DE102015117661A1

DE102015117661A1 - Elektroschlacke-Umschmelzanlage

Info

Publication number: DE102015117661A1
Application number: DE102015117661.0A
Authority: DE
Inventors: Henrik Franz; Harald Scholz; Ulrich Biebricher; Thomas Kilzer
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2017-02-02
Also published as: US20180207719A1; RU2689832C1; JP2018522739A; WO2017016549A1; SI3328576T1; EP3328576A1; CN108136493A; EP3328576B1

Abstract

Um bei einer Elektroschlacke-Umschmelzanlage die Abschmelzrate ohne eine Vergrößerung der Querschnittsfläche (12) der Abschmelzelektrode (4) zu erhöhen, wird vorgeschlagen, diese schräg in die Kokille (1) der Elektroschlacke-Umschmelzanlage einzuführen, so dass die für die Abschmelzrate bedeutsame Abschmelzfläche (13) gegenüber der Querschnittsfläche (12) vergrößert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektroschlacke-Umschmelzanlage mit einer oben offenen Kokille und mindestens einer Abschmelzelektrode, die in die Kokille hineinragt.
Eine derartige Anlage ist z. B. in der DE 108 39 432 C2 beschrieben.
Zur Erzeugung eines Ingots (Blocks) aus einem von Kontaminationen befreiten Metall wird das Ende der Abschmelzelektrode abgeschmolzen, das in die Kokille hineinragt. Das geschmolzene Metall fällt durch eine flüssige Schlacke oberhalb einer Schmelze in der Kokille, wobei durch eine chemische Reaktion des Metalls mit der Schlacke diesen Kontaminationen wie Schwefel und andere nichtmetallische Elemente entnommen werden. Einschlüsse in der Elektrode werden somit in die Schlacke überführt und gelangen nicht in den Block.
Die notwendige Temperatur zum Abschmelzen der Abschmelzelektrode wird durch einen elektrischen Strom mit hoher elektrischer Stromstärke erzeugt, der durch die Abschmelzelektrode die Schlacke und die Schmelze fließt. Dabei stellt die Schlacke einen elektrischen Widerstand dar, der sich auf Grund des Stromdurchganges erhitzt. Dabei wird die Schlacke verflüssigt und erhitzt. Die beiden elektrischen Pole der Schlacke bilden einerseits der sich aufbauende Block in der Kokille und andererseits die Elektrode. Auf Grund der Wärmeentwicklung in der Schlacke schmilzt die Elektrode an der Trennfläche zur Schlacke ab.
Je höher die Temperatur der Schlacke ist, desto höher ist die Abschmelzrate der Elektrode. Der Höhe der Schlackentemperatur sind aber Grenzen gesetzt. Daher kann nur über eine Erhöhung der Querschnittsfläche bei konstanter Schlackenbadtemperatur die Schmelzrate erhöht werden.
Bei der bekannten Ausführung einer solchen Anlage ist die Abschmelzelektrode ein stangenförmiges Gebilde mit einem runden oder rechteckigen Querschnitt, deren Achse vertikal ausgerichtet ist. Die Schmelzrate hängt dabei von der auf eine Ebene senkrecht zur Elektrodenachse bezogenen Querschnittsfläche ab. Um höhere Schmelzraten zu erzielen, sind bisher der Durchmesser der Kokille und die der Elektrode erhöht worden. Der Durchmesser der Kokille bestimmt aber auch die Größen der Blöcke, die aus der erstarrten Schmelze hergestellt werden. Um auch bei kleinen Blockgrößen eine genügend hohe Schmelzrate zu erzielen, werden sogenannte T-Kokillen (Trichter) eingesetzt. In den oberen, trichterförmig vergrößerten Abschnitten der Kokille taucht die Abschmelzelektrode ein, deren Querschnitt größer ist als der Querschnitt des unteren, kleineren Abschnitts der T-Kokille, der den Block aufnimmt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Elektroschlacke-Umschmelzanlage zu schaffen, die trotz eines geringen gegebenen Abschmelzelektrodenquerschnitts eine erhöhte Schmelzrate aufweist.
Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass die Abschmelzelektrode schräg zu einer Vertikalen ausgerichtet ist.
Die effektive Abschmelzfläche entspricht daher nicht mehr der Querschnittsfläche, bezogen auf eine Ebene senkrecht zur Achse der Elektrode, sondern bezogen auf eine horizontale Ebene. Die effektive Abschmelzfläche erhöht sich damit um den Kehrwert des Kosinus des Winkels zwischen der Vertikalen und der Achse der schräg gestellten Abschmelzelektrode.
Neben der Erhöhung der Abschmelzfläche besitzt diese Anordnung auch noch weitere Vorteile.
Um größere Abschmelzflächen zu erhalten, wurden bisher mehrere Elektroden zusammengeschweißt, um eine dickere Elektrode zu erhalten. Dieser Verfahrensschritt ist nun nicht mehr notwendig.
Da die Elektrode schräg angeordnet ist, wird die Bauhöhe der Anlage verringert bzw. es können bei gleich bleibender Bauhöhe längere Abschmelzelektroden eingesetzt werden.
Die schräge Anordnung ermöglicht es, eine oder mehrere Elektroden ortsnah der späteren Abschmelzposition vorzuhalten, um somit die Zeitverzögerung beim Wechsel von Elektroden zu minimieren.
Vorzugsweise beträgt der Winkel zwischen der Achse der Abschmelzelektrode und der Vertikalen zwischen 20 und 60°, insbesondere liegt er bei 45°.
Mit dem Abbrand der Elektrode muss diese nachgeführt werden. Dazu sieht die Erfindung vor, dass die Abschmelzelektrode in einer Nachführung gehalten ist, die so ausgebildet ist, dass die Abschmelzelektrode entlang ihrer schräg gestellten Achse verschiebbar ist.
Eine solche Nachführung kann z. B. eine Rollenlagerung aufweisen. Damit kann das Gewicht der Abschmelzelektrode auf mehrere Rollen verteilt werden.
Wie auch schon bei den Anlagen nach dem Stand der Technik, können auch hier wenigstens zwei Abschmelzelektroden vorgesehen werden, die mit je einer Nachführung versehen sind. Dies erlaubt einen schnellen Wechsel von Elektroden. Eine Elektrode befindet sich im Abbrand, während die andere in ihrem Verschiebesystem vorbereitet wird und in eine Position oberhalb der Kokille verschoben wird, sobald die vorhergehende verbraucht ist.
Wie oben angedeutet, wird die Kokille gekühlt, so dass die Schmelze in ihrem unteren Bereich erstarrt und als Strang aus dem offenen Boden der Kokille abgeführt werden kann. Dazu ist eine Einrichtung vorgesehen, die in ihrem unteren Abschnitt zu einem Strang erstarrte Schmelze durch den Boden der Kokille abzieht.
Sollen auf diese Weise klein dimensionierte Blöcke entstehen, so kann weiterhin eine Trennvorrichtung vorgesehen werden, die so ausgebildet ist, dass sie das auf dem Boden der Kokille austretende Endstück des Strangs abzutrennen vermag. Weiterhin kann eine Ablenkvorrichtung vorgesehen werden, die die abgetrennten Endstücke seitlich zur Kokille z. B. auf ein Transportband in ein Magazin oder Lager ableitet.
Im Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen:
1 eine Seitenansicht der Anordnung und
2 eine Draufsicht.
Die erfindungsgemäße Anlage besteht aus einer Kokille 1, die aus einem Tubus 2 gleich bleibenden Querschnitts und einem sich nach oben anschließenden Trichter 3 besteht. In diesen taucht eine Abschmelzelektrode 4 ein, deren Achse 5 schräg zu einer Vertikalen 6, die gleichzeitig die Achse des Tubus 2 bildet, angeordnet ist. Die Abschmelzelektrode 4 ist auf Rollen 7, die eine schräge Ebene bilden, gelagert. Die Abschmelzelektrode 4 wird von einer Nachführung 8 gehalten, mit deren Hilfe sie entsprechend des Abbrandes in den Trichter 3 der Kokille 1 nachgeführt werden kann.
In dem Tubus 2 befindet sich die sich bildende Schmelze, die aufgrund einer hier nicht dargestellten Kühlung im unteren Bereich zu einem Strang 10 erstarrt, der durch eine hier nicht dargestellte Einrichtung nach unten abgezogen wird und ggf. durch eine ebenfalls nicht dargestellte Trennvorrichtung in einzelne Blöcke geteilt wird. Diese werden durch eine Umlenkeinrichtung, die ebenfalls nicht näher dargestellt ist, seitlich über ein Mittel, z. B. ein Transportband, in ein Magazin oder Lager (nicht dargestellt) abgeleitet.
Oberhalb der Schmelze 9 befindet sich innerhalb des Trichters 3 eine Schlackenschicht 11, die von der Abschmelzelektrode 4 berührt wird.
Die Höhe der Abschmelzrate wird von der Größe der Abschmelzfläche 13, das ist die Schlackenschicht 11 berührende Endfläche der Elektrode 4, bestimmt. Da die Abschmelzelektrode 4 schräg gestellt ist, vergrößert sich die Abschmelzfläche 13 gegenüber der Querschnittsfläche 12 der Abschmelzelektrode 4, um einen Betrag, der von der Größe des Winkels α zwischen der Achse 5 der Abschmelzelektrode 4 und der Vertikalen 6 bestimmt wird. Bei einem Winkel von 45° erhöht sich die Endfläche 13 um ca. 40% gegenüber der Querschnittsfläche 12.
Um einen schrägen Einlauf der Abschmelzelektrode 4 zu ermöglichen, besitzt der Trichter 3 auf der Seite der Abschmelzelektrode 4 eine schräge Einlaufkante 14.
Die Energie zum Abschmelzen der Elektrode 4 wird durch eine hier nicht dargestellte Stromversorgung erreicht. Die Abschmelzelektrode 4, die Schlackenschicht 11 sowie die Schmelze 9 bzw. der Strang 10 bilden Teile eines Stromkreislaufes, wobei die Schlackenschicht 11 den größten Widerstand darstellt, so dass dort die meiste Energie aufgenommen wird.
Bezugszeichenliste

1: Kokille
2: Tubus
3: Trichter
4: Abschmelzelektrode
5: Achse
6: Vertikale
7: Rollen
8: Nachführung
9: Schmelze
10: Strang
11: Schlackenschicht
12: Querschnittsfläche
13: Endfläche
14: Einlaufkante

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10839432 C2 [0002]

Claims

Elektroschlacke-Umschmelzanlage mit einer oben offenen Kokille (1) und mindestens einer Abschmelzelektrode (4), die in die Kokille (1) hineinragt, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschmelzelektrode (4) schräg zu einer Vertikalen (6) ausgerichtet ist.
Elektroschlacke-Umschmelzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der Achse (5) der Abschmelzelektrode (4) und der Vertikalen (6) zwischen 20° und 60°, vorzugsweise bei 45° liegt.
Elektroschlacke-Umschmelzanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschmelzelektrode (4) in einer Nachführung (8) gehalten ist, die so ausgebildet ist, dass die Abschmelzelektrode (4) entlang ihrer schräg gestellten Achse (5) verschiebbar ist.
Elektroschlacke-Umschmelzanlage nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Kokille (1) wenigstens zwei Abschmelzelektroden (4) mit je einer Nachführung (8) vorgesehen sind.
Elektroschlacke-Umschmelzanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführungen (8) mit den Abschmelzelektroden (4) mittels eines Verschiebesystems wechselweise über die Kokille (1) verfahrbar sind.
Elektroschlacke-Umschmelzanlage nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille (1) gekühlt ist und eine Einrichtung aufweist, um die in ihrem unteren Abschnitt zu einem Strang erstarrte Schmelze (9) durch den Boden der Kokille (1) abzuziehen.
Elektroschlacke-Umschmelzanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennvorrichtung vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, dass sie das aus dem Boden der Kokille (1) austretende Endstück des Strangs abzutrennen vermag.
Elektroschlacke-Umschmelzanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ablenkvorrichtung für die abgetrennten Endstücke vorgesehen ist, die die diese seitlich zur Kokille (1) ableitet.