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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Elektroschlacke-Umschmelzen von Metallen,
insbesondere von Eisen- und Nickelbasislegierungen zur Herstellung
von Umschmelzblöcken
aus einer oder mehreren Abschmelzelektroden in einer kurzen, wassergekühlten Gleitkokille
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Zudem erfasst die Erfindung
eine gegenüber
dem Stand der Technik verbesserte Kokille zur Durchführung dieses
Verfahrens.
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Bei
den heute in Betrieb stehenden Elektroschlacke-Umschmelzanlagen
werden für
die Formung und Herstellung der Umschmelzblöcke wassergekühlte Kokillen
verwendet, deren den Block formende und das Schlackenbad haltende
Giessformwand im allgemeinen aus Kupfer besteht, da dieses Material,
wie auch vom Stranggiessen her bekannt, am besten geeignet ist,
die bei der Erstarrung von Metallen frei werdenden Wärmemengen
rasch und effizient in das Kühlwasser
abzuführen.
Während beim
Stranggiessen ausschließlich
kurze Kokillen zum Einsatz kommen, aus welchen der erstarrende Strang
nach Bildung einer ersten tragfähigen
Strangschale mehr oder minder kontinuierlich abgezogen wird, ist
beim Elektroschlacke-Umschmelzen nach dem Stande der Technik sowohl
die Verwendung so genannter Standkokillen als auch die Verwendung kurzer
Gleitkokillen üblich.
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Bei
Standkokillen entspricht die Länge
der Kokille der Länge
des herzustellenden Blockes. Die Kokille wird hier im Laufe des
Umschmelzvorgangs durch Abschmelzen der selbst verzehrenden Elektrode
in dem auf dem Metallspiegel schwimmenden Schlackenbad sukzessive
mit umgeschmolzenem Metall gefüllt,
wobei es zu keiner Relativbewegung zwischen Kokille – respektive
Kokillenwand – und Umschmelzblock
kommt.
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Beim
Einsatz von Gleitkokillen werden Umschmelzblöcke hergestellt, deren Länge die
Länge der
Kokille um ein Vielfaches übersteigt.
Die kurze, wassergekühlte
Kokille dient hier als Schmelz- und Giessform, in welcher sich das
heiße
Schlackenbad befindet und in welcher das von der Elektrode abschmelzende
Metall gesammelt wird sowie in weiterer Folge zum Umschmelzblock
erstarrt. Die Kokille wird daher für die Durchführung des
Umschmelzprozesses lediglich im Bereich des Schlackenbades und im
Bereich der Blockerstarrung benötigt.
Ist der Umschmelzblock einmal erstarrt, so erfüllt die Giessform keinen Zweck
mehr. Damit ist es möglich,
die Länge der
Kokille auf diesen oben beschriebenen Bereich zu beschränken und
den während
des Abschmelzvorgangs sich bildenden Block beispielsweise aus der
Kokille mit einer mittleren Geschwindigkeit abzuziehen, die der
Geschwindigkeit des Blockaufbaus entspricht. Dies führt zu einer
Relativbewegung zwischen dem gebildeten Block sowie der Kokillenwand und
hat zur Folge, dass der Meniskus des Metallspiegels und das darauf
ruhende Schlackenbad – außer in der
Anfahrphase – während des
gesamten Blockaufbaus im Wesentlichen auf einem konstanten Niveau
innerhalb der Kokille verbleiben. Anstatt, wie oben beschrieben,
den sich bildenden Block aus einer in eine Arbeitsbühne eingebauten
Kokille abzuziehen, ist es auch möglich, den Umschmelzblock auf einer
feststehenden Bodenplatte aufzubauen und die kurze Kokille mittels
einer geeigneten Vorrichtung mit einer der Blockaufbaugeschwindigkeit
entsprechenden Geschwindigkeit nach oben abzuziehen.
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Wie
allgemein bekannt, ist der Verbrauch an elektrischer Schmelzenergie
beim Elektroschlacke-Umschmelzen im Vergleich zu anderen, ebenfalls
mit elektrischer Energie arbeitenden Schmelzprozessen, wie beispielsweise
beim Schrottschmelzen im Elektrolichtbogenofen oder einem Induktionstiegelofen,
relativ hoch, da beim Elektroschlacke-Umschmelzen primär die Abschmelzrate
kontrolliert wird, um eine einwandfreie Erstarrungsstruktur der
Umschmelzblöcke
sicherzustellen. Eine Energieeinsparung durch Erhöhung der
Abschmelzrate ist daher nicht möglich,
wobei der direkte Kontakt des als Wärmequelle dienenden, durch
den Stromdurchgang hoch erhitzten Schlackenbades mit der wassergekühlten Kokillenwand
noch einen erheblichen zusätzlichen
negativen Einfluss hat.
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Um
Eisen- oder Nickelbasislegierungen von Umgebungstemperatur einzuschmelzen
und auf etwa 1600°C
aufzuheizen, ist ein theoretischer Energiebedarf von etwa 400 kWh/t
erforderlich. Erfolgt das Schmelzen und Überhitzen in einem Elektrolichtbogen-
oder Induktionsofen mit ausschließlich elektrischer Energie,
so ist auf Grund der prozessbedingten Wärmeverluste mit einem Energieverbrauch
von 500 bis 700 kWh/t zu rechnen. Im Gegensatz dazu beträgt der Energieverbrauch
bei der Herstellung eines Umschmelzblocks mit beispielsweise 1000
mm Durchmesser bei einer Umschmelzrate von 1000 kg/h je nach verwendeter
Schlacke und Höhe
des Schlackenbades zwischen 1000 und 1800 kWh/t. Dies ist darauf
zurückzuführen, dass
der Wärmefluss von
der heißen
Schlacke über
die wassergekühlte Kokillenwand
in das Kühlwasser
je nach Schlackenzusammensetzung zwischen 1000 und 2000 kW/m2 beträgt.
Bei den am häufigsten
verwendeten Schlacken mit je 1/3 CaO, CaF2 und
Al2O3 muss mit etwa 1100
kW/m2 gerechnet werden. Beim Umschmelzen in
einer Kokille mit 1000 mm Durchmesser und einer Schlackenbadhöhe von etwa
200 mm muss somit mit einem Energieverlust in der Schlackenzone
von etwa 630 kW gerechnet werden, was bei einer Umschmelzrate von
1000 kg/h einem Energieverbrauch von etwa 630 kWh/t entspricht.
Bezogen auf einen Gesamtenergieverbrauch beim Umschmelzen mit der
o.a. Schlacke von etwa 1300 kWh/t entspricht dies einem Prozentsatz
von knapp 50%. Bei Schlacken mit höheren Gehalten an CaF2 kann dieser Anteil aber noch deutlich höher werden.
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Aus
den oben geschilderten Gründen
wäre es
daher nahe liegend, die Kokille im Bereich des Schlackenbades gegen
Wärmeverluste
zu isolieren, um so den Schmelzenergieverbrauch zu senken. Nach
der
österreichischen Patentschrift
287215 hat es bereits 1968 einen entsprechenden Vorschlag
gegeben, wonach beim Elektroschlacke-Umschmelzen durch Steuerung
der Lage des Spiegels der Metallschmelze in der Kokille die gesamte
auf der Metallschmelze schwimmende Schlacke als flüssige Schlackenschicht
in einer wärmeisolierten
Zone der Kokille angesammelt wird; die Temperatur der flüssigen Schlackenschicht
wird dabei durch die Wärmeisolierung über oder
mindestens auf der Schmelztemperatur des Metalls gehalten. Das in
der Kokille angesammelte flüssige
Metall reicht demnach bis in den Bereich der Wärmeisolierung hinein, und die
Trennlinie zwischen dem isolierten sowie dem wassergekühlten Kokillenteil
befindet sich unterhalb des Metallspiegels.
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Diese
dem derzeitigen Stand der Technik entsprechende Anordnung hat den
Nachteil, dass der Beginn der Erstarrung nicht ausreichend definiert ist
und so erhebliche Schwierigkeiten bei der betrieblichen Anwendung
auftreten können.
So ist es möglich,
dass bei entsprechender Überhitzung
des Metalls dieses in den Spalt zwischen isoliertem und wassergekühltem Teil
der Kokille eindringt und dort im Kontakt mit dem wassergekühlten unteren
Teil erstarrt sowie eine Metallfahne bildet, die im Spalt hängen bleibt.
Je nach Stärke
der Fahne kann nun der Block überhaupt
in der Kokille hängen
bleiben und ein Blockabzug unmöglich
werden, womit der Umschmelzprozess beendet wäre. Ist die Fahne von geringer
Stärke
und nicht über
den gesamten Blockumfang ausgebildet, so werden sich Risse in der
erstarrenden Schale bilden, die zumindest eine Weiterverarbeitung
des Blockes erschweren. Bilden sich tiefere Risse, so kann es zum
Auslaufen von flüssigem Metall
und der Schlacke kommen, womit der Umschmelzprozess wieder beendet
wäre. Diese
Probleme des Übergangs
von einem isolierten Behälter
zu einer wassergekühlten
Erstarrungsform im Kontakt mit flüssigem bzw. letztendlich erstarrendem
Metall sind vom Horizontalen Stranggiessen her bekannt. Dort wird
das Problem dadurch gelöst,
dass an der Übergangsstelle
Isolierung – Wasserkühlung ein
so genannter Brechring aus Bornitrid eingebaut wird, der auf Grund
seiner spezifischen Eigenschaften in Bezug auf Wärmeleitfähigkeit, Benetzbarkeit durch das
flüssige
Metall etc. ein Fortschreiten der Erstarrung über die Grenzlinie Isolierung – Wasserkühlung verhindert
und ein leichtes Ablösen
der erstarrten Strangschale ermöglicht.
Bornitrid ist allerdings ein teueres, aufwändig herzustellendes sowie
nur in relativ kleinen Abmessungen bis zu üblichen Stanggussdimensionen
im Bereich bis etwa 200 mm Durchmesser erhältliches Material und kommt
damit für
die für das
Elektroschlacke-Umschmelzen interessanten Abmessungen von 500 mm
Durchmesser und erheblich darüber
nicht in Betracht. Aus allen diesen Gründen hat das oben geschilderte,
dem Stand der Technik entsprechende Verfahren trotz der offensichtlichen
wirtschaftlichen Vorteile bis heute keine praktische Anwendung gefunden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, beim Elektroschlacke-Umschmelzen einerseits
den wirtschaftlichen Vorteil einer thermischen Isolierung im Bereich
des Schlackenbades zu nutzen, dabei aber die oben beschriebenen
Probleme zu vermeiden, so dass eine technische Anwendung in sinnvoller
Weise möglich
wird.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe führt
die Lehre des unabhängigen
Anspruches; die Unteransprüche geben
günstige
Weiterbildungen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle
Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung
und/oder den Ansprüchen
offenbarten Merkmale. Bei angegebenen Benennungsbereichen sollen auch
innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart
und beliebig einsetzbar sein.
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Erfindungsgemäß wird die
Lösung
dieser Aufgabe unter Verwendung einer an sich bekannten kurzen,
zweiteiligen Gleitkokille, deren unterer, den Giessquerschnitt formender
Teil in üblicher
Weise wassergekühlt
und deren oberer Teil gegen Wärmeabfuhr
ganz oder teilweise isoliert ist, dadurch erreicht, dass außer in der
Anfahrphase während
des regulären
Blockaufbaus der Metallspiegel durch eine entsprechende Steuerung
der Relativbewegung zwischen Kokille und Umschmelzblock immer so
im unteren, wassergekühlten
Teil der Kokille – also
unterhalb der Trennungslinie zwischen wassergekühltem und isoliertem Teil derselben – gehalten
wird, dass der Abstand zwischen der Oberfläche des Metallspiegels einerseits
und der durch die Trennungslinie zwischen gekühltem und isoliertem Teil bestimmten Ebene
andererseits 5 mm, höchstens
jedoch 100 mm, beträgt
und dass das auf dem Metallspiegel schwimmende Schlackenbad sich
zumindest zu 75 seiner Höhe
im Bereich des isolierten Teils befindet.
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Die
Relativbewegung kann dabei in an sich bekannter Weise entweder schrittweise
oder kontinuierlich sein; bei schrittweiser Bewegung sollte der
von einer Pause gefolgte Bewegungsschritt zumindest der doppelten
Blockaufbaugeschwindigkeit entsprechen. Grundsätzlich kann an jeden derartigen
Bewegungsschritt ein Schritt in die entgegengesetzte Richtung anschließen, dessen
Schrittlänge
maximal 30% der Länge
des ursprünglichen
Bewegungsschrittes ausmacht. Einer allfälligen kontinuierlichen Abzugsbewegung
kann auch eine oszillierende Bewegung überlagert werden.
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Für die Herstellung
einer die Wärmeabfuhr behindernden
Schicht wurde in der erwähnten
AT 287215 eine Auskleidung
mit einer wärmeisolierenden,
vorzugsweise keramischen Schicht – beispielsweise Porzellan – vorgeschlagen.
Das Problem mit diesem Werkstoff, aber auch mit anderen keramischen
Werkstoffen, besteht darin, dass diese in der überhitzten reaktionsfähigen Schlacke
löslich
sind und somit von dieser innerhalb nur kurzer Zeit aufgezehrt würden.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in ihrer einzigen Figur
einen schematisierten Querschnitt durch eine mehrteilige Kokilleneinheit
mit einer gegenüber
dem Stand der Technik verbesserten Kokille, die für die Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
besonders geeignet ist.
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Ein
unterer Sockelteil einer Gleitkokille als mehrteiliger Kokilleneinheit 10 stellt
eine wassergekühlte
Erstarrungs- oder
Giessform 12 dar, deren Innenwand vorzugsweise aus einem
Einsatz 14 aus Kupfer besteht; dieser ist in einen in der
Zeichnung nicht gesondert dargestellten Wassermantel oder Wasserkasten
eingebaut. In diesem Einsatz 14 wird von darüber in der
Kokillenlängsachse
A angeordneten Abschmelzelektroden 2 abtropfendes Metall
in einem Metallsumpf 4 gesammelt und erstarrt zu einem Umschmelzblock 6.
Der Metallspiegel 5 des Metallsumpfs 4 wird von
einem Schlackenbad 8 überlagert.
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Der
Umschmelzblock 6 wird durch eine hier nur angedeutete absenkbare
Bodenplatte 16 so aus der Giessform 12 abgezogen,
dass der Metallspiegel 5 immer unter einer oberen, wassergekühlten Flanschfläche 18 der
Giessform 12 bleibt; oberhalb deren befindet sich ein oberer
Kokillenteil 20, der mehrteilig aufgebaut ist und eine
wassergekühlte Stützkonstruktion 22 in
Form eines Rohrrings rechteckigen Querschnitts sowie einen ebenfalls
ringförmigen
Einsatz 24 umfasst. Dessen vorzugsweise aus Grafit oder
einem hochschmelzenden Metall – wie beispielsweise
Wolfram oder Molybdän – bestehende innere
Schicht 26 steht mit dem Schlackenbad 8 der Höhe h in
Kontakt. Die innere Schicht 26 rechteckigen Radialschnitts
weist einen Innendurchmesser auf, der etwa dem inneren Durchmesser
d der Giessform 12 entspricht.
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Zwischen
der inneren Schicht 26 und der Stützkonstruktion 22 ist
eine Zwischenschicht 28 ebenfalls rechteckigen Radialschnitts
angeordnet, welche die Funktion der Wärmeisolierung übernimmt.
Diese Zwischenschicht 28 besteht vorzugsweise aus einem
gegen Temperaturwechsel beständigen,
wärmeisolierenden,
feuerfesten, keramischen Werkstoff, beispielsweise aus einer hochtemperaturbeständigen keramischen
Fasermatte, aus Feuerleichtsteinen oder einem anderen keramischen
hochtemperaturbeständigen
Material wie Stampfmassen oder Granalien.
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Grundsätzlich kann
die Stützkonstruktion 22 des
oberen, wärmeisolierenden
Kokillenteils 20 auch als Verlängerung des Wassermantels des
unteren Kokillenteils 12 ausgebildet sein, in den dann
die innere Schicht 26 sowie die Zwischenschicht 28 eingebaut
werden. Des Weiteren kann der aus der Stützkonstruktion 22,
der inneren Schicht 26 sowie der Zwischenschicht 28 bestehende
obere Kokillenteil 20 – falls
erforderlich – durch
einen ebenfalls wassergekühlten
Deckring 30 hier in Form eines Rohrringes liegenden rechteckigen
Radialschnitts niedergehalten werden, zu welchem Zweck der Deckring 30 durch
hier nicht dargestellte Elemente mit dem Wassermantel des unteren,
wassergekühlten
Kokillenteils 12 zusammengespannt werden kann.
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Statt
durch einen Blockabzug aus der Kokille 12 kann der Umschmelzblock 6 auch
auf einer feststehenden Bodenplatte aufgebaut werden. In diesem Fall
ist es erforderlich, die Kokilleneinheit 10 entsprechend
der Blockaufbaugeschwindigkeit – in
analoger Weise, wie oben für
den Blockabzug ge schildert – entweder
schrittweise oder kontinuierlich anzuheben, was in 1 durch
einen in Klammern gesetzten, nach oben gerichteten Pfeil angedeutet
wird.
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In
einer besonderen Ausführungsform
der Kokilleneinheit 10 kann – wie hier dargestellt – der mit dem
Schlackenbad 8 in Kontakt stehende Einsatz 24 des
oberen Kokillenteils 20 über eine entsprechende Hochstromleitung 32 mit
einer Rückleitung 34 des Schmelzstroms
zur Schmelzstromversorgung 35 verbunden sein, so dass sich
der Einsatz 24 auf dem selben Potential wie die Bodenplatte 16 befindet.
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Es
besteht aber auch die – hier
nicht dargestellte – Möglichkeit,
den Einsatz 24 des oberen Kokillenteils 20 mit
der Hochstrom-Zuleitung 36 zur Abschmelzelektrode 2 zu
verbinden, wenn zwischen dem wassergekühlten unteren Kokillenteil 12 und
zumindest der inneren Schicht 26 und, falls erforderlich, der
Stützkonstruktion 22 des
oberen Kokillenteils 20 eine den elektrischen Strom nicht
leitende, hier ebenfalls nicht dargestellte Zwischenschicht aus
beispielsweise hochschmelzendem keramischem Material eingebaut wird.
In diesem Fall befindet sich die innere Schicht 26 des
oberen Kokillenteils auf dem Potential der Abschmelzelektrode 2.