DE10208903B4 - Ofen zum Umschmelzen eines Titanblocks - Google Patents

Abstract

Ofen zum Umschmelzen eines Titanblocks in Gestalt einer selbstverzehrenden, in einem Schlackenbad (10) abschmelzenden Elektrode (9), mit einem wassergekühlten Tiegel (2) mit Bodenplatte (21) zur Aufnahme des erstarrten Umschmelzblocks (16), des flüssigen Metallsumpfs (11) und des flüssigen Schlackenbads (10), einer mit dem Tiegel (2) verbindbaren, den Raum (17, 22) oberhalb des Schlackenbads (10) von der umgebenden Atmosphäre isolierenden Haube (5), einer in vertikaler Richtung verfahrbaren Elektrodenstange (8) mit einem Spannkopf (8) zur Halterung des Titanblocks (9) und einem im Bereich der Bodenplatte (21) vorgesehenen, mit einer Gasquelle (20) verbindbaren Einlaß (19) für die Einleitung von Helium, Argon oder Stickstoff in den Spalt (18) zwischen der Innenwand des Tiegels (2) und dem erstarrten Umschmelzblock (16) und einer Ventileinheit (23) zur Regelung eines definiert eingestellten Drucks im Spalt (18).

Description

• Die Erfindung betrifft einen Ofen zum Umschmelzen eines Titanblocks in Gestalt einer selbstverzehrenden, in einem heißen Schlackenbad abschmelzenden Elektrode mit einem wassergekühlten Tiegel mit Bodenplatte zur Aufnahme des erstarrten Umschmelzblocks, des flüssigen Metallsumpfs und des flüssigen Schlackebads, einer mit dem Tiegel verbindbaren den Raum oberhalb des Schlackenbades von der umgebenden Atmosphäre isolierenden Haube und einer in vertikaler Richtung verfahrbaren Elektrodenstange mit Spannkopf zur Halterung des Titanblocks.
• Um Reaktionen der geschmolzenen Metalle mit der Atmosphäre zu verhindern, hat man bereits seit längerem versucht, besonders hochreaktive Metalle wie beispielsweise Titan unter Vakuum oder Schutzgasen zu schmelzen. Diese Lichtbogen-Schmelzöfen mit selbstverzehrender Elektrode verbesserten zwar die Qualität von Baustählen, konnten aber die gewünschten extremen Werkstoffeigenschaften nicht gewährleisten, weshalb man dazu überging, mit einem dynamischen Vakuum zu arbeiten, wobei das Rohmaterial bei laufenden Pumpen geschmolzen wird.
• In einem Vakuum-Lichtbogenschmelzofen wird in einem zylindrischen evakuierbaren Gefäß ein walzenförmiger Metallblock (als Elektrode) oben an einer zentrierten Führungsstange befestigt, wobei sich im unteren Teil des Zylinders ein wassergekühlter Kupfertiegel befindet. Zwischen dem unteren Ende der abschmelzbaren Elektrode und dem Kupfertiegel wird ein Lichtbogen gezogen, wodurch das Material schmilzt und in den Tiegel tropft, so daß sich allmählich ein umgeschmolzener Rundblock bildet, der durch das Vakuum einen minimalen Gehalt an oxidischen Bestandteilen und Gasen enthält.
• Nach Maßgabe der Abschmelzgeschwindigkeit wird die obere Elektrode abgesenkt, wofür eine besondere Differential-Regeleinrichtung vorgesehen ist.
• Bekannt ist weiterhin ein Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren, das sich von vorstehend beschriebenem Vakuumverfahren dadurch unterscheidet, daß eine gleichfalls selbstverzehrende Elektrode in einem heißen Schlackenbad anstatt im Vakuum abschmilzt, wobei die Schmelzwärme beim Durchgang des elektrischen Stroms durch die als ohmischer Widerstand wirkende, sehr reaktionsfähige, flüssige Schlacke erzeugt wird.
• Bekannt ist ein Verfahren und Vorrichtung für die Herstellung von Metallbarren (US-PS 3.344.840) mit hohem Reinwert und Homogenität mit einem wassergekühlten Tiegel, einer auf dem Tiegel aufsitzenden Haube, einer durch die Haube druckdicht hindurchgeführten Elektrodenstange zur Halterung des im Lichtbogen abschmelzenden Metallblocks, einer an die Haube angeschlossenen Vakuumquelle und einer Öffnung im Bereich des Tiegelbodens zur Einleitung eines Gases in einen Ringspalt, der sich zwischen dem erstarrten und geschrumpften Umschmelzblock und der Innenwand des Tiegels ausbildet. Mittels dieses Gaspolsters soll der örtliche Druck so eingestellt werden, daß der Wärmetransport vom Umschmelzblock zur Tiegelwand gewährleistet bzw. optimiert wird. Während im Raum oberhalb des Schmelzentiegels ein Vakuum erzeugt wird, soll bei dieser vorbekannten Vorrichtung im Ringspalt oder Hinterraum ein Druck von z.B. 8-10 mm Quecksilbersäule förderlich für eine rasche Erstarrung sein.
• Bekannt ist weiterhin ein Verfahren zur kontrollierten Abkühlung des Umschmelzblocks in einem Vakuum-Lichtbogenschmelzofen mit Abschmelzelektrode (US-PS 3.353.585) bei dem zwischen dem erstarrenden Umschmelzblock und der Innenwand des wassergekühlten Tiegels ein Gas eingelassen wird, um Ablagerungen zu minimieren. Auch bei dem hierzu benutzten Schmelzofen bildet sich ein Schmelzbad aus mit einer größeren Bad-tiefe unterhalb der abtropfenden Elektrode und einer Badtiefe, die im Randbereich gegen Null tendiert. Der Durchmesser des Schmelzenbades entspricht dem Innendurchmesser des Tiegels, wobei der sich unterhalb des Schmelzenbads ausbildende Ringspalt nach oben zu praktisch verschlossen bleibt, so daß das während des Schmelzvorganges in den Ringspalt eingelassene Gas praktisch nicht in den evakuierten Raum oberhalb des Abschmelzblocks eindringt – vorausgesetzt, daß der Druck im Ringspalt ein bestimmtes Maß nicht überschreitet.
• Schließlich sei noch auf den Aufsatz „Superalloy 718 Ingot" von B.V. Subba Rao, D. Gopkrishna und S.J. Sam Emmanual in The Minterals, Metals und Materials Society, 1997 hingewiesen, der auf Seite 70 in 2 einen Vakuum-Lichtbogen-Schmelzofen zeigt, bei dem der Bodenring eines der wassergekühlten Tiegels mit einem Durchmesser von 500 mm mit einer Gas-Einlaßbohrung von 5 mm Durchmesser versehen ist und das Helium-Gas einen Ringspalt ausfüllt, der bis unterhalb der Peripherie des Schmelzbads reicht.
• Zum Stand der Technik sind noch zu erwähnen:
  Die JP 090 29 420 A beschreibt eine Vorrichtung zum Umschmelzen von Stahlblöcken, bei der in dem sich zwischen dem Stahlblock und der Tiegelinnenwand bildenden Spalt ein Gas eingelassen wird, um einen guten Wärmeübergang zwischen Block und gekühlter Tiegelwand und eine gute Oberflächenstruktur des Blockes zu gewährleisten.
• Die DE 37 21 945 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Druck-Elektroschlacke-Umschmelzanlage und ermöglicht die Herstellung von Blöcken mit hohem Stickstoffgehalt, ohne dass es zum unerwünschten Verbeulen und Ausbauchen der Kokille kommt und ohne dass in den Blöcken Blasen und Poren auftreten.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen geschlossenen Elektro-Schlacke-Umschmelzofen zu schaffen, bei dem eine gleichmäßige Wärmeabfuhr aus dem erstarrenden Umschmelzblock gewährleistet und Metalldurchbrüche aus der Schmelzenzone vermieden werden. Insbesondere soll beim Umschmelzen von Titan oder Titanlegierungen im Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren der Eintritt von Wasser aus dem gekühlten Kupfer-Tiegel in den Ringspalt ausgeschlossen werden, da eintretendes Wasser mit dem Titan heftig reagiert und zur Zerstörung der gesamten Anlage führt.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Ofen des eingangs genannten Typs gelöst, der einen im Bereich der Bodenplatte vorgesehenen, mit einer Gasquelle verbindbaren Einlaß für die Einleitung von Helium, Argon oder Stickstoff in den Spalt zwischen der Innenwand des Tiegels und dem erstarrten Umschmelzblock und eine Ventileinheit zur Regelung eines definiert eingestellten Drucks im Spalt aufweist.
• Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsformen zu; eine davon ist in der anhängenden Zeichnung rein schematisch dargestellt die einen Druck-Elektroschlacke-Umschmelzofen im Längsschnitt zeigt.
• Der in der Zeichnung dargestellte geschlossene Ofen besteht aus dem ortsfesten Kupfertiegel 1 mit Bodenplatte der zum überwiegenden Teil doppelwandig ausgebildet ist und vom Wasser durchströmt ist, wobei das Wasser am Anschluß 3 ein- und am Auslaß 4 ausströmt. Auf dem Tiegel 2 ist eine Haube 5 aufgesetzt, deren oberes Wandteil 7 eine Öffnung aufweist, durch die die Elektrodenstange 6 dichtend hindurchgeführt ist, deren Spannkopf 8 die Abschmelzelektrode 9 hält, die mit ihrem unteren Ende in das flüssige Schlackenbad 10 eintaucht, das auf dem flüssigen Metallsumpf 11 schwimmt. Die Haube 5 ist über eine Rohrleitung 12 mit einer in diese eingeschalteten Ventileinheit 23 an eine Vakuumpumpe 13 angeschlossen. An der vertikal verfahrbaren Elektrodenstange 6 liegt die Elektrodenklemme 14 an, die über einen Hochstromumschalter an eine Klemme 15 eines nicht näher dargestellten Transformators angeschlossen ist.
• Während des Umschmelzens wächst der Umschmelzblock 16 kontinuierlich je nach eingestellter Schmelzrate nach oben und schiebt die Schlackeschicht 10 vor sich her, die den oberen Prozeßraum 17, 22 gegen den unteren Prozeßraum abdichtet. Diese Trennstelle muß gasdicht sein, sonst würden Schlacke und flüssiges Metall in den Ofenhinterraum, d.h. in den Raum unterhalb der Trennstelle, eindringen. Schlacke, die sich in der Höhe des Schlackenbades 10 an die Tiegelinnenwand lehnt, wird teilweise wiederaufgeschmolzen, verbleibt am Tiegelrand und hüllt den Umschmelzblock 16 zusätzlich ein. Die Schrumpfung des entstehenden und abkühlenden Umschmelzblock bewirkt, daß sich ein Spalt 18 zwischen dem Block und dem Schlackenhemd einerseits und der Tiegelinnenwand andererseits ausbildet. In diesen Spalt 18 wird über die Leitung 19 Gas (z.B. Helium) aus der Gasquelle 20 eingeleitet, damit sich im Spalt 18 kein Unterdruck bildet, wobei der Druck mittels der Ventileinheit 23 so abgestimmt wird, daß sich eine definierte Atmosphäre unterhalb der Umschmelzzone zur Erzielung einer gleichmäßigen Wärmeabfuhr bildet. Ein undefiniertes Eindringen von Medien, die sich außerhalb des Tiegels 2 befinden, etwa durch die Trennstelle zwischen Bodenplatte 21 und dem etwa zylinderförmigen Teil des Tiegels, wird durch den definiert eingestellten Gasdruck im Spalt 18 vermieden. Obwohl der Tiegel 2 wasserdurchströmt ausgebildet und durch die Bodenplatte 21 einem hohen Wasserdruck ausgesetzt ist, ist der Zutritt von Kühlwasser in den Spalt 18 ausgeschlossen.
• Es ist klar, dass die Ventileinheit 23 zweckmäßigerweise mit einem Gerät zum Messen des Drucks in der Leitung 19 und damit auch im Spalt 18 ausgerüstet ist. Anstelle des vorstehend erwähnten Prozeßgases Helium können mit Vorteil auch Argon und Stickstoff Verwendung finden. Um auszuschließen, dass Kühlwasser aus den Spalten und Kanälen in der Wandung des Tiegels 2 bzw. der Bodenplatte 21 mit dem Metallsumpf 11 oder dem Umschmelzblock 16 in Berührung gelangt, ist es zweckmäßig eine Feuchtemeßeinrichtung im Ofenhinterraum zur Detektierung von Leckwasser vorzusehen, die für eine Abschaltung der Stromversorgung im Leckagefalle sorgt.
• Schließlich ist klar, dass auch eine Ausführung des Ofens mit einer getrennten Tiegeleinheit (wie sie bei Inertgas ESR Öfen Verwendung findet – mit getrenntem Kühlwasserkreislauf zwischen Tiegelboden und Tiegelrohr -) möglich ist.

1

Bodenplatte

2

Tiegel

3

Wasseranschluß

4

Wasserauslaß

5

Haube

6

Elektrodenstange

7

Wandteil

8

Spannkopf

9

Abschmelzelektrode

10

Schlackenbad

11

Metallsumpf

12

Rohrleitung

13

Vakuumpumpe

14

Elektrodenklemme

15

Klemme

16

Umschmelzblock

17

Prozeßraum

18

Spalt

19

Leitung

20

Gasquelle

21

Bodenplatte

22

Prozeßraum

23

Ventileinheit

Claims (1)

1. Ofen zum Umschmelzen eines Titanblocks in Gestalt einer selbstverzehrenden, in einem Schlackenbad (10) abschmelzenden Elektrode (9), mit einem wassergekühlten Tiegel (2) mit Bodenplatte (21) zur Aufnahme des erstarrten Umschmelzblocks (16), des flüssigen Metallsumpfs (11) und des flüssigen Schlackenbads (10), einer mit dem Tiegel (2) verbindbaren, den Raum (17, 22) oberhalb des Schlackenbads (10) von der umgebenden Atmosphäre isolierenden Haube (5), einer in vertikaler Richtung verfahrbaren Elektrodenstange (8) mit einem Spannkopf (8) zur Halterung des Titanblocks (9) und einem im Bereich der Bodenplatte (21) vorgesehenen, mit einer Gasquelle (20) verbindbaren Einlaß (19) für die Einleitung von Helium, Argon oder Stickstoff in den Spalt (18) zwischen der Innenwand des Tiegels (2) und dem erstarrten Umschmelzblock (16) und einer Ventileinheit (23) zur Regelung eines definiert eingestellten Drucks im Spalt (18).