DE1811151A1

DE1811151A1 - Schmelzelektrodenverfahren zum Herstellen eines Gussblockes und Schmelzelektrodenofen fuer dieses Verfahren

Info

Publication number: DE1811151A1
Application number: DE19681811151
Authority: DE
Inventors: Tommaney Joseph William
Original assignee: Allegheny Ludlum Steel Corp
Current assignee: Allegheny Ludlum Steel Corp
Priority date: 1967-12-29
Filing date: 1968-11-27
Publication date: 1969-08-07
Also published as: SE356315B; GB1240550A; US3672428A; AT300223B; BE726122A; FR1598672A

Description

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PATENTANWÄLTE IQ * I I vM

DR.W.SCHALK· DIPL.-ING. P. "WlRTH · DIPL.-I NG. C. DANN ENBERG DR. V. SCHMIED-KOWARZIK · DR. P. WEINHOLD

6 FRANKFURT AM MAIN

OR. EtCHINHIIMIK «TR. »9

26 ο November 1968

Da/Fa AI-488

Allegheny Ludlum Steel Corporation

2000 Oliver Building Pittsburgh, Pennsyl. / USA

Schmelzelektrodenverfahren zum Herstellen eines Gußblocks und Schmelzelektrodenofen für dieses

Verfahren

Die Erfindung betrifft ein Schmelzelektrodenverfahren zum Herstellen eines Gußblocks aus Metall, wobei ein Ende der zu schmelzenden Elektrode in eine Gußpfanne eingebracht und ein elektrischer Strom zwischen der Gußpfanne und der Elektrode übergeführt wird, durch den die Elektrode fortschreitend von diesem Ende her abgeschmolzen und die Schmelze am Boden der Gußpfanne gesammelt wira und sich fortschreitend verfestigt und den Gußblock bildet; weiter betrifft die Erfindung einen für dieses Verfahren geeigneten Schmelzelektrodenofen.

Schmelzelektrodenöfen sind heute allgemein bekannt und bestehen gewöhnlioh aus einer Elektrode aua dem zu schmelzenden Metall, die sich nach unten in eine Gußpfanne oder exnen Schmelztiegel erstreckt, in dem sich aus dem geschmolzenen

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Metall ein Gußblock bildet. Me Elektrode ist an eine Klemme einer Gleichstromquelle angeschlossen, während die andere Klemme der Spannungsquelle mit dem Schmelztiegel, und damit mit dem geschmolzenen Metall, verbunden werden kann. Gewöhnlich wird zu Beginn des Schmelzvorgangs eine kleine Menge von Spänen od. dgl. in den Schmelztiegel gebracht, die beim Überschlagen des Lichtbogens geschmolzen v/erden und einen ersten Vorrat an geschmolzenem Metall am Tiegelboden bilden, "nährend der Lichtbogen zwischen der zu schmelzenden Elektrode und der metallischen Schmelze darunter aufrechterhalten wird, schmilzt das Ende der Elektrode infolge der Wärme des Lichtbogens, Die schmelzende Elektrode bildet in der Gußpfanne eine Schmelze, deren unterer Teil sich ständig verfestigt, während die Elektrode weiter absehmilzt und einen Gußblock bildet, der vom Boden aus immer weiter nach oben wächst. Bei diesem Vorgang steigen Verunreinigungen an die Oberfläche der Schmelze und bleiben dort in der Schwebe, so daß - vorausgesetzt»daß die Schmelze sich nicht während der Bildung des Blocks verfestigt - der größte Teil der Verunreinigungen aus dem Eauptteil des Gußblocks beseitigt wird«

Bei den meisten Schmelzelektrodenöfen ist die negative Klemme der Gleichstromquelle an die Elektrode angeschlossen. Diese Anordnung, die allgemein als "gerade Polarität" bezeichnet wird, bewirkt eine Energieaufteilung, bei der nur ein Teil der entwickelten Gesamtenergie als Wärme zum Schmelzen der Elektrode verfügbar ist. Die übrige Energie liefert r/arme an den Guß-

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- 3 - ■ Ii j OA-uLieltSr -Cf

block oder an die Schmelze imVSchmelztiegelA Die auf diese Weise erhaltene Energieaufteilung - d.h. die an die Anode oder die Kathode abgegebene Wärmemenge - hängt von der zu schmelzenden Legierung bzw. dem zu schmelzenden Metall ab. Bei den meisten Stahlarten führt der durch den Gesamtenergieabfall an Anode und Kathode dargestellte Teil an Energie zu einer Energieverteilung von etwa 40 - 60# an der Kathode (d.h. an der zu schmelzenden Elektrode) und dem Rest von 60 - 40$ an der Anode. Ein extremer Fall int Wolfram, bei dem etwa 90$ der Energie an der Anode entwickelt werden und 10$ an der Kathode.

Bei gerader Polatität bewirkt nur die an der Kathode entwickelte Energie das Schmelzen der Elektrode, während die an der Anode entwickelte Energie, anstatt zum Schmelzen der Elektrode biezutragen, die Überhitzung in der Schmelze fördert. Daher führt die an der Anode erzeugte Energie oazu, daß die Schmelze tiefer wird, und es hat sich gezeigt, daß dies verschiedene Nachteile, z.B. tiefere Lunker und/oder größere Schwierigkeiten beim Heiiitoppen (hot topping) der üußblöcke, mit sich bringt. Hinzu kommt, daß die zusätzliche .lärme an der Anode und die sich daraus ergeoende Vertiefung der Schmelze den Gußblock empfindlicher gegenüber Weigerung (z.B. Sprenkelung) macht una eine langsamere Schmelzrate erfordert,als das bei einer flachen SciKielze der Fall wäre.

Das Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Vergrößern des Spannungsgefälles au der Elektrode eines

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j. c¹ ~iz ι j ~ι^η ~ ι äor jll©lE'&3?©Äe eines

"i " ' ^Ί η'- j i^Trl ^ y ι ^,ογη des⁵ Eri©s?giekoas@a-L¹I α τ" gIwI*' niji j-'ii j »^^ llektrocleo Bass wird gemäl der Erfindung dadurch' erreicht, daß d@r Schm©lae eiae aetallisolie Verbindung hinzugegeben und vorsngsfieie© die normale Polarität einer Gleichstromquelle so gwi@eh.ea ftie Elektrode uad die Gußpfanne angelegt wird, daß die dußpfanne la "bezug auf die Elektrode negativ ist. Das steht Im Gegensatz zu bekannten Schmelzelektrodenöfen, "bei denen die Elektrode In beäug auf die Gußpfanne negativ ist.

Eine bevorzugte Form der Erfindung betrifft ein Terfataen der beschriebenen Art, bei dem die zu der Schmelze hinzugefügte metallische Verbindung ein Metalloxyd aus der Gruppe ist, zu der Bariumoxyd, Calciumoxyd, lickeloxyd, Thoroxyd, Üütanioxyd, Lanthanoxyd, Strontturnoxyd, Ceroxyd und Zäsiumoxyd gehören«

Weiterhin schafft die Erfindung ein Verfahren zum Heißtoppen von Gußblöcken in einem Schmelzelektrodenofen, bei dem die Elektrode in bezug auf die unter ihr befindliche Schmelze positiv ist, .und bei dem direkt vor dem Heißtoppen eia Metalloxyd

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zu der Schmelze hinzugefügt wird. Das gibt das Zeichen zum Beginn des Heißtoppens, verringert die Bogenspannung und gibt dem Bogen Beständigkeit, so daß ideale Bedingungen für das Heißtoppen erreicht werden.

Gemäß der Erfindung wird weiter ein Schmelzelektrodenofen der

vorstehend beschriebenen Art vorgesehen, bei dem eine Elektrode eingesetzt und zwischen der Elektrode und der Gußpfanne in eine Gußpfanne/eine Spannung erzeugt wird, wobei die an der Elektrode entwickelte Wärme dazu führt, daß diese schmilzt und in eine am Boden der Gußpfanne befindliche Schmelze tropft. Im Gegensatz zu den meisten bekannten Schmelzelektrodenöfen, wird eine Gleichstromspannung so zwischen die Elektrode und die Gußpfanne gelegt, daß die Elektrode in bezug auf die Gußpfanne positiv ist. Zu der Schmelze wird ein Metalloxyd, vorzugsweise Bariumoxyd, hinzugegeben oder auch Galciumoxyd, Wickeloxyd, Strontiumoxyd, Titandioxyd, Lanthanoxyd, Thoroxyd, Ceroxyd und Zäsiumoxyd. 'Jährend die normale Energieverteilung zwischen der Elektrode und der unter ihr befindlichen Schmelze etwa 50:50 ist," wird durch das Hinzufügen des Metalloxyds und das umkehren der Polati tat bewirkt, daß 90$ oder mehr der v/ärme an der Elektrode erzeugt werden. Das gestattet nicht nur merklich größere Schmelzraten ohne/Nachteil tiefer Schmelzen, sondern dadurch kann der Schmelzvorgang auch ohne Schaden für die Gußpfanne bei niedrigen Drücken durchgeführt werden. Ferner werden die Erträge vergrößert, weil Verluste beim Heißtoppen verringert werden; schließlich wird die Qualität des entstehenden Gußblocks verbesserte

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Vorzugsweise wird das Metalloxyd der Sehmeise hinzugefügt, indem es in ein Metallrohr gegeben wird, das so an die Seite der Elektrode angeschweißt wird, daß es während des gesamten Schmelzvorgangs fortlaufend schmust und Metalloxyd an die Schmelze abgibt. Gegebenenfalls kann das Oxyd jedoch auch in Form eines Pulvers oder von Körnchen während der Anfangsstadien des Schmelzvorgangs oder fortlautend während des Sehmelzvorgaag8_L vorzugsweise das letztere, zugegeben werden.

Das Hinzufügen eines Metalloxyds zur Schmelze kann bei gerader Polatrität auch dazu verwendet werden, das Zeichen für den Vorgang des Heißtoppens zu geben. In diesem Falle befindet sich das Metalloxyd vorzugsweise in einem am Oberende der Elektrode angeschweißten Rohr. Wenn der Lichtbogen das Rohr erreicht, wird das Oxyd befreit und tropft in die Schmelze, verringert dabei die Bogenspannung und gibt dem Bogen Beständigkeit, wodurch ideale Bedingungen für das Heißtoppen erreicht werden. Dadurch kann der Strom auf viel niedrigeren Werten gehalten werden, als es bei üblichen Vakuumschmelzen zulässig wäre, und dies führt zu dem Idealfall, daß die Elektrode während des Heißtoppens wenig oder gar nicht schmilzt< >

Nachstehend ist eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläuterts

Die Zeichnung zeigt einen als Ganzes mit 10 bezeichneten Schmelzelektrodenofen«, Der Ofen weist eine leitfähig© Sußpfau2?e baw₀

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einen leitfähigen Schmelztiegel 12 auf, die bzw^ der ζ .B₀ aus Kupfer hergestellt sein kann. Das obere offene Ende der Gußpfanne 12 ist von einem gasdichten Gehäuse 14 bedeckt, von dem aus eine Verbindung 16 zu einer nicht gezeigten Vorrichtung zum Evakuieren der durch die Gußpfanne 12 und das sie zudeckende Gehäuse 14 gebildeten Kammer 18 führt. Die Kammer 18 könnte stattdessen auch mit einem inerten Gas gefüllt sein, in jedem Falle ist Jedoch das zu schmelzende Metall vor Oxydation geschützte Die Gußpfanne 12 ist von einem Kühl- bzw. Wassermantel 20 umgeben, der Einlaß- und Auslaßanschlüsse 22 bzw. 24 aufweist. Der Wassermantel 20 ist an der Gußpfanne 12 und dem Gehäuse 14 durch in Umfang·!chtung im Abstand voneinander angeordneten Schrauben 25 und geeignete Dichtungen, etwa wie gezeigt, befestigt·

Die Gußpfanne 12 enthält den Gußblock 26, der sich aus einer Schmelze 28 heraus verfestigt, die sich benachbart zürn unteren Ende einer Elektrode 30 aus dem zu schmelzenden Metall befindet. Die Elektrode 30 ist, wie bei 32 gezeigt, an einem Ansatzschaft 34 angeschweißt· Der Ansatzschaft 34 seinerseits ist durch eine Elektrodenklammer 36 am unteren Ende eines vertikal hin- und herbewegbaren Trägers 38 befestigt. Jede geeignete Elektrodenklammer 36 kann bei der Erfindung verwendet werden, als Beispiel sei jedoch die in der US-Patentschrift 3 046 319 gezeigte genannt·

Der Träger 33 kann durch eine beliebige mechanische Antriebs-

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vorrichtung -üil? uafl ab 'O-yneg^ W3rdea_s toad dis hier gezeigte Vorrichtung weist ein Paa:*? (••j'oliiüiä-Eöllea 40 iiai 42 asf _P τοη denen die Hells 42 üb sr sisie dureh. die geetrieJasi'feo Siaia 46 seheiiatisoh dargestellte iuabriebairerlaindung mit einem Motor ist, Be;·? Motor 44 seinerseits wird durch einen Bogen-Sueuerst-romkPeis 48 gesteuert, der κ»Β» das herkömmliche Bogeaepanairngs-Steiiersystem aufweisen kann» "bei dem der Träger 38 als eine fmalrtion der am Bogen zwischen" dem unteren Ende der Elektrode 30 und der Schmelze 2Q herrschenden Spannung gehoben und gesenkt wird.

Den Träger 38 umgibt eine Klammer 50, die über ein erstes biegsames Kabel 52 an eine Gleichstromquelle 54 angeschlossen ist. Die andere Klemme der Stromquelle 54 ist, wie gezeigt, über ein weiteres Kabel 56 an die Gußpfanne 12 angeschlossen· Beim Anlegen eines Gleichstroms zwischen der Klammer 50 und der Gußpfanne 12 wird zwischen dem unteren Ende der Elektrode 30 und der Schmelze 28 ein Lichtbogen oder Bogenplasma 58 erzeugt.

Wie bereits erwähnt, ist es üblich, zu Beginn des Schmelzvorganges eine kleine Menge von Spänen od.-dgl. auf den Boden der Gußpfanne 12 zu legen, so daß die Späne beim Überschlagen des Lichtbogens geschmolzen werden und einen ersten Vorrat an geschmolzenem Metall in der Gußpfanne bilden. Nach dem Überschlagen des Lichtbogens wird dieser zwischen der zu schmelzenden

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Elektrode und der metallischen Schmelze darunter aufrechterhalten, wobei die Elektrode infolge der Wärme des Lichtbogens schmilzt. Die Elektrode wird, während sie abschmilzt, durch den Motor 44 so abwärts bewegt, daß der gewünschte Bogenabstand aufrechterhalten bleibt. Die Stellung der Elektrode in bezug auf die Schmelze 28 kann auf verschiedene (/eise gesteuert werden, zur Veranschaulichung kann jedoch die zwischen der Klammer 50 und der Schmelze 12 bestehende Spannung (d.h. die Bogenspannung) über die Leitungen 60 und 62 dem Bogenspannungssteuerkreis 48 zugeführt werden. Bei Zunehmen der Bogenspannung wird dieses Zunehmen vom Stromkreis 48 wahrgenommen, der bewirkt, daß der Motor 44 den Träger 38 und die Elektrode 30 abwärts bewegt. Wenn umgekehrt die Spannung zwischen den Leitungen 60 und 62 abnimmt, und somit ein Verkürzen des Bogenabstandes angezeigt wird, so wird bew-irkt, daß der Motor 44 den Träger 38 und die Elektrode 30 aufwärts bewegt. Anstelle des vorstehend beschriebenen Bogenspannungssteuerkreises kann jedoch auch ein Störsignalsteuersystem,, wie z.B. das in den US-Patentschriften 3 186 043 und 3 187 078 beschriebene, verwendet v/erden. Da das Steuersystem für die Elektrode nicht 'Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, soll hier nur gesagt sein, dai3 jedes Steuersystem benutzt werden kann, das dazu geeignet ist, einen gewünschten Bogenabstand zwischen dem unteren Ende der Elektrode 30 und der Ljchmelze 28 aufrechtzuerhalten

V/ie vorstehend erwähnt, war es bisher allgemin üblich, die

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Gleichstromquelle 54 so an den Träger 38 und die Gußpfanne anzuschließen, daß die Elektrode 30 in "bezug auf den Gußbloek 26und die Sehmeise 28 negativ ist. Beim Schmelzen von Schmelzelektrode:»! bedeutet der Ausdruck "Bogenspannung" normalerweise den gesamten Spannungsabfall im Ofensystem. Das wäre die an einem Meßgerät zwischen den Leitungen 60 und 62 abgelesene Spannung. Diese Gesamtbogenspannung ist jedoch gemäß der folgenden Gleichung aufgeteilt:

Gleichung 1 ο) V₊ = Y_n + Y_& + V_p + V_p

Dabei ist

V₊ die zwischen den Leitungen 60 und 62 bestehende Gesamt-

bogenspannung,

V das Spannungsgefällen der Kathode (d.h. am unteren Ende der Elektrode 30 bei gerader Polatrität),

V das Spannungsgefälle an der Anode (d.h»~an der Oberfläche der Schmelze 28 bei gerader Polarität),

V das Spannungsgefälle im Bogenplasma 58 und

V der durch Widerstand bedingte Spannungsabfall im System.

Zu dem durch Y/iderstand bedingten Spannungsabfall V₃₇ im System gehören der Spannungsabfall in den Leitungen 52 und 56, der Klammer 50, dem Träger 38, der Klammer 36, der Elektrode 30 selbst und in der Gußpfanne 12. In einigen Fäller können diese

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Spannungsabfälle infolge von Lichtbogenbildung verhältnismäßig hoch sein, z.B. bei der Erhitzung, die durch die Wär^ie an der Klammer 50 oder der Elektrodenklammer 36 auftritt.

Aus der vorstehenden Gleichung ist ersichtlich, daß die im

System erzeugte wärme nach Maßgabe der Größen der einzelnen Spannungsabfälle aufgeteilt wird. Die zum Schmelzen verwendete Wärme wird an der Spitze der Elektrode 30 entwickelt. Bei gerader Polarität, wenn die Elektrode 30 in bezug auf die Schmelze 28 negativ ist, war diese Wärme proportional dem Spannungsgefälle V an der Kathode. Bei umgekehrter Polarität, wenn die Elektrode in bezug auf die Schmelze 28 positiv ist, würde sie den Spannungsabfall an der Anode darstellen. Die an der Oberfläche der Schmelze 28 erzeugte Wärme wird je nach der verwendeten Polarität entweder duxc.i <\ r, Spannungsabfall an der Kathode oder an der Anode dargestellt.

Als ein Beispiel für die vorstehend beschriebene Spannungsverteilung wurde ein Schnelldrehstahl von 36,5 cm Durchmesser bei gerader Polarität (d.h. bei negativer Elektrode) unter herkömmlichen Bedingungen bei einer Sesamtbogenspannung Y+ von 25 Volt und einem Bogenstrom von 4000 Amperes mit einer Schmelzrate von 5 lb/min (2,2680 kg/min) im Vakuum geschmolzen. Die durch ./iderstand bedingten Spannungsabfälle V und die Spannungsabfälle im Bogenplasma V vmrden dadurch bestimmt, daß die Elektrode langsam in die Schmelze _oetaucht wurde.

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Während sich der Bogenabstand verkürzte, sank die Spannung unter die vorher "bestehenden 25 Volt. Als die Spannung einen Wert.von 23,5 Volt erreichte, sank sie sofort auf einen Kursschlußwert von 1 YoIt. Daraus können Werte von 1 YoIt für V₂, und 1,5 Volt für V festgelegt werden. Folglich muß also die Summe V₀ +< V„ dem Restbetrag,, also 22,5 Volt, gleich sein« Da die Spannungsabfälle an der Anode und an der Kathode sich auf sehr kleine Gebiete mit sehr hohen Temperaturen beschränken, können sie nicht direkt gemessen werden. Der Spannungsabfall an der Elektrodenspitze kann jedoch mit der folgenden G-leichung errechnet Werdens

G-leichung 2.) MR = ^e£

MR = Schmelzrate in lb/min,

V = Spannungsabfall an der Elektrode in Volt

I = Schmelsstrom in Ampere und

k = eine Konstante, die sich mit der Art des verwendeten Materials ändert.

Bei Eisen, das bei seinem Schmelzpunkt eine Enthalpy von 565 BTU/lb (3H,H0 kcal/kg) hat, ist k = 9940 Wattminuten pro Ib. oder annähernd 10 .

Beim Einsetzen tatsächlicher Werte in diese Gleichung ergibt

V χ 4000
Gleichung 3.) 5 « _______ o^er Y_Q = 12,5 Volt

10⁴

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Da das Schmelzen bei gerader Polarität mit negativer Elektrode durchgeführt wurde, ist der Wert von V_Q auch der Wert von ^₀. Deshalb beträgt der Spannungsabfall an der Kathode 12,5 Volt und der Spannungsabfall an der Anode 10 Volt. Die Energieaufteilung beim Schmelzen ist dann folgendermaßen»

TABELLE I

P_r = 1.0Vx4000I»4 KW=4/60 =.066 K¹Wi= 225 BTU/min (56,70 kcal) P = 1.5Vx4OOOI=6 KW=6/60 ».100 KV/H= 340 BTU/min (85,68 kcal) P =12.5Vx4000I=50KW=50/60=».835 KWH=2840 BTU/min (715,68 kcal) P =1O.OVx4OOOI=4OKW=4O/6O=.667 KWH=2250 BTU/min (567.0 kcal)

Gesamt: » 5655 BTU/min (1325,1 kcal)

die Dabei sind P , P , P und P die Energien/aufgrund der durch

J? JJ C el

Widerstand bedingten Spannungsabfälle, im Bogenplasma, t an der Anode und an der Kathode erzeugt werden₀

Die Ziffe.rn der vorstehenden Tabelle I zeigen, daß annähernd 55$ der Summe von P„ und P_ an der Kathode und 45$ an der

c a

Anode erzeugt werden. So werden in jeder Minute des Schmelzvorgangs 225 BTU (56,70 kcal) Wärme zum Erwärmen der Leitungen "52 und 56 der Klammer 50, der Gußpfanne 12 und anderer Teile, durch die der Strom fließt, aufgewendet. Auch werden 340 BTU (85,68 kcal) pro Minute im Bogenplasma 58 erzeugt. 2840 BTU/min (715,68 kcal) werden an der Elektrodenspitze entv/ickelt, und dies ist die Wärme, die tatsächlich die Elektrode schmilzt» Das Beispiel zeigt auch, daß 2250 BTU/min (567,0 kcal) in der

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Schmelze entwickelt werden. Diese Wärme verstärkt die Überhitzung in der Sclimelze und trägt nicht zum tatsächlichen Schmelzen der Elektrode bei, außer Tieileicht,durch Strahlung von der Schmelze. Die in der Schmelze erzeugte Y/ärme führt also lediglich zu einer Vertiefung der Schmelze mit den damit verbundenen Nachteilen, z.B. titfere Seigerung und/oder größere Schwierigkeit beim Heißtoppen von G-ußblöcken.

Gemäß der Erfindung wird bei einer vorgegebenen Energieeingabe die in der Schmelze 28 erzeugte Wärme reduziert, und die an der Spitze der Elektrode 30 erzeugte ϊ/ärme verstärkt, indem die normale Polarität der Elektrode in bezug auf den Gußblock umgekehrt und der Schmelze ein Ivletalloxyd hinzugefügt wird, das vorzugsweise Bariumoxyd ist, jedoch auch Calciumoxyd, Wickeloxyd, Strontiumoxyd, i'horoxyd, Titandioxyd, Lanthanoxyd., Ceroacvjr.d und Zäsiumoxyd sein kann. Das Metalloxyd wird vorzugsweise in ein liohr eingebettet, das in der Zeichnung das Bezugszeichen 64 trägt, und das aus dem gleichen i.ietall besteht wie die Elektrode 30 selbst. ISiachdein das Metalloxyd in das ±iohr 64 gegeben wurde, werden dessen Enden dicht verschlossen und das Rohr wird gestaucht, um das Oxyd zu verdichten und sozusagen einen umgekehrten Schweißstab zu formen.Es kann, wie in der Zeichnung gezeigt, nur ein einziger Stab verwendet werden, oder auch je nach den Erfordernissen zwei oder mehr Stäbe. Während die Elektrode 30 schmilzt, schmilzt der Stab ebenfalls, wobei Metalloxyd frei wird, das in die Schmelze trupft.

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Allgemein ist die Wirkung der Oxydzugabe auf die Energieverteilung und die Stabilität des Bogens nicht proportional seiner Konzentration. Bei einer Zugabe von 0,007 # bezogen auf das Gewicht des Gußblocks erzeugte Wärmen verhalten sich ähnlich wie bei einem Niveau von 0,15/egeBchmolzene. Eine mit 0,0016 io BaO erzeugte Wärme zeigte keine Wirkung auf den Bogen. Allgemein gesagt sollte der Oxydzusatz wenigstens 0,005 Gew.-# betragen oder groß genug sein, um die vorstehend genannte Energieaufteilung zu erreichen.

Es sei daran erinnert, daß die Schmelze 28 jetzt negativ in bezug auf die Elektrode 30 ist, und die Elektrode wird natürlich dadurch, daß sie in die Schmelze tropft, kleiner und befreit das Me tall, das, v/ie angenommen wird, die Emissionseigenschaften der Kathode derart ändert, daß Elektroden die Kathode leichter verlassen können. Lah^r sinkt die in der Schmelze 28 erzeugte Spannung und Energie, während die an der Spitze der Elektrode 30 erzeugte ansteigt.

Als ein Beispiel für die Erfindung wurde eine Elektrode von 4,5 Zoll (11,4 cm) Durchmesser aus rostfreiem Stahl, Typ AISI 321 am Boden des Trägers 34 angeschweißt, und die Stromquelle wurde so an den Träger und die Gußpfanne angeschlossen, dai die Gußpfanne in bezug auf die Elektrode negativ war. Das hinzugefügte Juetalloxyd war üariumoxyd, und dies wurde in jtohre aus rostfreiem Stahl von etwa 0,25 Zoll (0,64 cra)Auu!endurch:::esser ^c^eben. Die Enden der ,-öhre wuraen fest ver-

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schlössen und die Rohre wurden auf einen Außendurchmeeser τοη

. Bariumoxyd so verdientet wurden daß ein 0,125 Zoll (0,318 om) gestaucht, wodurch das/Bariumoxydgehalt von 0,35 g/Zoll (0,139 g/cm) erhalten wurde» Zwei solche Stangen wurden im Abstand von 180° voneinander an die Elektrode angeschweißt» Die durchschnittliche Schmelzrate betrug 3,5 lbs/ min (1,586 kg/min) und das Vakuum in der die Elektrode auf# nehmenden Kammer betrug 1 Mikron/ Beim Herunterlassen der Elektrode in die Schmelze zeigte es sieh, daß die durch V/iderst and bedingten Spannungsabfälle V 3*5 YoIt und die Spannung über das Bogenplasma 56 1 YoIt betrugen. Die Gesamtbogenspannuig V. betrug 12,5 Volt und die Summe der Spannungsabfälle an der Anode und an der Kathode (V +V) dementsprechend 8 Volt,,

ei G

Ferner läßt sich der Spannungsabfall V an der Elektrode nach der vorstehenden Gleichung 2.) wie folgt errechnen!

3,5 Ibs/min χ 10⁵ Gleichung 4.) V_@ - —~_TTWJ^_Fr = 7,4 Volt

Die Elektrodenspannung V ist nun gleich der Anodenspannung V₀, da die Elektrode 30 jetzt in bezug auf die Schmelze 28

positiv ist. Demnach wird, da die Summe von V und .V_n gleich

el· O

8 Volt ist, und da V , die an der Spitze der Elektrode 30 entwickelte Spannung, 7,4 Volt beträgt, eine Spannung von nur 0,6 Volt an der Oberfläche der Schmelze 28 entwickelt. Die Energie ist deshalb wie folgt aufgeteilt;

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!TABELLE II

P_r = 3.5Vx475O=16.6O KW= .277 KWH» 940 BTU/min (236,9 kcal) P = 1.0VX4750= 4.75 KW» .079 KWH= 269 BTU/min (67,79 kcal) P_n = .67x4750 * 2.86 KW= .047 KWH= 161 BTü/min (840,57 kcal) P =7.4Vx4750 =32.20 KW= .588 KWH=»20Q0 BTTJ/min (504,0 kcal)

P₊ =12.5^x4750=59.40 KW= .990 KWH=337O BTU/min (851,2 kcal)

Aus der vorstehenden Tabelle II ist ersichtlich, daß die Energieverteilung "bei Zusatz von Bariumoxyd derart ist, daß 92,5$ der Wärme an der Elektrode selbst erzeugt werden, und nur 7,5$ in der Schmelze, wenn man nur den Spannungsabfall an der Kathode und an der Anode betrachtet.

Ein weiterer Schmelzgang wurde unter den vorstehenden Bedingungen jedoch bei gerader Polarität durchgeführt, d.h. die Elektrode 30 war negativ in bezug auf die Schmelze 28. In diesem Falle wurde das Bariumoxyd hinzugegeben, nachdem der Block nach üblichem Verfahren 11 1/2 Minuten lang geschmolzen worden war. Nach der Zugabe von Bariumoxyd hörte die Elektrode auf zu schmelzen. Der Ofen wurde noch weitere 55 Minuten lang unter voller Energie gehalten, ohne daß ein Schmelzen der Elektrode zu erkennen war. Ohne die Oxydzu gäbe wäre die Elektrode schnell abgeschmolzen_e Der Spannungsabfall wurde also auf einen V/ert verringert, der das Jchinelzen der Elektrode nicht ermöglichte.

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Eine Verbesserung der Energieverteilung erhält man auch durch Zugabe der anderen vorstehend aufgeführten Metalloxyde, jedoch hat es sich gezeigt, daß Bariumoxyd die besten Ergebnisse liefert. In der folgenden !Tabelle III sind die Ergebnisse tatsächlicher Werksversuche aufgeführt, in denen Elektroden aus einer D 6-A Legierung bei umgekehrter Polarität und Zugabe von Thoroxyd und Strontiumoxyd im Vakuum geschmolzen wurden.

TABELLE III

	Ibs/min (Ampere)	7C-295	70-410	4.50 4000
		(keine Zugabe) (Thoroxyd Zugabe)	30.0
Schmelzrate Stromstärke		4o58 4500	11.2
^VT		27.5	3.3
v_A		10o2	13.0
^vc		12.4	2.5 -
^VP	2oO
	2.9

7C-411

(Strontium-Oxyd-Zug^be)

6o4 4000

30„0 17.0

1.0 11.0

2.0

Es ist ersichtlich, daß die KathodenSpannung (an der Schmelze bei umgekehrter Polarität) mit den Zusätzen beträchtlich sinkt₍ Ähnliche Ergebnisse erhält man bei Zugabe von Calciumoxyd, ITickeloxyd, Titandioxyd, Lanthanoxyd, Ceroxyd und Zäsiumoxyd, wobei der Grad der v/irksamkeit verschieden ist. Calciumoxyd ergibt z.B. nicht so gute Ergebnisse wie !Ehor- und Strontiumoxyd, und Nickel und Titanoxyd sind weniger wirksam als

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Calciumoxyd. Allgemein kann gesagt werden, daß solche Oxyde verwendet werden können, die gute Elektronenstrahler $ind, (d.h. Verbindungen, bei denen die Elektroden leicht die Kathode verlassen). Es ist auch möglich, Kombinationen der vorstehend genannten Oxyde zu verwenden.

Die vorstehenden Beispiele zeigen, daß durch Zugabe bestimmter Metalloxyde und insbesondere Bariumoxyd die in der Bogenzone bestehende Energieverteilung geändert werden kann und geändert wird. Diese Änderung ist derart, daß das Verhältnis der zwischen Anode und Kathode aufgeteilten Energie für die Anode den größten Teil der V/ärme ergibt. Wenn die Erfindung jedoch die vorotehend genannten gewünschten Ergebnisse erbringen soll, muß die Elektrode 30 in bezug auf die Schmelze 28 positiv sein. Im umgekehrten Fall bremst das Bariumoxyd den Schmelzvorgang.

Die Erfindung bezweckt zwar in erster Linie das Konzentrieren der Wärme an der Elektrodenspitze, es können jedoch auch bestimmte Idetalloxyde zum Heißtoppen bei gerader Polarität, bei der die Elektrode 30 in bezug auf die Schmelze 28 negativ ist, verwendet werden. In diesem Falle können die Oxydstäbe oder andere _oeeignete Zusatzmittel an einer Stelle an der Seite der Elektrode angebracht werden, an der mit dem Heißtoppen-Zyklus begonnen werden soll. D.h., die Stäbe wären viel kürzer als der in der Zeichnung ^ezei^te Stab 64, und sie wären vorzugsweise am oberen Ende der Elektrode 30 ange-

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schweißte Wenn der Lichtbogen diese Stelle erreicht, würde die Hominalbogenspannung von 25 Volt auf ein 10-15 Volt-Niveau reduziert und würde dadurch das Zeichen für den Beginn dee Heißtoppens geben. Durch die Gegenwart des Oxyds wird der Bogen auch in einem solchen Maße stabilisiert, daß -viel niedrigere Ströme mit Steuerung erreicht werden können» Dies führt, in Verbindung'mit dem Vorteil, daß die Elektrode nicht abbrennt, zu idealen Bedingungen für das'Heißtoppen·

Die Zugabe von Bariumoxyd zu der Schmelze ist auch mit Vorteil als Entschwefelungsmittel zu verwenden ι bei einem Schmelzgang von Kohlenstoffstahl wurde der Schwefelgehalt von O„021 auf 0,011 verringert. Einen zusätzlichen Vorteil bietet die Verwendung von Bariumoxyd für die Schonung des Sohmelztopfes. Bisher vrarde festgestellt,, daß das Schmelzen im Schmelz» elektrodenofen bei umgekehrter Polarität zwar zur Beseitigung der Sprenkelung in dem entstehenden Gußblocky jedoch zu e iner Schädigung der Schmelztopfwand führt» Dann zeigte es sich, daß die Verwendung von Argongas oberhalb der Schmelze in einer Menge, die ausreicht, um den Lichtbogen von der Schmelztopfwand fernzuhalten, genügt, solche Schälen am Schmelztopf zu verhindern und gleichzeitig den sprekelungsfreien Zustand beizubehalten. Die chemische Untersuchung einer Anzahl von Schmelzgängen mit Bariumoxydsugabe hat gezeigt, daß der Gehalt an zurückbleibendem Bariumoxid weniger als 0,01$ beträgt und keinen wesentlichen Einfluß auf die eigenschaften des entstehenden Gußblocks hat. Ansprüche

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Claims

1, Schmelzelektrodenverfahren zum Herstellen eines Gußblocte aus Metall, wobei ein Ende der zu schmelzenden Elektrode in eine Gußpfanne eingebracht und ein elektrischer Strom zwischen der Gußpfanne und der Elektrode übergeführt wird , durch den die Elektrode fortschreitend von diesem Ende her abgeschmolzen und die Schmelze am Boden der Gußpfanne gesammelt wird und sich fortschreitend verfestigt und den Gußblock bildet, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens während eines Teils des Schmelzvorgangs durch Zugabe eines Metalloxyds zu der Schmelze die Eigenschaften des zwischen dem Ende der Elektrode und der Schmelze bestehenden lichtbogens verändert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metalloxyd Bariumoxyd, Calciumoxyd, Hickeloxyd, Strontiumoxyd, Throoxyd, Titandioxyd, Lanthanoxyd, Ceroxyd oder Zäsiumoxyd verwendet wirdo

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxyd nur während des Heißtoppens des Gußblocks zu der Schmelze hinzugegeben wird,,

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxyd,während die Elektrode schmilzt, fortlaufend zur Schmelze zugegeben wird.

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Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Potential zwischen der Elektrode und der Gußpfanne so angelegt wird, daß die Elektrode in bezug auf die Gußpfaune positiv ist.

6. Schmelzelektrodenofen für das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, "bei dem ein Lichtbogen zwischen einer Schmelzelektrode und einer darunter befindlichen, die metallische Schmelze aufnehmenden Gußpfanne· geschlagen wird, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (50 - 56) zum Herstellen eines elektrischen Potentials zwischen der Gußpfanne (12) und dem unteren Ende der Elektrode, welches an der Elektrode (30) in "bezug auf die Gußpfanne positiv ist, und durch ein ein Metalloxyd enthaltendes Rohr (64), das seitlich an der Elektrode befestigt ist, sich längs derselben erstreckt und zusammen mit der Elektrode ab~ schmelzbar ist, wobei es seinen Inhalt an die Schmelze abgibt.

Patentanwalt!

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