DE1565534B2

DE1565534B2 - Verfahren zur Vakuumbehandlung von Stahl

Info

Publication number: DE1565534B2
Application number: DE1565534A
Authority: DE
Inventors: Charles W. Finkl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1965-06-09
Filing date: 1966-06-07
Publication date: 1975-07-24
Also published as: SE345690B; DE1565534A1; AT299999B; ES327744A1; GB1154491A; SE345690C; US3501289A; JPS4910401B1

Description

die Richtung ihres Eigenmagnetfeldes zu den Stromlinien des Lichtbogens dieser auf das Stahlbad hin gelenkt wurde. (Stahl und Eisen, 1959, S. 275). Trotzdem konnte hierbei eine technisch annehmbare und wirtschaftlich tragbare großtechnisch mögliche S Erwärmung der Stahlschmelze nicht erreicht werden, weil einmal der Wärmeübergang zur Stahlschmelze zum größten Teil durch Strahlung erfolgte, hierdurch eine sehr große Erhitzung der umgebenden Wandungen nicht vermieden werden konnte und eine ausreichend gleichmäßige Durchführung der Stahlschmelze unter Einhaltung genauer Temperaturgrenzen nicht möglich war.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Art der Behandlung von Stahlschmelzen während der Vakuumbehandlung zu schaffen, welche nicht nur allen technischen Bedingungen der Vakuumbehandlung selbst gerecht wird, sondern auch wirtschaftlich im großtechnischen Maßstab und betriebssicher durchführbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung davon aus, daß einerseits unter den Bedingungen der bei der Vakuumbehandlung heftig kochenden Schmelze ein Lichtbogen aufrechterhalten werden muß, wobei die Einwirkung der für die Erwärmung des Stahlbades notwendigen Temperaturen auf die Auskleidung möglichst zu beschränken ist und ferner dafür Sorge getragen werden muß, daß die Erwärmung der Stahlschmelze gleichmäßig und unter möglichst geringem Zeitaufwand erfolgt.

Unter Berücksichtigung dieser Gesichtspunkte wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bei einem Verfahren zur Vakuumbehandlung von Stahl, bei dem eine in einem vorausgegangenen Prozeß gewonnene Stahlschmelze während der Vakuumbehandlung durch Lichtbögen von nichtabschmelzenden Elektroden erhitzt und gleichzeitig umgerührt wird, dadurch gelöst, daß mittels Dreiphasenstrom Lichtbögen zwischen den drei Elektroden und dem Stahlbad erzeugt und betrieben werden, während gleichzeitig Spülgas durch das Stahlbad geleitet wird.

Die Anwendung von Spülgas bei der Vakuumentgasung ist an sich bekannt, jedoch hat bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Spülgas nicht nur die sonst übliche Funktion einer Förderung der Entgasung, sondern eine weitere für eine wirksame Beheizung der Stahlschmelze sehr wichtige Funktion, nämlich die, daß durch das Spülgas aus den tieferen Bereichen der Stahlschmelze fortlaufend Teile der Schmelze nach oben an die Oberfläche transportiert werden, um dort wieder neu aufgeheizt zu werden. Hierdurch wird der wichtige Vorteil erreicht, daß die Temperatur der Stahlschmelze im Behandlungsbehälter vom Boden bis zur Oberfläche der Schmelze nahezu gleichmäßig gehalten wird und insbesondere Überhitzungen im Bereich der Badoberfläche, auf welche ja der Lichtbogen auftrifft, vermieden werden. Durch derartige Uberhitzungen würde die Auskleidung des Gefäßes zerstört werden. Schließlich ist es auch bei der Anwendung von Spülgas beim erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft, daß hierdurch die glatte Oberfläche des Stahlbades durch die aufsteigenden Gasblasen fortlaufend aufgerissen wird und daher eine Reflexion der Strahlungswärme des Lichtbogens durch die Badoberfläche vermindert wird.

Überraschenderweise lassen sich bei der erfindungsgemäßen Arbeitsweise trotz des unter Vakuum heftigen Kochens des Stahles, welches noch durch die Spülgasumrührung gesteigert wird, ohne Schwierigkeiten stabile Wechselstromlichtbögen zwischen der Schmelze und den Elektroden aufrechterhalten. Der Wärmeübergang zum Stahlbad erfolgt hierbei nicht ausschließlich durch Strahlung, sondern zum wesentlichen Teil durch Widerstandserhitzung der Schmelze, welche selbst als Heizwiderstand im Stromweg benutzt wird. Der jeweilige Lichtbogen besitzt dabei eine geringe Länge, und auch hierdurch wird die Einwirkung von Wärme durch Strahlung auf die Auskleidung vermindert. Durch die gleichzeitige Einleitung von Spülgas in die Schmelze wird fortlaufend kühles Metall an die Schmelzbadoberfläche gebracht und hierdurch nicht nur eine gleichmäßige Durchwärmung der Schmelze, sondern auch eine wirksame Kühlung der Schmelzoberfläche bewirkt, welche der unmittelbaren Einwirkung des Lichtbogens ausgesetzt ist. Auch hierdurch ergeben sich günstigere Bedingungen hinsichtlich des Wärmeüberganges der Schmelze und der Lebensdauer der Auskleidung des Behälters. Darüber hinaus läßt sich bei der Arbeitsweise nach der Erfindung eine außergewöhnlich genaue Einsteuerung der Temperatur der Schmelze auch über eine lange Zeit erreichen, was unter anderem für die Herstellung bestimmter Stahlqualitäten von außerordentlicher Bedeutung ist.

Es kann die Erfindung auch in einer Abwandlung verwirklicht werden, bei der die Stahlschmelze an Stelle mit Spülgas auf induktivem Wege umgerührt wird. Ein Umrühren der Stahlschmelze auf induktivem Wege unter Entgasung und Beheizung ist an sich bekannt (britische Patentschrift 8 71659).

Allgemein wird mit der Arbeitsweise nach der Erfindung nicht nur die ihr zugrunde liegende Aufgabe vollkommen gelöst, sondern es werden noch sehr wichtige betriebliche Vorteile durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht:

1. Die Schmelze kann während der Vakuumbehandlung über eine ausreichend lange Zeit auf der erforderlichen Temperatur gehalten werden und damit die Vakuumbehandlung bis zur jeweils gewollten Entgasung der Schmelze ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden.

2. Die Höhe der Heiztemperatur kann verhältnismäßig niedrig gehalten werden (bei etwa 1525° C) und so eine Beschädigung oder Zerstörung der Apparatur und insbesondere ihrer Auskleidung durch zu hohe Temperatur verhindert werden (die Auskleidung wird insbesondere bei Temperaturen über 1560° C sehr stark angegriffen).

3. Die endgültige Temperatur beim Gießen kann zwischen 2 und 3° C genau angesteuert werden. Dies ist für jeden Stahlwerker eine sehr wesentliche Eigenschaft und kann bei keinem anderen Stahlverfahren mit dieser Genauigkeit erreicht werden. Diese genaue Temperatureinsteuerung ist von großer Bedeutung, da die endgültige Gießtemperatur für die Erzeugung eines wirklich guten Stahles geradezu noch entscheidender ist als die Entgasung des Stahles selbst. Wenn beispielsweise eine Schmelze vollkommen entgast worden ist, aber bei einer zu niedrigen Temperatur gegossen wird, ergibt sich ein unbrauchbarer Stahl, der verworfen werden muß. Wenn dagegen der Stahl bei einer zu hohen Temperatur abgegossen wird, wird die Lebensdauer der Blockform und der gesamten Ausmauerung drastisch verkürzt, und das ganze Verfahren kann unwirtschaftlich werden.

5 6

4. Bei der Erfindung ist ein sogenannter »DU- Charge eines niedriglegierten Stahles aus dem Elek-PLEX«-Prozeß bei der Stahlherstellung möglich. troofen in zwei Gießpfannen abgestochen werden. Hierbei kann ein Elektroofen (eine sehr wirksame Die eine Gießpfanne kann nach der Erfindung Schmelzeinrichtung, aber eine sehr unwirksame Ein- behandelt werden und der Inhalt der anderen richtung zur Verfeinerung des Stahles) nur für den 5 Gießpfanne unmittelbar in Blockform gegossen Schmelzprozeß benutzt und eine zweite Einrichtung werden.

gemäß der Erfindung für die Stahlverfeinerung, die 7. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht

Entgasung oder auch als Vorratskessel benutzt wer- darin, daß bisher unerreicht lange Wärmeprozesse

den, welche in ihrem Aufbau und in ihrer Arbeite- möglich sind, um eine gewonnene Schmelze für

weise weitaus billiger ist als ein elektrischer Schmelz- io lange Zeit auf der erforderlichen Temperatur zu hal-

ofen. Beispielsweise benötigt ein elektrischer Licht- ten. Hierdurch kann eine große Elastizität der Stahl-

bogenschmelzofen von etwa 80 Tonnen einen herstellung erreicht werden, indem der Stahlwerker

25 000-kVA-Transformator und bedingt Betriebs- beispielsweise einen 100-Tonnen-Block durch einen

kosten von etwa 500 Dollar pro Stunde. Wenn eine Schmelzofen von 50 Tonnen Leistung herstellen

derartige kostspielige Einrichtung nur zur Aufrecht- 15 kann, wenn eine erste Ofencharge von 50 Tonnen in

erhaltung der Temperatur einer bereits fertigen einer Einrichtung nach der Erfindung heißgehalten

Schmelze benutzt wird anstatt für das Einschmelzen wird, während die zweite 50-Tonnen-Charge im

von Schrott, so arbeitet sie außerordentlich unwirt- Schmelzofen erschmolzen wird. Anschließend kann

schaftlich. Eine Einrichtung nach der Erfindung da- dann der 100-Tonnen-Block gegossen werden,

gegen benötigt nur einen 8000-kVA-Transformator 20 8. Die aufgewandte elektrische Energie wird mit

und ist für einen Schmelzprozeß unbrauchbar, kann sehr gutem Wirkungsgrad zur Beheizung der

aber sehr wirksam und wirtschaftlich zur Aufrecht- Schmelze ausgenutzt, insbesondere, weil die Behei-

erhaltung von irgendeiner bestimmten Temperatur zung nicht nur durch Wärmeübergang durch Strah-

einer Schmelze benutzt werden. lung, sondern auch durch Widerstandsheizung er-

5. Bei dem Verfahren nach der Erfindung kann 35 folgt.

die Zugabe von Legierungselementen in außer- 9. Es können dementsprechend mit Hilfe der Ergewöhnlich engen Grenzen gesteuert werden. Der findung nunmehr Entgasungsverfahren wirtschaftlich Stahlwerker bringt bei anderen Stahlherstellungs- durchgeführt werden, die im bestimmten Bereich bisverfahren bei der Zugabe von Legierungselementen her für unmöglich gehalten wurden, und zwar infolge immer einen mittleren Bereich des erwünschten Ge- 30 der erwarteten unerwünschten Temperaturverluste,
haltes an den einzelnen Elementen in die Schmelze 10. In der Vakuumkammer bleibt der Gehalt an ein, d. h., er muß immer im Überschuß arbeiten. Bei »Fremdgasen« praktisch unverändert, so daß beiAnwendung der Erfindung kann man dagegen beim spielsweise keine unerwünschte Aufkohlung der Zusatz der Elemente im unteren Bereich der ge- Schmelze eintritt. Die Entkohlung der Schmelze wünschten Legierungszusammensetzung arbeiten, 35 durch die Entgasung und deren Aufkohlung durch und wenn die untere Grenze unterschritten wird, den geringen Abbrand der Graphitelektroden halten steht genügend Zeit zur Verfugung, um die einzelnen sich die Waage.

Gehalte an Legierungselementen durch zusätzliche 11. Aufwendige und empfindliche elektrische

Zugaben heraufzusetzen. Durch diese Arbeitsweise Geräte, durch die beispielsweise ein kontinuierliches

wird eine große Ersparnis an Legierungselementen 4° Messen der Spannung und ein Nachregulieren der

erzielt. Elektrodenstellung durchgeführt wird, sind nicht er-

Weiterhin kann bei dem erfindungsgemäßen Ver- forderlich.

fahren ein Stahl für eine spätere automatisierte Weiter sind Gegenstand der Erfindung verschie-

Wärmebehandlung mit genügend genauer Zusam- dene Ausgestaltungen einer Vorrichtung zur Durch-

mensetzung erzeugt werden. 45 führung des ihr zugrunde liegenden Verfahrens.

Beispielsweise verlangt eine Automobilfabrik einen Diese Vorrichtung besteht gemäß der Erfindung im Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt, der wesentlichen aus einer Kammer, welche durch eine nur um 1 bis 2 hundertstel Prozent C schwanken aus einem Deckel und Zwischenteil bestehende abdarf. Eine derartige genaue Einsteuerung des Koh- nehmbare Haube luftdicht abgeschlossen ist und zur lenstoffgehaltes ist notwendig, weil eine automati- 50 Aufnahme einer den zu behandelnden Stahl enthalsierte Wärmebehandlung außerordentlich empfind- tenden Gießpfanne dient, wobei in der Haube drei lieh ist und bei Abweichung des Stahles in seiner nichtabschmelzende Elektroden angeordnet sind, chemischen Zusammensetzung das endgültige Pro- deren Enden gegen die Oberfläche der Stahlschmelze dukt leicht entweder zu weich oder zu spröde wird. in der Gießpfanne gerichtet sind, wobei eine Vorrich-Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es mög- 55 rung für das Umrühren der Stahlschmelze innerhalb lieh, die hier geforderte genaue chemische Zusam- der Gießpfanne vorgesehen ist.
mensetzung leicht einzuhalten. Zu diesem Zweck können vorzugsweise in der

6. Teure Legierungsstähle können bei dem erfin- Nähe des Bodens der die Stahlschmelze aufnehmendungsgemäßen Verfahren billig hergestellt werden, den Gießpfanne Leitungszuführungen für die Ein- oder es können auch zwei verschiedene Stähle aus 60 führung eines Spülgases vorgesehen sein. Auf der der gleichen Schmelze des Schmelzofens gewonnen anderen Seite sind auch noch Ausführungsformen werden. der Erfindung möglich, bei denen Induktionsspulen

Beispielsweise kann ein Teil einer LD-Schmelze für das Umrühren der Stahlschmelze vorgesehen

in eine erfindungsgemäße Einrichtung eingebracht sind.

werden, die Legierungsbestandteile hinzugegeben 65 Im einzelnen können vorteilhaft die nichtabschmel-

und ein sehr sauberer hochlegierter Stahl mit gerin- zenden Elektroden in dem Deckel der abnehmbaren

gen Kosten hergestellt werden. Haube der luftdichten Kammer angeordnet sein, und

Nach einem anderen Beispiel kann eine einzige besonders vorteilhaft ist ein mit Durchbrüchen für

die Elektroden versehener Hitzeschild oberhalb der pfanne 26 besitzt eine Seitenwandung 27 und einen Gießpfanne angeordnet. Bei der Vorrichtung nach Boden 28. Eine herkömmliche Stopfenstange 29 der Erfindung kann also die Gießpfanne mit der zu kann mittels einer geeigneten Vorrichtung 30 angebehandelnden Schmelze in die luftdicht abschließ- hoben und abgesenkt werden.

bare Kammer eingesetzt, dort der Stahl behandelt 5 Die Gießpfanne 26 ist mit einer Einrichtung zum und sodann die Gießpfanne wieder aus der Kammer Bewegen der Schmelze ausgestattet. Diese hier verentfernt werden. Dies hat betrieblich wesentliche anschaulichte Einrichtung besteht aus einer Gas-Vorteile, und außerdem ist es hierbei ohne Schwie- zuleitung 32, die in einem geeigneten Stopfen 33 rigkeiten möglich, auch im rauhen Stahlwerksbetrieb endet, welcher das Gas in der Nähe des Pfannendie Dichtflächen zwischen Kammer und Haube in io bodens von einer nicht veranschaulichten Gasquelle der für eine zuverlässige Abdichtung notwendigen aus zuführt. Das Gas wird mit einem Druck einge-Weise ausreichend sauber zu halten. leitet, der geringfügig höher liegt als der ferro-

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise statische Druck der Schmelze am Einlaß, und es erläutert. Es zeigt steigt nach oben auf, wobei es eine rührende Wir-

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt nach der Linie 15 kung hervorruft, welche im wesentlichen noch nicht 1-1 derFig.2, entgaste Schmelze, die von der Oberfläche weit ent-

Fig.2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach fernt ist, an die Oberfläche bringt, wo das Vakuum F i g. 1, nunmehr darauf einwirken kann. Helium, Argon

Fig. 3 eine Teilansicht in vergrößertem Maßstab oder trockene Luft können hierzu verwendet werden, mit Teilen der in den F i g. 1 und 2 veranschaulich- _ao Ein Strahlungsschutz-Schild 35 ist durch eine geten Vorrichtung und eignete nicht veranschaulichte Einrichtung abgestützt,

Fig.4 eine graphische Darstellung eines prakti- _und zwar entweder an dem Zwischenteil 11 oder an sehen Anwendungsbeispiels der Erfindung. einem anderen Bauteil, wobei die genaue Art der

In Fig. 1 ist eine Vakuumkammer veranschau- Halterung nicht einen wesentlichen Teil der Erfinlicht, die im wesentlichen aus einem unteren Teil in 25 dung bildet. Der Strahlungsschutz-Schild 35 zeigt Form der Kammer 10, einem Zwischenteil 11 und einen überstehenden Teil 36 zur Anpassung an die einem Deckel 12 besteht. Zwischenteil 11 und Deckel Stopfenstange 29 und drei Elektroden-Öffnungen, 12 bilden eine Haube, welche die Vakuumkammer von denen zwei mit 37 und 38 bezeichnet sind, nach außen luftdicht abschließt. Der untere Teil 10 Die drei Elektrodenanordnungen sind allgemein

zeigt im wesentlichen eine zylindderförmige Wan- _3O mit 40, 41 und 42 bezeichnet. Jede dieser Elektrodendung und an seinen oberen Kanten einen dichtenden anwendungen ist einer geeigneten Öffnung in dem Flansch 13, der eine Ausnehmung zur Aufnahme Deckel 12 zugeordnet, wie dies am besten aus einer Dichtung 14 aufweist. Eine Leitung 15 verbin- F i g. 1 hervorgeht. Da die Elektrodenanordnungen det die Kammer mit irgendeiner geeigneten Vakuum- einander identisch sind, genügt die Beschreibung quelle, wobei es sich um eine mehrstufige Dampf- 35 einer derselben.

Strahlpumpe handeln kann. Bei der Verwendung Die Elektrodenanordnung in F i g. 1 bis 3 zeigt all-

einer Dampfstrahlpumpe hängt die Zahl der verwen- gemein einen T-förmigen Elektrodenkopf 44. Dieser deten Stufen zu einem gewissen Ausmaß von der j_st aus zwei Teilen zusammengesetzt, die durch Klem-Höhe des in dem Behälter erwünschten Vakuums ab. mung oder in anderer Weise demontierbar mit einer Bei einem Behälter von etwa 34000 bis 54 000 Liter _4O elektrischen Leitung in Form einer Stange 45 verFassungsvermögen würde eine vierstufige Dampf- bunden sind.

Strahlpumpe ausreichend sein, einen Druck von we- Bei dem in F i g. 1 veranschaulichten Ausführungsniger als 1 mm Quecksilbersäule absolut innerhalb beispiel ist die Stange 45 aus einem Stück gebildet, von 5 bis 10 Minuten zu erzeugen. das in einem Gewindeteil 46 endet.

Der Zwischenteil 11 weist einen Mantel 17 auf, ₄₅ Die genannte Elektrode und die damit verbunder an seinen Kanten an Dichtungsflanschen 18 und denen Bauteile werden mittels einer doppeltwirken-19 endet. Wie am besten in den Fig. 1 und 2 veran- den hydraulischen Kolben-Zylinder-Einrichtung 47 schaulicht ist, kann die Form des Zwischenteils als angehoben und abgesenkt. Der Zylinder sitzt, wie in ein Konus mit schrägen Flächen bezeichnet werden. ρ ig. 3 gezeigt, auf einem zylindrischen Ring 48 auf, Der untere Dichtflansch 18 paßt auf den oberen _5o der an einem Dichtungsflansch 49 befestigt ist. Dieser Dichtflansch 13, und die Dichtung 14 ist zwischen Dichtungsflansch 49 ist seinerseits an dem oberen diesen beiden Flanschen angeordnet. Eine Ausneh- Flansch 50 einer Elektroden-Haltevorrichtung 51 anmung ist im oberen Dichtflansch 19 zur Aufnahme geordnet, die an dem Deckel 23 angeschweißt ist. einer geeigneten Dichtung 20 angeordnet. Ein Isolationsring 52 ist zwischen den Flanschen 49

Der Zwischenteil 11 wird mittels einer geeigneten _{55 un}d 50 angeordnet und mittels Dichtungen 53 und Hebevorrichtung 21 angehoben und abgesenkt sowie 54 abgedichtet. Der Isolationsring kann aus irgendhorizontal geschwenkt. Da die Einzelheiten der Hebe- einem geeigneten Material hergestellt sein. Eine Vorrichtung selbst keinen wesentlichen Teil der Er- 2,5 cm starke laminierte Kunststoffplatte ist hierzu findung bilden, sind sie nicht weiter veranschaulicht erfolgreich verwendet worden. Der Dichtungsflansch oder beschrieben. Der Deckel 12 zeigt einen schalen- 60 49 ist mittels Isolationsbuchsen 55 mit dem oberen förmigen Teil 23, der in einem Flansch 24 endet. Flansch 50 verschraubt, wobei die Buchsen gleich-Die luftundurchlässige Dichtung ist zwischen dem f_an_{s aus} f_estem laminiertem harzartigem Kunststoff Zwischenteil 11 und dem Deckel 12 durch die Dicht- hergestellt sein können.

Vorrichtung 20 gebildet, die zwischen den Flanschen Ein Paar konzentrisch angeordneter Gehäuse ist

19 und 24 zusammengedrückt ist, wenn die Teile 65 mit 56 und 57 bezeichnet. Das Gehäuse 56 ist luftsich in der in Fig. 1 veranschaulichten Lage be- dicht mit der Unterseite des Flansches 50 und der finden. Oberseite des Deckels 12 verschweißt. Das Gehäuse

Eine in die Vakuumkammer eingesetzte Gieß- 57 ragt nach unten bis zu einer Höhe unterhalb des

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oberen Bereiches des Zwischenteiles 11, wie am besten aus F i g. 1 hervorgeht.

Der untere Flansch 59 des Ringes 48, der Dichtungsflansch 49, der Isolationsring 52 und der obere Flansch 50 haben fluchtende, gemeinsame Öffnungen, in denen die zylindrische Stange 60 gleitend aufgenommen ist. Eine doppelte Vakuumdichtung ist mit 58 bezeichnet.

Die zylindrische Stange 60, die vorzugsweise als Hohlstange mit einem Innendurchmesser ausgebildet *< > ist, der zur Schaffung eines kleinen Abstandes gegenüber der Elektrode 45 groß genug ist, ist an ihrem oberen Ende in einen Dichtflansch 61 eingeschraubt, der seinerseits mit dem Kopf der Elektrodenanordnung verschraubt ist. Das untere Ende der zylindri- ¹S sehen Hohlstange 60 ist in eine elektrische Verbindungsmuffe 62 eingeschraubt, die eine öffnung 63 zur Aufnahme der Elektrode 45 aufweist. Ein Kupferring 83 stellt eine gute elektrische Verbindung zwischen der Elektrode 45 und der zylindrischen Hohlstange 60 her. Die anliegenden Flächen zwischen dem Dichtungsflansch 49 sowie dem Kopf 44 und der zylindrischen Hohlstange 60 können verzinnt sein.

Kombinierte Abflüsse und Zuleitungen zu den Zylindern 47 sind mit 64 und 65 bezeichnet. In Abhängigkeit von der Flußrichtung des Öles oder eines anderen hydraulischen Druckmittels bewegt sich der Kolben in dem Zylinder 47 nach oben oder unten und nimmt die Elektrode 45 und die zylindrische Stange 60 mit.

Ein Wassermantel 67 ist vorgesehen, um eine Überhitzung der Wandungen der Zylinderanordnung 47 zu verhüten. Ein Einlaß 68 und ein Auslaß 69 sind zur Herstellung des Kühlmittelflusses im Gegen-Stromprinzip vorgesehen.

Das untere Ende der Elektrode 45 ist gemäß F i g. 1 in eine aus Graphit bestehende Nase 70 eingeschraubt; während das Material der Nase ausgetauscht werden kann, ist es wesentlich, daß die elektrische Verbindung hergestellt ist, damit der Lichtbogen zwischen der Elektrode 45 und dem Spiegel der Schmelze 71 entsteht. Mehrere herkömmliche, um die Stange angeordnete Hülsen sind mit 72 bezeichnet.

Herkömmlicher Dreiphasen-Strom kann an dem Elektrodenkopf 44, wie in Fig. 2 gezeigt, mittels dreier Paare von Leitern zugeführt werden, die jeweils mit 73-74, 75-76 und 77-78 bezeichnet sind. Die elektrische Verbindung zwischen den Leitern und ihrem ihnen zugeordneten Teil des Elektrodenkopfes 44 ist in irgendeiner geeigneten Form hergestellt. Beispielsweise ist jeder Leiter gemäß F i g. 3 mittels einer Verschraubung 79 befestigt, deren Einzelheiten für das Verständnis der Erfindung nicht von Bedeutung sind.

Sechs von einer beliebigen geeigneten Stromquelle kommende Kabel sind gemäß Fig. 2 über eine Schiene 80 geführt, die ihrerseits durch irgendeinen Rahmen 81 an dem Deckel 12 gehalten ist. Vorzugsweise wird Dreiphasen-Wechselstrom mit einer Spannung von 100 bis 200VoIt oder mehr verwendet, der im Dreieck geschaltet ist und den Elektroden 45 von irgendeiner geeigneten Stromquelle zugeführt wird.

Ein Behälter für Zuschläge ist mit 82 bezeichnet, Legierungszusätze und/oder schlackebildende Zusätze können zu einem beliebigen Zeitpunkt der Reihe nach unter Verwendung dieser Behälteranordnung der Schmelze zugeführt werden.

Im nachfolgenden wird die Wirkungsweise der Erfindung näher erläutert:

Bei dem in den F i g. 1, 2 und 3 veranschaulichten Dreiphasen-Elektrodensystem wird eine wesentliche Einsparung des Wärmeverlustes erzielt, indem die Schmelze 71 der Wechselstrom-Lichtbogenbildung während der Zeit unterworfen wird, in der das Metall sich in dem geschlossenen Vakuumbehälter befindet und dem Vakuum ausgesetzt wird.

Der Deckel 12 und der Zwischenteil 11 sind schwenkbar und können durch eine Hebe- und Schwenkvorrichtung 21 als eine Einheit abgehoben werden. Bevor die Gießpfanne 26 in den Behälter eingebracht wird, werden die zylindrischen Stangen 60 durch die erwähnten Hydraulikvorrichtungen zurückgezogen, so daß die unteren Enden der Elektroden 45 über dem durch den Flansch 13 bestimmten oberen Rand des Behälterteils 10, der sogenannten Kammer, stehen. Wenn der Zwischenteil und der Deckel nach der Seite geschwenkt sind, wird die Gießpfanne mit der von einem Elektroofen oder einem anderen Gefäß vorbereiteten Schmelze in den Behälterteil 10 des Vakuumbehälters gestellt. Es soll betont werden, daß an diesem Punkt des Verfahrens die Schmelze wesentliche Mengen von verunreinigenden Gasen enthält, insbesondere Wasserstoff, Sauerstoff, Oxyde und Stickstoff..

Nachdem die Pfanne in die Kammer 10 gebracht ist, schwenkt die Hebe- und Schwenkvorrichtung 21 den Zwischenteil und den Deckel wieder auf den die Kammer bildenden Behälter 10 in die dichtende Verbindung, und es erfolgt die Evakuierung durch das Rohr 15. Die Hydraulikzylinder 47 bewegen daraufhin die Elektroden nach unten in eine Lage über dem Schmelzspiegel. Die wichtigste Funktion der hydraulischen Kolben-Zylinder-Vorrichtungen ist es, die Elektroden anzuheben und abzusenken, so daß sie die Zündung zwischen den Elektroden und der Schmelze bewirken. Die erwähnten Kolben-Zylinder-Vorrichtungen sind nicht dazu vorgesehen, während der Entgasung zu arbeiten, wie dies bei herkömmlichen, mit Gleichstrom arbeitenden Lichtbogen-Schmelzöfen der Fall ist, bei denen der Abstand zwischen dem unteren Ende der Elektrode und dem Schmelzspiegel kontinuierlich elektrisch gemessen und geregelt wird. Sie können im Bedarfsfall verwendet werden, um eine grobe Verstellung von Hand vorzunehmen.

Bei dem Pfannenentgasungsverfahren kann es vorteilhaft sein, die Elektroden nach einer gewissen Zeitspanne dem Spiegel folgend abzusenken wodurch die Intensität erniedrigt wird. In keinem Falle ist aber ein kontinuierliches Messen der Spannung und ein Nachregulieren der Elektrodenlage erforderlich.

Es ist eine Einsparung an Temperaturabfall im Bereich von 20° C bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Stahlbehandlung festgestellt worden. Vergleichsweise können die in der Tabelle zusammengestellten Daten angegeben werden.

Der Vergleich der einzelnen Chargen bei Verfahren mit und ohne Lichtbogen zeigt, daß die Temperatureinsparung ungefähr 15 bis 30° C beträgt. Es soll bemerkt werden, daß die in der Tabelle erwähnten mit und ohne Lichtbogenheizung erzeugten Chargen sich auf Vorgänge beziehen, die etwa 30 Minuten lang dauerten.

Keine Lichtbogenheizung

Charge	Qualität	4340	1675	1675	Produktions	Abstichzeit	00	Zeit unter	Zeit zum	:00	Zeit im	(in ΙΟ-³ mm Hg)	L	Gesamt
Nr.		4340	1660		gewicht in	in	00	einem Druck	Behälter in	:00	Behälter in		M	zeit in
		Temperatur	1670	1658	kg		00	von 1 mm Hg	min/sec	:55	min/sec	620 +	M	min/sec
145 405	X-3995	vor dem		50 000	min/sec	00	in min bzw.	14	:45	12:00	590 +		30:00
155 579	X-4143	Abstechen	1690	46 000	4:	00	min/sec	9	:57	16:00	2,1 mm+	M	28:00
155 580	X-4144		1670	50 000	3:	00		9	:52	16:00		L	28:55
155 582	X-4146	in ⁰C	1715	50 000	3:	00	6,7	9	:55	16:00	430	L	27:45
145 317	4140	Keine Lichtbogenheizung	1685	57 000	2:		8,3	9		20:00	500	M	31:57
145299	4340	145 405	Mit Lichtbogenheizung	57 000	2:		Druck über	7		20:00	550		30:52
145 458	niedrig legiert	155579	155 647	60 000	3:	18	1 mm Hg	9	:12	22:00	700	M	33:55
Mit Lichtbogenheizung	155 580			2:	8:0		Unterster Druck
155 647		155 660	52 000		6:30	—	vor dem Zusatz	15:18	880+	sehr leicht	31:50
155 660	155 582	55 000		4:30	5	oder während	18:00		33:48
Charge	145 317	Temperatur	6:	7:00		der Arbeit	Schlacken	970 +	H₂ N₂ O₂
Nr.	145 299	nach dem	Tempe			volumen
	145 458	Evakuieren	ratur	7,2

	in ⁰C	differenz	2,7		ppm (°/o-⁴)

1543	in ⁰C		1,4 — —
1535			1,1 20 25
1543	132		1,2 26 104
	135		1,4 24 52
1557	127		1,5 27 27
1556			1,4 29 24
1565	143		1,5 22 81
1559	114		1,5 25 33
	150
1560	126		2,0 30 62
			2,2 29 75
1556	115		1,6 27 31

	102

Wechselstromwerte:

Charge 155 660 - 4000 + Amp. (angenähert);
Charge 155 647 - 3000 + Amp. (angenähert).

T ,ichtbogen über der Zeit:

Charge 155 660 - 10 min;
Charge 155 647-11 min.

Schlackenvolumen:

L — groß; M — mittel; + kein Behälterzusatz.

Es können natürlich noch größere Einsparungen des Wärmeabfalls erzielt werden, indem die Kapazität des elektrischen Systems erhöht wird. Beispielsweise kann daran gedacht werden, Elektroden mit Durchmessern von 10 bis 60 cm und noch stärker zu verwenden. Auch können größere Stromstärken von 18 000 bis 20 000 Ampere und mehr zur Anwendung gelangen. Mit derartig großen Kapazitäten kann es möglich sein, den Temperaturabfall vollständig zu vermeiden oder die Temperatur sogar noch zu erhöhen, was natürlich von den physikalischen Eigenschäften des Systems abhängt.

In der graphischen Darstellung der Fig. 4 ist veranschaulicht, daß eine aus dem Ofen abgestochene Charge durch Behandlung in einer Vakuum-Kammer nach der Erfindung auch nach einer Aufbewahrungszeit von insgesamt 7V₂ Stunden [h] noch mit der gewünschten Gießtemperatur von 1525° C abgegossen werden konnte, indem jeweils nach einer gewissen beobachteten Abkühlung (voll ausgezogene Linien) die Charge durch Einschaltung des Dreiphasen-Lichtbogens (gestrichelte Linien) wieder aufgeheizt wurde.

Die Einführung eines spezifischen, den Lichtbogen stützenden Gases zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens ist nicht erforderlich, und es ist auch keine besondere Art oder Konzentration der Außenluft zur erfolgreichen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nötig.

Der Abstand zwischen der Elektrode und der Schmelze ist nicht besonders kritisch. Diese Abstände können 75 mm bis zu über 1 m bei erfolgreichem Arbeiten betragen. Der tatsächliche Abstand wird sich natürlich jeweils ändern, und zwar wegen der Bewegung der Schmelze. Das nach oben strömende Reinigungsgas hebt und senkt den Schmelzspiegel, so daß der Abstand zwischen der Elektrodenspitze und dem Schmelzspiegel beispielsweise während des Reini-

gungsvorganges 75 mm betragen kann, und etwa 150 mm, wenn keine Reinigung oder keine Vorrichtung zum Bewegen der Schmelze Verwendung findet. Es ist aber erforderlich, die Lage der Elektroden infolge des Druckes oder in Abwesenheit eines bewegenden Mittels zu ändern, oder um Änderungen in der Intensität zu bewirken.

Durch die Anwendung eines Dreiphasen-Stromes können die Elektroden-Durchmesser für irgendeinen vorgegebenen Energieaufwand im Vergleich zum Einphasenstrom kleiner gehalten sein. Darüber hinaus kann das Dreiphasensystem mit einem Null-Leiter zwecks Erdung der Gießpfanne arbeiten. Hierbei tritt das Problem, große Stromstärken durch die Gießpfannenauskleidung zwecks Erdung zu leiten, nicht auf.

Durch das oben beschriebene Verfahren nach der Erfindung wird ein gutes Verhältnis der Wärmezufuhr zur bereits vorhandenen Wärmemenge erzielt. Die elektrischen Lichtbögen zwischen den Elektroden und dem Schmelzspiegel erzeugen einen großen Wärmeübergang zu der Schmelze im Gegensatz zu einem Lichtbogen, der zwischen zwei Elektroden in einem bestimmten Abstand über der Schmelzfläche gezogen wird. Wenn ein Wärmeschild zwecks Konservierung der Wärme verwendet wird, ist klar, daß der Wärmeübergang in der Nähe der Oberfläche konzentriert wird. Dies steht im Gegensatz zu der Bildung eines Lichtbogens, der über den Vakuumraum verteilt ist und nur dazu dient, die Vakuumkammer und den Behälter zu überhitzen. Das Überhitzen dieser Teile ist bei der Durchführung der Erfindung nicht erwünscht, und in einigen Fällen widerspricht dies sogar dem Erfindungsgedanken.

Einer der großen Vorteile der Erfindung besteht in der Tatsache, daß durch das zusätzliche Erwärmen eine zeitliche Ausdehnung des Verfahrens ermöglicht ist, Bisher sind bereits durch Vakuumentgasungsverfahren dieser Art die Anteile an Wasserstoff und Sauerstoff der Schmelze erfolgreich reduziert worden, aber der Stickstoffgehalt wurde hiervon nur in einem geringen Ausmaß betroffen. Obwohl der Stickstoff nicht so schädlich ist, wie Oxyde und Wasserstoff, kann er unter Umständen ein unerwünschtes Element bei gewissen Stahlsorten darstellen. Durch eine Verlängerung des Verfahrens steht mehr Zeit zur Entgasung einschließlich der Beseitigung des Stickstoffs aus dem Schmelzbad zur Verfügung, und somit wird ein geringerer Gasgehalt im Endprodukt erzielt.

Durch die Erfindung ist es darüber hinaus möglich, das Entfernen von Oxyden, wie beispielsweise von Aluminium- und Siliziumoxyden, zu erleichtern. Dies bedeutet, daß die unerwünschten Metallverbindungen, wie das Aluminiumoxyd, im Bereich des elektrischen Lichtbogens auf Temperaturen erwärmt werden, bei denen diese Verbindungen bei den niedrigen Drücken in dem Vakuumbehälter verdampfen. Wenn sie einmal verdampft sind, können sie mittels des Vakuumsystems abgepumpt werden. Hierdurch ist es möglich, chemische Reaktionen zur Durchführung dieser Vorgänge ganz zu vermeiden. Das Verdampfen der Oxyde zeigt sich durch den geringen Druckanstieg in der Vakuumkammer, während der Lichtbogen arbeitet.

Es soll außerdem bemerkt werden, daß keine Fremdgase in der Vakuumkammer vorhanden sind. Es soll unter der Bezeichnung »Fremdgase« verstanden werden, daß es sich um Gase handelt, die absichtlich zugesetzt wurden, um den Lichtbogen zu unterstützen oder die Atmosphäre zu ionisieren, im Gegensatz zu Gasen, die durch die Schmelze geleitet werden und somit als Mittel dienen, die Schmelze zu bewegen oder zu rühren. Derartige, eine Bewegung erzeugende Gase sind für alle praktischen Zwecke denjenigen Gasblasen äquivalent, die von der Schmelze sogar bei Abwesenheit eines besonderen Mittels zur Bewegung derselben entweichen, wobei es sich insbesondere um Kohlenoxydblasen handelt.

Es ist darüber hinaus beobachtet worden, daß die Lichtbögen eine günstige Wirkung auf das Fortblasen der Schlacke aus dem Bereich der Metallschmelze zeigen, an der der jeweilige Lichtbogen zündet, und dies ist in Fig. 1 veranschaulicht. Es ist erwiesen, daß die besten Entgasungsergebnisse erzielt werden, wenn der Spiegel der Metallschmelze frei oder verhältnismäßig frei von einer Schlackendecke ist. Die Abwesenheit einer Schlackendecke zeigt aber die nachteilige Wirkung des Wärmeverlustes in einem höheren Ausmaß, als wenn die Schlackendecke vorhanden ist. Es ist nunmehr möglich, das Verfahren mit einer Schlackendecke auf dem Metall durchzuführen, die geringfügig stärker ist als bei einem bekannten Verfahren (USA.-Patentschrift 31 45 096), bei dem die Decke dünner als bei herkömmlichen Verfahren ohne Vakuum ist. Dies zeigt darüber hinaus die günstigste Wirkung, die Verweil- oder Behandlungszeit zu verlängern, wodurch mehr Zeit zur Vakuumbehandlung zur Verfügung steht.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 der Elektrode gezogen wurde. Wegen der außer- Patentansprüche: ordentlichen Schwierigkeiten, bei niedrigen Drücken einen stabilen Lichtbogen bei handelsüblichen

1. Verfahren zur Vakuumbehandlung, ins- Stromfrequenzen aufrechtzuerhalten, fanden jedoch besondere zur Vakuumentgasung, von Stahl- 5 hierbei abschmelzende Elektroden Anwendung, schmelzen unter gleichzeitiger Beheizung des welche sich selbst verzehrten und eine Zusammen-Stahlbades, bei dem die in einem vorausgegan- Setzung aufwiesen, durch die die Erzeugung einer genen Prozeß gewonnene Stahlschmelze während großen Ionendichte während des Abschmelzens zur der Vakuumbehandlung durch Lichtbogen unter Aufrechterhaltung eines stabilen Lichtbogens sicher-Verwendung von nichtabschmelzenden Elek- ¹⁰ gestellt war. Der Abschmelzelektrode mußten zu dietroden erhitzt und gleichzeitig umgerührt wird, sem Zweck entsprechende Zusätze zugegeben werdadurch gekennzeichnet, daß mittels den (USA.-Patentschrift 30 24102 und »Elektro-Dreiphasenstrom Lichtbogen zwischen den drei wärme«, Band 19, Juni 1961, S. 227), welche in die Elektroden und dem Stahlbad erzeugt und be- Schmelze übergingen und deren Zusammensetzung trieben werden, während gleichzeitig Spülgas *5 beeinflussen. Außerdem ist bei selbstverzehrten Elekdurch das Stahlbad geleitet wird. troden eine sehr aufwendige Steuereinrichtung not-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- wendig, die die zur Erzeugung und Aufrechterhalkennzeichnet, daß die Stahlschmelze an Stelle tung des Lichtbogens notwendigen Werte, wie die mit Spülgas auf induktivem Wege umgerührt Vorschubgeschwindigkeit der Abschmelzelektrode, wird. ^ao Spannung und Stromstärke, einander anpaßt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfah- Die Erfindung befaßt sich demgegenüber mit den rens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet Problemen der Vakuumbehandlung von in einem durch eine mit einer aus Deckel (12) und Zwi- vorausgegangenen Arbeitsgang gewonnenen Stahlschenteil (11) bestehende abnehmbare Haube schmelzen. Die Erfindung geht dabei davon aus, daß (11, 12) luftdicht abgeschlossene Kammer (10) ²5 bei der Vakuumentgasung von Stahl erfahrungszur Aufnahme einer den zu behandelnden Stahl gemäß eine große Oberfläche des Stahlbades im Ententhaltenden Gießpfanne (26), in welcher drei gasungsgefäß notwendig ist und während der Entnichtabschmelzende Elektroden (40, 41, 42) an- gasung das Stahlbad sehr stark schäumt und spritzt, geordnet sind, deren Enden gegen die Ober- Durch die abgestrahlte und abgeleitete Wärmemenge fläche der Stahlschmelze (71) in der Gießpfanne 3° tritt daher ein erheblicher Temperaturverlust ein, der (26) gerichtet sind, und eine Vorrichtung für das ersetzt werden muß, um einmal die Abstichtempe-Umrühren der Stahlschmelze (71) innerhalb der ratur auf der notwendigen Höhe zu halten und zum Gießpfanne (26) vorgesehen ist. anderen in vielen Fällen, um die bestimmten Tempe-

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- raturgrenzen einzuhalten, welche für die Erzielung kennzeichnet, daß in der Nähe des Bodens der 35 ausgewählter Stahlqualitäten erforderlich sind.

die Stahlschmelze (71) aufnehmenden Gieß- Wegen der Schwierigkeiten der Aufrechterhaltung

pfanne (26) Leitungszuführungen für die Einfüh- eines stabilen, in bezug auf die verwendete Stromart

rung eines Spülgases für das Umrühren der nicht näher beschriebenen Lichtbogens im Vakuum,

Schmelze vorgesehen ist. welche durch das erwähnte heftige Kochen des Stahl-

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeich- 4° bades bei der Vakuumbehandlung noch vergrößert net durch die Anordnung von Induktivspulen für werden, ist der Vorschlag bekanntgeworden, die das Umrühren der Stahlschmelze (71). Vakuumentgasung in mehreren Stufen durchzuführen

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, und eine Lichtbogenbeheizung nur in der Stufe mit dadurch gekennzeichnet, daß die nichtabschmel- dem niedrigsten Vakuum anzuwenden (österreichische zenden Elektroden (40, 41, 42) in dem Deckelteil 45 Patentschrift 2 02172).

(12) der abnehmbaren Haube der luftdichten Eine derartige Arbeitsweise war jedoch technisch

Kammer (10) angeordnet sind. schwierig durchführbar, hinsichtlich der notwendigen

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6, Apparatur sehr aufwendig und ließ sich daher wirtgekennzeichnet durch die Anordnung eines mit schaftlich im großtechnischen Maßstab nicht durch-Durchbrüchen (37, 38) für die Elektroden (40, 50 führen.

41, 42) versehenen Hitzeschildes (35) oberhalb Ein weiterer bekannter Weg zum Ausgleich der

der Gießpfanne (26). bei der Vakuumbehandlung notwendigen Tempe

raturverluste bestand darin, die Stahlschmelze vor dem Abstich in die Vakuumeinrichtung zu über-55 hitzen, um durch die Überhitzung einen gewissen

Wärmevorrat zu schaffen. Eine derartige Arbeitsweise war jedoch infolge der zerstörenden Wirkung der angewandten hohen Überhitzungstemperatur auf die Auskleidung der Behandlungsgefäße sehr nach-

Elektro- oder Lichtbögenöfen zum Schmelzen von 60 teilig und ließ sich technisch hinsichtlich der Ein-Stahl, die mit Wechsel- bzw. Drehstrom arbeiten, haltung bestimmter Temperaturen nicht genau sind seit langem bekannt. In diesen öfen wird bei- genug beherrschen.

spielsweise Stahlschrott unter Atmosphäreneinfluß Man hat schließlich auch schon versucht, eine

geschmolzen. Es ist fernerhin bekannt, das Nieder- Beheizung einer unter Vakuumbehandlung stehenden schmelzen von Titan und verwandten Metallen, wie 65 Stahlschmelze mit Hilfe von Wechselstromelektroden Molybdän, mit Hilfe eines Lichtbogens im Vakuum durchzuführen, bei denen der Lichtbogen zwischen durchzuführen, wobei ein Lichtbogen zwischen dem den Elektroden gezogen wurde. Hierbei hat man niederzuschmelzenden Gut bzw. der Schmelze und auch schon die Elektroden so angeordnet, daß durch