DE1037079B

DE1037079B - Method of electric arc melting

Info

Publication number: DE1037079B
Application number: DEB37406A
Authority: DE
Inventors: Dr Otto Winkler
Original assignee: BALZERS GERAETEVERKAUFSGESELLS
Current assignee: BALZERS GERAETEVERKAUFSGESELLS
Priority date: 1954-11-23
Filing date: 1955-10-05
Publication date: 1958-08-21

Description

Verfahren zum elektrischen Lichtbogenschmelzen Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum elektrischen Lichtbogenschmelzeii von Metallen, besonders solchen mit hohen Schmelzpunkten, wie z. B Chrom, Molybdän, Wolfram, Titan, Zirkon u. dgl. und deren Legierungen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zum Erschmelzen größerer Schmelzgutchargen genau definierter Zusammensetzung.Process for electric arc melting object of the invention is a process for the electric arc melting of metals, especially those with high melting points, such as. B chromium, molybdenum, tungsten, titanium, zirconium and the like and their alloys. The method according to the invention is particularly suitable for melting larger batches of melt material with a precisely defined composition.

Iss ist bekannt, daß beim Lichtbogenschrnelzen oft Maßnahmen erforderlich sind, um die Heizwirkung des Lichtbogens auf eine genügend große Schinelzgutoherfläche zu erstrecken. Eine bekannte Maßnahme dieser Art besteht darin, eine exzentrisch gelagerte Elektrode über der Schmelzbadob erfläche rotieren zu lasen, urn auf diese Weise den Brennfleck des Lichthogens auf einer Kreishahn darüber zu führen. Nach emein anderen Verfahren wird der Lichtbogen magnetisch über die Oberfläche bewegt. Auch (las Unigekehrte ist schon vorgeschlagen worden. nämlich, daß die Schmelze unter einer feststehenden exzentrischen I?le@l;trode rotiert und somit der l'rennfleck iil>(:r die Oberfläche hinwegwandert, woboi die Rotation des Schmelzgutes durch mechanischen Antrieb oder durch ein magnetisches Drehfeld bewirkt wurde. Weiter ist bekannt, durch Rotation des Schmelzgefäßes eine Fliehkraft zu erzeugen, uni etwaige Schlacken an den Rand des Bades zu schaffen. Hierfür ist nur eine mäßige Rotationsgeschwindigkeit erforderlich.It is known that arc melting often requires action are to the heating effect of the arc on a sufficiently large Schinelzgutoherfläche to extend. A known measure of this type consists in an eccentric The electrode stored above the weld pool surface can be rotated in order to move onto it Way to lead the focal point of the light arc on a circular tap over it. To Another method is to move the arc magnetically across the surface. Also (read unrepentant has already been suggested, namely that the melt under a fixed eccentric I? le @ l; trode rotates and thus the l'rennfleck iil> (: r moves across the surface, whereby the rotation of the molten material occurs mechanical drive or a rotating magnetic field. Further it is known to generate a centrifugal force by rotating the melting vessel, uni to create any slag on the edge of the bath. This is only a moderate one Rotation speed required.

Der Nachteil dieser bekannten Verfahren ist geringe Wä rnicwirtschaftlichkeit. rin beachtlicher Teil der für Lichtbogen erzeugten Strahlungsenergie wird hierbei nämlich nach oben und seitlich auf die, Tiegelwände, abgestrahlt, ohne zur Erwärmung des Schmelzgutes beizutragen. Ein weiterer großer Nachteil besteht darin, daß bei gegeberrerLichthogenleistung nach diesen vorbeka.nnten Verfahren oft nur relativ kleine 'feile der Schmelzgutoberflä che schmelzflüssig gehalten werden, diejenigen Teile der Oberfläche nämlich, über die- gerade cier ßrenrifleck wandert, während davon entferntere Oberflächenteile zum F_infrieren neigen. Diese Gefahr ist besonders in den Randbereichen nahe den Wänden und insbesondere bei schwerschmelzenden Metallen gegeben.The disadvantage of these known processes is their low thermal economy. A considerable part of the radiant energy generated for arcing is here namely upwards and to the side on the, crucible walls, radiated without heating to contribute to the melting material. Another major disadvantage is that with Often only relative output according to these previously known methods small files of the melt surface are kept molten, those That is, parts of the surface over which cier ßrenrifleck migrates while More distant parts of the surface tend to freeze. This danger is special in the edge areas near the walls and especially with refractory metals given.

Die bekannten Verfahren haben den weiteren \T acliteil, da:ß Spritzer aus der Schmelzgutmasse, die an die Wände fliegen, dort festfrieren und damit verlorengehen, was insbesondere hei der Zugabe vom Legierungsbestandteilen zwecks Herstellung von Werkstoffen getrau definierter Zusammensetzung stört, und da.fi sich so außerdem uni den Gußblock eine Art 1-Ienid bildet, das nachträglich durch spanabhebende Bearbeitung eiitferiit werden muß.The known processes have the additional part that: ß splashes from the molten material that flies to the walls, freezes there and is thus lost, what is particularly called the addition of alloy components for the purpose of producing Materials with a well-defined composition bothers, and so does that too uni the cast block forms a kind of Ienid, which is subsequently made by machining must be delivered.

Vorliegend l)cscliricliene Erfindung hat nun ein f ichtbogenschmelzverfahren zur Überwindung der genannten Schwierigkeiten zum Gegenstand.The present l) integrated invention now has an arc melting process to overcome the difficulties mentioned.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schmelzen von Xletallen mittels eines elektrischen Lichtbogens, wobei das in einem Schmelztiegel befindliche zu Schmelzeide Gut einer durch mechanische Mittel. z. B. einen 'Motor, bewirkten Rotation um eine vertikale Schmelztiegelachse unterworfen wird und dabei im schmelzflüssigen Zustand des Gutes infolge. des Zusaninienwirkers der Zentrifugalkräfte und der Schwerkraft eine konkav gekrümmte Schnielzbadoberfläche @-c:rlianden ist, ist gekennzeichnet durch eine so schnelle Rotation des fliissigen Schmelzgutes, daß eine stark l;cail;a.v gel;riininite. den elektrischen Lichtbogen teilweise umhüllende Schtnelzbadoberfläche entsteht, die am Tiegelrand mit der Horizontalebene einen freien Innenwinkel von mehr als 45° bildet.The inventive method for melting Xletall by means of an electric arc, which is located in a crucible too Melt one good by mechanical means. z. B. a 'motor caused rotation is subjected to a vertical crucible axis and thereby in the molten liquid Condition of the goods as a result. the merging of centrifugal forces and gravity a concave curved Schnielzbadfläche @ -c: rlianden is marked by a rotation of the liquid melt material so fast that a strong l; cail; a.v gel; riininite. Molten bath surface partially enveloping the electric arc arises, which at the crucible edge with the horizontal plane a free interior angle of forms more than 45 °.

Gegenüber den vorbekannten Verfahren mit rotierendein Schmelzgut. bei welchen sich infolge der la:ligsamen Rotation eine nur schwach gekrümmte Oberfläche bildet, unterscheidet sich das Verfahren vorliegender Erfindung wesentlich dadurch, da.ß die Rotation nicht nur nicht nur dein Zweck dient, die der Lichtbogen.wirkung unterworfenen Oberflächenteile der Schnielzbadoberfläche ständig zu erneuern, sondern vielmehr auch den Zweck hat, den Schmelzlichtbogen durch die infolge der Rotation entstehende konkav gekrümmte Schmelzbadoberfläche wenigsten teilweise zu umhüllen, wodurch eine verbesserte Wärmewirtschaft erzielt, das Anfrieren von Spritzern an den Tiegelwänden weitgehend vermieden und gleichzeitig eine vergrößerte Oberfläche der 'Metallschmelze im Vergleich finit den l;ckannten Lichtbogenschnielzverfahren bei gleicher Tiegelgröße erreicht wird.Compared to the previously known processes with rotating one melt material. in which, as a result of the slow rotation, there is an only slightly curved surface forms, the method of the present invention differs significantly in that that the rotation not only serves not only your purpose, that of the arc.effect subject to renewal parts of the surface of the Schnielzbad, but Rather, it also has the purpose of causing the melting arc to occur as a result of the rotation to at least partially enclose the concave curved surface of the melt pool, whereby an improved heat economy achieved, the freezing of splashes the crucible walls largely avoided and at the same time an enlarged surface the 'molten metal in comparison finite the known arc welding process is achieved with the same crucible size.

Die Wirkungsweise der Erfindung wird nachfolgend an einem Beispiel an Hand der Abbildung näher erläutert. Bei rascher Rotation einer Flüssigkeit in einem Behälter bildet sich bekanntlich infolge des Zusanunenwirkens der Zentrifugalkräfte und der Schwerkraft eine parabolisch gekrümmte, rotationsscninietrische Oberfläche aus. Die Zentrifugalkraft, die auf jedes rotierende Massenteilchen der -lasse in wirkt. ist bekanntlich nz r u'. wobei r den Abstand von der Drehachse und ir die Winkelgeschwindigkeit bezeichnet. Die auf dasselbe Masseteilchen wirkende Schwerkraft trägt rng, wenn g=981 cni/sec2 die Beschleunigung durch die Schwerkraft bedeutet.The mode of operation of the invention is explained in more detail below using an example on the basis of the figure. When a liquid rotates rapidly in a container, it is known that a parabolically curved, rotationally-scaled surface is formed as a result of the interaction of the centrifugal forces and the force of gravity. The centrifugal force that acts on each rotating mass particle of the -lasse in. is known to be nz r u '. where r is the distance from the axis of rotation and ir is the angular velocity. The force of gravity acting on the same mass particle carries rng if g = 981 cni / sec2 means the acceleration by the force of gravity.

Das Zu@aiuinentvirken beider Kräfte ergibt eine resultierende Kraft. und die Oberfläche der rotierenden Schmelze stellt sich so ein, claß sie überall zu dieser resultierenden Kraft senkrecht steht.The Zu @ aiuinentvirken both forces results in a resultant force. and the surface of the rotating melt adjusts itself in such a way that it is everywhere is perpendicular to this resulting force.

In der Zeichnung bedeutet 1 die Schtverki-aft na". 2 clie Zentrifugalkraft in r ii= und 3 dein Abstand des ljetraclitett-n 0l.#erflä chetielementes von der @otati«nsachse. Die Rotation möge beispielsweise so rasch erfolgren. (lall die Zentrifugalkraft für die riii`förniige Zone fler 0l:,°rfl:iche nahe der Kokillenu'and 4 gerade doppelt sn ;@roß ist wie die Schwerkraft. Dann gilt also 2 mg = nzrzc- oder wenn u die Zahl der Umdrehungen je Sekunde bedeutet. Dies ergibt für einen inneren Tiegeldurchinesser von 30 cm rund 1.8 U/sec. Raschere Rotation ergibt eine ,t;irker gekrümmte Querfläche, langsamere Rot:iti:;ii eine .chwächer gekrümmte. Für einen Randwinkel von -15- (d. 1i. wenn die Zentrifugalkraft gleich (ter Schwerkraft ist) ergibt sich bei gleichem Tiegeidurchnir,ser eine Rotationsgeschwindigkeit von 1.3 L`'see. Bemerkenswert ist. daß die Krümmung der Oberfläche nur von der Rotationsgeschtvindigkeit. nicht dagegen vom spezifischen Gewicht des Schmelzgute: abhängig ist. Für den praktischen Betrieb werden Randwinkel von mehr als 45° gegenüber der Horizontalebene zur Erreichung des Erfindungszieles benötigt. Hierdurch werden die bei ebenen oder ,chwach gekrümmten Schmelzbadoberflächen enormen Wärmestrahlungsverluste wesentlich erniedrigt, da, wie aus der Abbildung ersichtlich ist, die horizontal von der Elektrode 5 bzw. vom Lichtbogen abgestrahlte Wärmenergie dein Schmelzprozeß zugute kommt. Spritzer, die die Seitenwände der gekrümmten Sehmelzbadoherfläche erreichen, frieren dort nicht ein, sondern nehmen weiter am Schmelzvorgang teil und werden daher dem Schmelzgut wieder vollständig einverleibt. Damit ist auch die Gefahr beseitigt, da.ß wertvolle Legierungsbestandteile, die während des Schmelzvorganges zugegeben werden können, etwa am Tiegelrand unlegiert einfrieren.In the drawing, 1 means the Schtverki-aft na ". 2 the centrifugal force in r ii = and 3 the distance of the jetraclitett-n 0l. # Surface element from the axis of rotation Centrifugal force for the riii`förniige zone for 0l:, ° rfl: iche near the mold surface 4 is just twice as big as the force of gravity. Then 2 mg = nzrzc- or if u is the number of revolutions per second. For an inner crucible diameter of 30 cm, this results in around 1.8 rev / sec. Faster rotation results in a more curved transverse surface, slower red: iti:; ii a less curved one. For a contact angle of -15- (i.e. if the centrifugal force is equal to (ter gravity), the same crucible diameter results in a rotation speed of 1.3 L 'lake. It is noteworthy that the curvature of the surface depends only on the speed of rotation. on the other hand, it does not depend on the specific weight of the molten material. For practical operation, contact angles of more than 45 ° with respect to the horizontal plane are required to achieve the aim of the invention The figure shows that the heat energy radiated horizontally by the electrode 5 or the arc benefits the melting process. Splashes that reach the side walls of the curved Sehmelzbadoher surface do not freeze there, but continue to participate in the melting process and therefore become complete again for the melting material incorporated. With that, the Eliminates the risk that valuable alloy components, which can be added during the melting process, freeze unalloyed at the edge of the crucible, for example.

Durch Variation der Rotationsgeschwindigkeit während des Schmelzens kann eine wirksame Durchmischung der Schmelze erreicht werden, insbesondere durch rasches Stoppen und Wiederaufnehmen der Rotation.By varying the speed of rotation during melting effective mixing of the melt can be achieved, in particular by rapid stopping and resumption of rotation.

Da die gekrümmte Schmelzbadoberfläche die Elektrode teilweise umgibt und die einzelnen Oberflächenteile annähernd gleiche Abstände von der Elektrode aufweisen, breitet sich der Lichtbogen über die ganze Oberfläche der Schmelze aus und erhält sie flüssig. Aber auch wenn die Elektrode bzw. die Elektroden nicht zentrisch angeordnet ist bzw. sind, kann die ge- samte Oberfläche der Schmelze leicht flüssig gehalten werdün. da zusätzlich in an sich bekannter Weise die gesamte Schiuelzbadoberfläche infolge der Rotation voni Lichtbogen überstrichen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch al>ge- ändert werden. Es ist nicht erforderlich. nur mit einem einzigen Lichtbogen zu a.rb@iten. sondern es können in dem von der rotierenden Sclinielzl)adolierfliiclie gebil- deten honl;avenHohlraum mehrere Elektroden hinein- rageii.Das Verfahren ist nicht auf die eingangs ange- führten hochsclinielzenden -Metalle beschränkt. srni- clern eignet sich ebiisogut für @;iidere -Metalle. l@_S können @ichtbogenentla.dungen `%-crtven(Iung linden. die nicht von einer Elektrode zur fläche, sondern zwischen zwei oder mehreren h@e@tr@@- den betrieben werden. Als spezieller ball ist die I'c°:- tvendung von drei Elektrorleil Zulu lietricl) niittel- Drehstroni zu nennen. Das erfindaiigsgeni:ille @'erf@di- ren ist auch in Unterdruck- lind #-,cliutzga«<ifen inlit Vorteil anwendbar. sofern nur eine Drehdurchfiihrting durch <-:1s Ofeii-eliäuse zur @erfügui:@ weint oder die inechani-,clie Drchbetvegung im Ofeninnern erzeugt «-erden kann. Since the curved molten bath surface partially surrounds the electrode and the individual surface parts are approximately the same distance from the electrode, the arc spreads over the entire surface of the melt and keeps it liquid. But even if the electrode (s) is or are not arranged centrally, the entire surface of the melt kept slightly liquid become. because in addition, in a known manner entire surface of the Schiuelzbad as a result of the rotation is painted over by the arc. The inventive method can also al> ge will be changed. It is not necessary. only with one single arc to a.rb@iten. but it can be in the adolierfliiclie formed by the rotating sclinic into the hollow space several electrodes rageii. The procedure is not limited to the limited high-grade metals. srni- Clern is also suitable for @; iidere -metals. l @ _S can @ ichtbogenentla.dungen `% -crtven (Iung linden. which are not used by an electrode area, but between two or more h @ e @ tr @@ - which are operated. As a special ball, the I'c ° is: - consignment of three electrical parts Zulu lietricl) niittel- To name Drehstroni. The inventive genius: illegal @ 'erf @ di- ren is also in low pressure lind # -, cliutzga «<ifen inlit Advantage applicable. if only one rotary union by <-: 1s Ofeii-eliäuse to @ erzufui: @ weeping or die inechanical, clie drive movement generated inside the furnace «-Can earth.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Process for melting metals by means of an electric arc. wherein the material to be melted located in a crucible has a mechanical means, e.g. B. a motor, caused rotation around a vertical crucible axis is subjected to a concave curved @clinielzl; ad surface is present in the molten state of the goods due to the co-operation of centrifugal forces and gravity. characterized by such a rapid rotation of the melting material that a strongly concave curvature. The Schinelzbad surface partially enveloping the electric arc is created. which forms a free interior angle of more than 45 ° with the horizontal plane at the edge of the crucible.

2. The method according to claim 1, characterized in that for the purpose Mixing the Schinelzgute @ s the rotation speed is varied while the item to be treated is molten.

3. The method according to claim 1, characterized characterized da.ß the electric arc discharge takes place in a vacuum chamber.

4. The method according to claim 1, characterized in that the in the rotating Melt pool surface formed concave cavity acting from several arcs There is partial arcing.

5. Procedure. according to claim 4, characterized in that the arc is operated with three-phase current. Considered publications: German Patent Nos. 453 335, 544 597, 862 220; Austrian Patent Nos. 91618, 18 611, 32 291; French Patent No. 409 540; "The electric steel process" by S is co-S i eg e1, Berlin 1951, pp. 79 and 80.