DD251517A5 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von bloecken - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von metallischen Bloecken, mit dem Ziel eine kostenguenstige Herstellung mit hohen Qualitaetsparametern zu ermoeglichen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung metallischer Bloecke zu schaffen, die es erlauben auch mit Sicherheit Versatzfehlergroessen um 1 mm zu vermeiden, wobei gleichzeitig kein erhoehter oder kein wesentlich erhoehter Aufwand sowohl von der Energieseite als auch fuer die Vorrichtung erforderlich sein soll. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass der Kokille in ihrem oberen Bereich und damit dem erstarrenden Block unterhalb des Aufsatzes verzoegert Waerme, insbesondere Erstarrungswaerme abgefuehrt und/oder abgeleitet wird, wobei vorzugsweise der untere Teil der Kokille, insbesondere die Bodenplatte gekuehlt, vorzugsweise fluidgekuehlt wird, waehrend dem erstarrenden Block Waerme und gegebenenfalls Metallschmelze ueber die Elektrode zugefuehrt wird. Figur

Description

Hferzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

DTe Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Vorrichtung zur Herstellung von metallischen Blöcken, wobei eine metallische Schmelze, z. B. Stahlschmelze in eine ein- oder mehrteilige Kokille mit Aufsatz eingebracht wird, worauf unter Wärmezufuhr der Bfbck erstarren gelassen wird.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

DieJErzeugung 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 Schmelzbehandlung in den letzten Jahren durch den Einsatz moderner Pfannenmetallurgieanlagen großer Fortschritte erzielt haben, bleibt die Erstarrung im konventionellen Blockguß nach wie vor am wenigsten zu beeinflussende Glied in der Erzeugungskette.

Typische Fehlerscheinungen 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 Anreicherung en von C, Sund P, schließlich die A- oder λ-Seigerungen mit An reicherungen von S und P. Über das Entstehen dieser Seigerungen gibt es zur Zeit noch keine allgemein anerkannte Theorie.

Um nichtmetallische Einschlüsse aus dem Bodenkegel zu vermeiden, müssen bei schweren Blöcken 15% und mehr vom Blöckboden abgesetzt werden. Der Anteil des verlorenen Kopfes kann bei sehr schweren Blöcken 25 und mehr Prozente betragen.

Ethe Beeinflussung der Erstarrung ist nur in sehr beschränktem Ausmaß über Änderungen der Blockgeometrie oder des isolierenden Haubeneinsatzes möglich.

Es ist weiter ein Verfahren bekannt, bei dem in eine herkömmliche Schmieblockkokille ein wassergekühlter Ring eingesetzt und die Kokille mit Stahl gefüllt wird. Auf den Stahl kommt eine Schicht metallurgisch aktiver Schlacke, in die eine Elektrode eingetaucht wird. Durch Zufuhr elektrischer Energie wird das Schlackenbad so stark erhitzt, daß die Elektrode abschmilzt und während des Erstarrungsprozesses Schrumpfungshohlräume im Block ausgleicht. Durch erzielte Variation der Energiezufuhr kann auch die Erstarrung beeinflußt werden. Blöcke, die nach diesem Verfahren hergestellt werden, weisen keine negative Bödenseigerung 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 werden.

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

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von metallischen Blöcken zur Anwendung zu bringen, mit denen es möglich ist die technologisch bedingten Verluste zu beseitigen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Herstellen von metallischen Blöcken sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, die es erlauben auch mit Sicherheit Ersatzfehiergrößen um 1 mm zu vermeiden, wobei gleichzeitig kein erhöhter oder kein wesentlich erhöhter Aufwand sowohl von der Energieseite als auch für die Vorrichtungen erforderlich sein soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kokille in ihrem oberen Bereich und damit dem erstarrenden Block unterhalb des Aufsatzes verzögert Wärme, insbesondere Erstarrungswärme abgeführt und/oder abgeleitet wird, wobei vorzugsweise der untere Teil der Kokille insbesondere die Bodenplatte gekühlt, vorzugsweise fluidgekühlt wird, während dem erstarrenden Block Wärme und gegebenenfalls Metallschmelze über die Elektrode zugeführt 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 flaschenhalsartigen Verengungen der bereits erstarrten Schmelze eintreten, wodurch Steigerungen 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. Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird der Schlacke Wärme zugeführt mit einer Leistungsdichte von 0,4 bis 2,0, insbesondere 0,5 bis 2,0 kW/cm² und einer Stromdichte von 8 bis 2 A/cm² jeweils an der Elektrode. Damit läßt sich erreichen, daß in der Schlacke zwei sich überlagernde Kräfte auftreten, 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 damit abkühlt. Die vorteilhafte Schlackenbewegung, welche durch die bevorzugte größere Lorenzkraft bewirkt wird, verläuft etwa gegensinnig in den Block hinein gerichtet, und zwar sinkt die heiße Schlacke unterhalb der Elektrode bis zur Metalloberfläche, gibt ihre Wärme an den Metallspiegel ab und bewegt sich hierauf zum Rand des Aufsatzes, steigt dort entlang der Wand hoch, und die abgekühlte Schlacke bewegt sich an der Oberfläche des Schlackenspiegels wieder zur Elektrode. Dadurch entsteht ein Deckel aus erstarrter Sch lacke, welcher ebenfalls erwünscht ist, da eine thermische Isolierung erreicht wird. Mit einer derartigen Sch lacken bewegung wird auch ein flaschenartiges Einschnüren des Blockes beim Erstarren vermieden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von metallischen Blöcken mit einer Kokille, insbesondere mehrteiligen Kokille, die einen gegebenenfalls flüssigkeitsgekühlten, Aufsatz aufweist, in welchen eine insbesondere selbstverzehrende Elektrode ragt, die mit einem Pol einer Spannungsquelle verbunden ist, während eine weitere Elektrode und/oder der Bodenbereich, insbesondere die Bodenplatte der Kokille mit einem weiteren Pol der Spannungsquelle verbunden ist, besteht im wesentlichen darin, daß die Kokille in ihrem oberen Bereich unterhalb des Aufsatzes thermisch isolierend ist, insbesondere eine thermische Isolierung, vorzugsweise an der Außenwand der Kokille aufweist, die sich bevorzugt über ein Drittel der Höhe der Kokille ohne Aufsatz erstreckt und daß vorzugsweise die Bodenplatte kühlbar, insbesondere fluidkühlbar ist. Durch die thermische Isolierung der Kokille unterhalb ihres gekühlten Aufsatzes kann nun erreicht werden, daß der Block das erwünschte Erstarrungsverhalten aufweist, wobei durch eine fluidgekühlte Bodenplatte das bevorzugte Erstarren des Blockfußes noch weiter gefördert werden 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 werden, und zwar Zuführung von Wärme, verzögertes Abkühlen und bevorzugtes Abkühlen. Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung weist bei einer mehrteiligen Kokille im wesentlichen der gesamte obere Teil derselben eine thermische Isolierung auf.

Schließlich ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform bevorzugt und verstärkt die Effekte der unterschiedlichen Wärmeabfuhr, wenn die Kokille zu ihrem unteren, insbesondere der Bodenplatte zugeordneten Bereich hin eine höhere Wandstärke aufweist, als zu ihrem oberen Bereich hin. Die höhere Wandstärke im unteren Bereich bewirkt infolge der höheren Masse ein höheres Wärmeaufnahmevermögen, darüber hinaus ist die Kontaktfläche mit der Bodenplatte erhöht, während die geringere Wanddicke im oberen Bereich ein vermindertes Wärmeschluckvermögen bewirkt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die in der Zeichnung schematisch dargestellte Vorrichtung zur Herstellung von Stahlblöcken weist eine Bodenplatte 1 auf, die über Wasserzu-und-ableitungen 2; 3 mit Kühlwasser versorgt wird, eine Kühlung mit einem anderen Fluid z.B. Flüssigmetall, Gase oder 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 aufweist. Weiter ist ein wassergekühlter Aufsatz 9 vorgesehen, in welchen eine abschmelzende Elektrode 10 angeordnet ist. Sowohl die Bodenplatte 1 als auch die Elektrode 10 sind mit einer schematisch dargestellten Spannungsquelle 11 verbunden. Wie aus 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 sind 36t einer Schmelze folgender chemischer Zusammensetzung in Gew.-% C 0,27, S 0,001, P 0,003, Mn 0,40, Cr 1,32, Mo 0,44, Ni 2,64, V 0,05 und danach eine Elektrode mit einem Durchmesser von 300 mm eingebracht worden. Auf die Metallschmelze wird sodann eine flüssige, erschmolzende Schlacke aufgebracht, worauf der Aufsatz in die Schlacke eingetaucht wird, wobei ein Eintauchen desselben in die Metallschmelze vermieden wurde. Sodann wird eine Elektrode mit einem Durchmesser von 300 mm in die Schlacke eingetaucht. Der Schmelz wird sodann über die Elektrode im Laufe des Erstarrens im Zeitraum von 10 Stunden Wärme; anfänglich mit einer Leistungsdichte von 1,33 kW/cm² und einer Stromdichte von 12 Ampere/cm² an der Elektrode zugeführt.

Der Block war nach 16 Stunden vollkommen erstarrt, worauf sowohl die Kühlmittelzufuhr zur Bodenplatte als auch zum Aufsatz unterbrochen, 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 Beispiel 1 vorgegangen, jedoch hatte die Vorrichtung keine thermische Isolierung im oberen Drittel der Kokille. Der Block wies zwar keinen negativ geseigerten Bodenkegel mitteilweise groben nichtmetallischen Einschlüssen auf, besaß kaum Lambda- oder Schattenstreifen, und es waren keine V-Seigerungen und kaum Schwindungshohlräume vertreten, jedoch bei der Ultraschallprüfung konnten nichtmetallische Einschlüsse mit Ersatzfehlergrößen um 1 mm festgestellt werden.

Claims (2)

13 .Verfahren zur Herstellung von metallischen Blöcken, mit dem eine metallische Schmelze, z. B. Stahlschmelze, in eine ein- oder mehrteilige Kokille mit Aufsatz, insbesondere wassergekühlte Haube, vorzugsweise bis unterhalb des Aufsatzes eingebracht wird, worauf eine elektrisch leitende Schlacke, bevorzugt verflüssigte heiße Schlacke auf dem Metallspiegel aufgebracht, und über eine insbesondere selbst verzehrende Elektrode aus einer, gegebenenfalls der metallischen Schmelze im wesentlichen entsprechenden Zusammensetzung der Schmelze Wärme und gegebenenfalls weitere Schmelze zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kokille in ihrem oberen Bereich und damit dem erstarrenden Block unterhalb des Aufsatzes verzögert Wärme, insbesondere Erstarrungswärme abgeführt und/oder abgeleitet wird, wobei vorzugsweise der untere Teil der Kokille, insbesondere die Bodenplatte gekühlt, vorzugsweise fluidgekühlt wird, während dem erstarrenden Block Wärme und gegebenenfalls Metallschmelze über die Elektrode zugeführt wird.

22 Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß derflüssigen Schlacke Wärme mit einer Leistungsdichte von zumindest 0,4 bis 2,0 kW/cm² und Stromdichte 8 bis 25 A/cm² jeweils an der Elektrode eingebracht wird.

33. Vorrichtung, Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, mit einer Kokille, insbesondere mehrteiligen Kokille, die einen, gegebenenfalls flüssigkeitsgekühlten Aufsatz aufweist, in welchen eine, insbesondere selbstverzehrende Elektrode ragt, die mit einem Pol einer Spannungsquelle verbunden ist, während eine weitere Elektrode und/oder der Bodenbereich der Kokille, insbesondere die Bodenplatte mit einem weiteren Pol der Spannungsquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille, vorzugsweise in ihren oberen Bereich unterhalb des Aufsatzes (9) thermisch isolierend ist, insbesondere eine thermische Isolierung (8), vorzugsweise an der Aüßenwandung der Kokille aufweist, die sich bevorzugt über ein Drittel der Höhe der Kokille ohne Aufsatz erstreckt, und daß vorzugsweise die Bodenplatte (1) kühlbar, insbesondere flüssigkeitskühlbar ist.

44. Vorrichtung nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß bei einer mehrteiligen Kokille im wesentlichen der gesamte Teil (7) der Kokille eine thermische Isolierung (8) aufweist.

55 -Vorrichtung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Kokille in ihren unteren Bereich bzw. ihrem unteren Teil Teil (4) zugewandt, eine höhere Wandstärke aufweist als in ihrem oberen Bereich bzw. ihrem oberen Kokillenteil (7) zugewandt.