DE1812032C

DE1812032C - Process for melting metals in a three-phase electric slag remelting furnace with three consumable electrodes

Info

Publication number: DE1812032C
Authority: DE
Inventors: Helmut 6451 Roßdorf. C21d 1 46 Scheidig
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Publication date: 1972-01-20

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von Metallen in einem mit Drehstrom versorgten Elektroschlacke-Umschmelzofen mit drei Abschmelzelektroden. Das Umschmelzen von selbstverzehrenden oder Abschmelzelektroden nach dem Elektroschlacke-Verfahren findet eine immer breitere Anwendung in der Qualitätsmetallurgie. Dieses metallurgische Verfahren gewährleistet die Herstellung von SpezialStählen und Legierungen, die qualitätsmäßig die Metalle herkömmlicher Herstellung übertreffen.The invention relates to a method for melting metals in a three-phase current supply Electroslag remelting furnace with three consumable electrodes. The remelting of self-consuming or consumable electrodes according to the electroslag process are finding ever wider use in quality metallurgy. This metallurgical process ensures the production of Special steels and alloys, the quality of which surpasses the metals of conventional manufacture.

In der Industrie werden für das Umschmelzen nach dem Elektroschlacke-Verfahren sowohl einphasige Öfen verwendet, bei denen in einem Tiegel eine selbstverzehrende Elektrode umgeschmolzen wird, als auch dreiphasige öfen, in deren Tiegel gleichzeitig drei selbstverzehrende Elektroden umgeschmolzen werden. Bei dreiphasigen Anlagen der bekannten Bauweise sind die Elektroden an den Eckpunkten eines Dreiecks angeordnet und werden zum Zwecke einer gleichmäßigen Belastung des Stromversorgungsnetzes mir Drehstrom betrieben.In the industry, both single-phase Furnaces are used in which a self-consuming electrode is remelted in a crucible is, as well as three-phase furnaces, in whose crucible three self-consuming electrodes are remelted at the same time will. In three-phase systems of the known design, the electrodes are at the corner points arranged in a triangle and are used for the purpose of an even load on the power supply network operated with three-phase current.

Die motorische Kraft des Drehfeldes bringt hierbei bevorzugt die leichtere Schlacke zur Rotation, wobei sich das Metallbad zunehmend mitdreht. Während fine Rotation der Schlacke allein infolge des hierdurch bedingten Durchmischungseffekts durchaus positive Auswirkungen haben kann, ist eine Rotation lies Metallbades unerwünscht, da sie leicht zu Segregalionen im Ingot führt. Beispielsweise werden bei einer motorischen Schmelzbadbewegung die Verunreinigungen, da sie spezifisch leichter als das geschmolzene Metall sind, in Richtung Schmelztiegelachse nach innen wandern Pie mit Verunreinigungen durchsetzten Schmelzblocke müssen in den meisten Fällen verworfen oder ein zweites ' IaI ohne Bewegung des Schmelzbades erschmolzen werden.The motor force of the rotating field preferably causes the lighter slag to rotate, whereby the metal bath turns increasingly with it. During fine rotation of the slag solely as a result of this A rotation can have positive effects due to the mixing effect read metal baths undesirable as they can easily lead to segregation in the ingot. For example, at a motorized movement of the molten bath removes the impurities, as they are specifically lighter than the molten material Are metal, pie with impurities migrate inwards in the direction of the crucible axis interspersed melt blocks must be in most Cases discarded or a second 'IaI without movement of the weld pool are melted.

In der österreichischen Patentschrift 264 149 wird tier Rat erteilt, dem im Kristallisator geschmolzenen Metall und der geschmolzenen Schlacke eine im wesentlichen gleichförmige Drehbewegung mit vorgegebener Winkelgeschwindigkeit um eine Achse des Kristallisators zu erteilen. Durch diese Maßnahmen sollen sich Barren mit verhältnismäßig ebener Stirnfläche mit einem günstigeren Kristallwachstum in Achsrichtung gewinnen lassen. Es konnte jedoch bei der praktischen Erprobung von Umschmelzvorgängen mit gleichförmiger Badrotation festgestellt werden, daß der angegebene Vorteil durch auftretende Nachteile überkompensiert wird. Bei diesen Nachteilen handelt es sich insbesondere um das Auftreten von Seigerungen im Kern des Blockes, die sich als erhebliche Materialschädigungen auswirken. Es handelt sich dabei vornehmlich um sogenannte Flcckenseigerungeii, die auch mit dem englischen Fachausdruck »freckles« belegt werden.In the Austrian patent specification 264 149 tier advice is given to the one melted in the crystallizer Metal and the molten slag a substantially uniform rotational movement with a predetermined To give angular velocity about an axis of the crystallizer. Through these measures should be bars with a relatively flat face with a more favorable crystal growth in Let axis direction win. However, it was able to do so in the practical testing of remelting processes with uniform bath rotation it can be determined that the stated advantage occurs through Disadvantages is overcompensated. These drawbacks are particularly the occurrence of segregation in the core of the block, which has the effect of considerable material damage. It deals mainly about so-called streak segregation, which are also covered by the English technical term »freckles«.

Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese von außen nicht sichtbaren Materialschädigungen, die erst nach liner kostspieligen Weiterbearbeitung des Blockes zutage treten, durch die Lehre der Erfindung in gewünschtem Maße vermeiden lassen, und daß die Summe aller Qualitätsmerkmale eines derart er· schtnol/.cnen Blockes zu einer höheren Blockqualitüt führt, als dies bei dem vorbekannten Verfahren mit Hadrotalion möglich war. It has now been shown that this material damage, which is not visible from the outside and which only becomes apparent after costly further processing of the block, can be avoided to the desired extent by the teaching of the invention, and that the sum of all quality features of such a cnen block leads to a higher block quality than was possible with the previously known method with hadrotalion.

Im Gegensatz zur Lehre der österreichischen Pa- «j tcntschrift 2fi4 149 war es von Lichtbogenöfen her schon bekannt, daß eine Schmelzbadbewegung, insbesondere eine rotorische, unbedingt vermieden wer den muß, damit keine Verunreinigungen m das Innere des Schmelzblockes gelangen. So ist beispielsweise durch die deutsche Patentschrift I 093 926 ein Vakuumlichtbogen-Ofen mit nur einer einzigen Abschmelzelektrode bekannt, bei dem der Lichtbogen durch die Anordnung von Magnetspulen bewegt wird. Gerade diese Magnetspulen aber sind es, die neben dec Lichtbogenbewegung auch eine Badrotation begünstigen. Bei der bekannten Lösung, die außerdem nur bei Gleichstrom angewandt werden kann, wird die Badbewegung durch eine bt sondere Anordnung und Steuerung der Magnetspulen verhin dert bzw. unterdrückt. Außerdem herrschen bei Elek troschlacke-Umschmelzöfen schon allein deswegen grundsätzlich andere Verhältnisse, weil — wie bereits ausgeführt wurde — die Schlacke als wesentlicher Initiator der Schmelzbadrotation anzusehen ist. In contrast to the teaching of the Austrian patent document 2fi4 149, it was already known from electric arc furnaces that a molten bath movement, especially a rotary one, must be avoided at all costs so that no impurities get into the interior of the fusible block. For example, a vacuum arc furnace with only a single consumable electrode is known from German patent specification I 093 926, in which the arc is moved by the arrangement of magnetic coils. However, it is precisely these magnetic coils which, in addition to the arc movement, also promote bath rotation. In the known solution, which can also only be used with direct current, the bath movement is prevented or suppressed by a special arrangement and control of the magnetic coils. In addition, the situation in electrical slag remelting furnaces is fundamentally different because - as already stated - the slag is to be regarded as an essential initiator of the molten bath rotation.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Elektroschlacke-Umschmelzofen der eingangs beschriebenen Art eine Badrotation zu verhindern, ohne daß hierdurch andere Nachteile in Kau! genommen werden müssen. Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, duU der Drehsinn des durch die 3 Elektroden erzeugten magnetischen Drehfeldes geändert wird. Es ist dabei besonders vorteilhaft, den Drehsinn des Drehfeldes periodisch zu ändern, und die Dauer einer Periode so zu wählen, daß eine Rotation des Metallbades noch nicht erfolgt ist, eine Rotation der Schlacke mit leichterem spezifischen Gewicht aber nicht verhin dert wird. Hierdurch wird der vorteilhafte Mischeffekt innerhalb der Schlackeschicht nicht unterbunden. Von ganz besonderem Vorteil ist es, die Dauer einer Periode durch eine Steuervorrichtung veränder lieh zu machen, so daß der metallurgische Prozeß optimal gesteuert werden kann.The invention is now based on the object in an electroslag remelting furnace of the initially described way to prevent bath rotation without causing other disadvantages in Kau! must be taken. The object set is achieved according to the invention by duU the direction of rotation of the rotating magnetic field generated by the 3 electrodes is changed. It is there particularly advantageous to periodically change the direction of rotation of the rotating field and the duration of a period to be chosen so that a rotation of the metal bath has not yet taken place, a rotation of the slag with lighter specific weight is not prevented. This creates the advantageous mixing effect not prevented within the slag layer. The duration is of particular advantage of a period borrowed by a control device so that the metallurgical process can be optimally controlled.

Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sei an Hand der nachfolgenden F i g. 1 und 2 näher beschrieben.A device for carrying out the method according to the invention is shown below F i g. 1 and 2 described in more detail.

Es zeigtIt shows

F i g. I ein Schaltschema der Stromversorgung und einen Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten Elektroschlacke-Umschmelzofen, undF i g. I a circuit diagram of the power supply and a longitudinal section through one shown schematically Electroslag remelting furnace, and

F i g. 2 eine Draufsicht auf den Ofen mit seinen drei Abschmelzelektroden.F i g. 2 is a plan view of the furnace with its three consumable electrodes.

In F i g. 1 ist mit 1 ein Elektroschlacke-Umschmelzofen bezeichnet, dargestellt durch seine wesentlichen Bauteile, den Tiegel 2 und die drei Abschmelzelektroden S, 4 und 5. Wie F i g. 2 zeigt, hat der Tiegel einen kreisförmigen Querschnitt, und die Abschmelzelektroden sind an den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet. In dem Tiegel befindet sich das Schmelzbad 6 und darüber die geschmolzene Schlackeschicht 7. Der Elektroschlacke-Umschmelzofen wird über einen dreiphasigen Stelltransformator 8 mit Niederspannung versorgt. Eine Leistungsregelung kann beispielsweise über Anzapfungen 9, 10 und 11 auf der Hochspannungsscite erfolgen.In Fig. 1, 1 denotes an electroslag remelting furnace, represented by its essential components, the crucible 2 and the three consumable electrodes S, 4 and 5. As shown in FIG. 2 shows, the crucible has a circular cross-section and the consumable electrodes are arranged at the vertices of an equilateral triangle. In the crucible is the molten bath 6 and above it the molten slag layer 7. The electroslag remelting furnace is supplied with low voltage via a three-phase variable transformer 8. A power regulation can take place, for example, via taps 9, 10 and 11 on the high-voltage screen.

Zwischen der Hochspannungsseite des Transformators 8 und dem Stromversorgungsnetz ist ein Phasenumschalter 12 angeordnet, der in Aufbau und Wirkungsweise durchaus bekannt ist, und daher nicht näher beschrieben werden muß. Ahnliche Phasenumschalter findet man beispielsweise bei polumschaltbaren Elektromotoren. Die Schaltkontakte 13 und 14 sind Über ein Gestänge 15 miteinander verbunden, das zu einem Steuergerät 16 führt. Dieses SteuergerätBetween the high voltage side of the transformer 8 and the power supply network is a Phase switch 12 arranged, which is well known in structure and mode of operation, and therefore not must be described in more detail. Similar phase switches can be found, for example, in pole-changing electric motors. The switching contacts 13 and 14 are connected to one another via a linkage 15 which leads to a control unit 16. This control unit

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bewegt die Stange 15 periodisch hin und her, so daß die Schalterkontakte R', S' und T sowie R", S" und T" abwechselnd geschlossen bzw. geöffnet sind. Infolge dieser dauernden Umschaltung kehrt sich der Drehsinn des Netzes an den Transformatoreingangsklemmen 17 periodisch um.moves the rod 15 periodically back and forth so that the switch contacts R ', S' and T as well as R ", S" and T "are alternately closed and opened periodically around.

Die Wirkungsweise einer Anordnung gemäß Fig. 1 sei an Hand von Fig. 2 näher beschrieben:The mode of operation of an arrangement according to FIG. 1 will be described in more detail with reference to FIG. 2:

Bei Beginn der Phasenumschaltung sind an die Abschmelzelektroden 3, 4 und 5 in gleicher Reihen- xo folge die Phasen R, S, T angeschlossen. Das elektromagnetische Feld versucht infolge seines Drehsinns Schlacke und Schmelzbad im Sinne der gestrichtelten Pfeile in Rotation zu versetzen. Bliebe das Drehfeld in gleicher Richtung über einen längeren Ze.iraum bestehen, so wurden die Schlacke und, von ihr zusätzlich beeinflußt, auch das Schmelzbad eine merkliche Rotation im Sinne dieser Pfeile ausführen. Wird nun rechtzeitig der Drehsinn des elektromagnetischen Feldes in Richtung der ausgezogenen Pfeile geändert, ao in dem man beispielsweise an die Abschmeizelektro-(den 3, 4 und 5 in gleicher Reihenfolge die Phasen S, R und T (in eckiger Klammer) legt, so wird eine begonnene, geringfügige Rotation du- Schlacke oder der Schlacke und der Schmelze sofort wieder abge- a₅ bremst. Die optimale Frequenz der Phasenumschaltung ist eine Sache einfachen Ausprobierens und hängt unter anderem von den metallurgischen Bedingungen sowie von der erforderlichen Reinheit des zu erschmelzenden Metalls ab. At the beginning of the phase switching, the phases R, S, T are connected to the consumable electrodes 3, 4 and 5 in the same sequence. As a result of its sense of rotation, the electromagnetic field tries to set the slag and molten pool in rotation as indicated by the dashed arrows. If the rotating field remained in the same direction over a longer period of time, the slag and, additionally influenced by it, the molten bath would rotate noticeably in the direction of these arrows. If the direction of rotation of the electromagnetic field is changed in time in the direction of the solid arrows, for example by applying the phases S, R and T (in square brackets) to the ablating electrons (3, 4 and 5 in the same order) one started, slight rotation you- slag or the slag and the melt immediately off again a ₅ brakes. the optimum frequency phase switching is one thing simple trial and error and depends inter alia on the metallurgical conditions, and on the required purity of the metal to be melted from .

example

In einem Tiegel mit einem Innendurchmesser von 80 cm und einem Fassungsvermögen von 12 t waren <frei Abschmelzelektroden von 4 t Gewicht gleichmäßig verteilt auf einen Radius von 18 cm angeordnet, Nach Beendigung des Startvorgangs und dem Einsetzen des eigentlichen Elektroschlacke-Umschrnelzeffekles wurde der Drehsinn des elektromagnetischen Feldes alle 240 see umgekehrt. Der so geschmolzene Block zeigte keinerlei Segregationen. Es ist natürlich möglich, an Stelle des mechanischen Phasenumschalters 12 eine an sich bekannte Anordnung von Thyristoren zu verwenden, die auf der Niederspannungsseite des Transformators 8 vorgesehen werden kann, Mit diesen Thyristoren ist gleichzeitig eine elegante Leistungssteuerung möglich. Der zweckmäßigste und auch wirtschaftlich vorteilhafteste Einsatz der Thyristoren oder Ignitrons erfolgt jedoch im Mitielspannungsbereich zwischen zwei Transformatoren, von denen der erste die Hochspannung von beispielsweise 15.000 Volt auf 750 Volt herabsetzt und der zweite die 750 Volt auf 100 Volt heruntertransformiert. Zwischen beiden Transformatoren wird eine Gruppe von Ignitrons angeordnet. Die Schaltung von Thyristoren und Ignitrons ist hinreichend bekannt und nicht Gegenstand dieser Erfindung, so daß auf eine zeichnerische Darstellung verzichtet werden kann.In a crucible with an inner diameter of 80 cm and a capacity of 12 t <free melting electrodes of 4 t weight evenly distributed over a radius of 18 cm, After the startup process and the Onset of the actual electroslag shrinkage effect the direction of rotation of the electromagnetic field was reversed every 240 seconds. The so melted block did not show any segregation. It is of course possible to replace the mechanical one Phase switch 12 to use a known arrangement of thyristors on the low voltage side of the transformer 8 can be provided with these thyristors at the same time an elegant power control is possible. The most expedient and also the most economically advantageous However, thyristors or ignitrons are used in the medium voltage range between two Transformers, the first of which is the high voltage from, for example, 15,000 volts to 750 volts and the second stepped the 750 volts down to 100 volts. Between the two transformers a group of ignitrons is arranged. The connection of thyristors and ignitrons is sufficient known and not the subject of this invention, so that on a graphic representation can be dispensed with.

Claims

Patent claims:

1. Process for melting metals in a three-phase electric slag remelting furnace with three consumable electrodes, characterized in that the direction of rotation of the generated by the three electrodes (5, 6, 7) magnetic rotating field is changed.

2. The method according to claim 1, characterized in that the change in the direction of rotation occurs periodically.

1 sheet of drawings