Verbindungsleitung (15) zum Schmelzbereich durch einen vakuumdichten Schieber (17) unterbrochen werden kann.
5. 5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage über einen oder mehrere Behälter (31) mit Dosiereinrichtung (32) zur Zugabe von Schlacke und/oder Desoxidationsmitteln verfügt und die Zuleitung (22) zum Schmelzbereich durch einen vakuumdichten Schieber (23) unterbrochen werden kann.
6. 6. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Anlagenbereich vor dem Schieber (17) zum Vakuumsystem (16) eine mit einem vakuumdichten Schieber (19) angebrachte Leitung (18) eingebaut ist, von dem aus ein Anschluss an eine Rauchgasabsaugung (21) mit Filter (20) herstellbar ist. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 4/5