DE19654021A1 - Verfahren zum Umschmelzen von Metallen zu einem Strang sowie Vorrichtung dafür - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Umschmelzen von Metallen - insbesondere von Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen - zu einem Strang durch Ab­ schmelzen zumindest einer selbstverzehrenden Elektrode in einem elektrisch leitenden Schlackenbad, das in einer kur­ zen, nach unten offenen Kokille vorgesehen ist. Zudem er­ faßt die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei der Herstellung von beispielsweise hochlegierten Werk­ zeugstählen - wie etwa Schnellarbeitsstählen, ledeburiti­ schen Chromstählen oder anderen stark steigernden Stählen und Legierungen - ist das Erzeugen kontinuierlich gegosse­ ner Stränge kleiner bis mittlerer Querschnitte mit Proble­ men verbunden.

Die DE-AS 16 08 082 offenbart ein Stranggießverfahren mit hoher Gießgeschwindigkeit zum Erzielen einer annehmbaren Oberflächenqualität, die für eine Weiterverarbeitung geeig­ net ist. Die dafür erforderlichen Gießgeschwindigkeiten zu­ sammen mit der notwendigen Überhitzung des Metalls haben Sumpflängen von mehreren Metern zur Folge, die ihrerseits die Ursache für die Ausbildung starker Kernseigerungen, ge­ paart mit Schwindungshohlräumen, sind. Aus derartigen Guß­ strängen hergestellter Stabstahl ist für einen großen Teil der Einsatzfälle nicht verwendbar.

Aus DE-OS 14 83 646 und DE-OS 19 32 763 sind - ebenso wie aus der AT-PS 320 884 - verschiedene Varianten des Elek­ troschlacke-Umschmelzverfahrens bekannt. Die dort beschrie­ benen Verfahren mit selbstverzehrenden Elektroden ermögli­ chen das Herstellen von Umschmelzblöcken mit guter Oberflä­ che bei langsamer Blockaufbaugeschwindigkeit. Die dabei auftretenden geringen Sumpftiefen führen zu einer gleichmä­ ßigen Erstarrung zwischen Rand und Kern und damit zu einer guten Innenqualität der umgeschmolzenen Blöcke. Die Anwen­ dung kurzer Kokillen mit absenkbaren Bodenplatten und Elek­ trodenwechsel erlaubt auch hier das Bilden relativ langer Stränge. Bei der Herstellung kleiner Abmessungen wird je­ doch die Erzeugung der erforderlichen Abschmelzelektroden schwierig, und die Verfahrenskosten aufgrund der dann ge­ bringen Umschmelzraten werden hoch.

Um das Problem der Herstellbarkeit von Elektroden mit klei­ nen Querschnitten zu umgehen, wurde der Einsatz sog. Trich­ ter- oder T-Kokillen vorgeschlagen; die Kokille nimmt in einem nach oben trichterförmig erweiterten Teil das Schlackenbad auf und ermöglicht so ein Abschmelzen von Elektroden, deren Querschnitt der des herzustellenden Um­ schmelzblockes ist.

Während beim Stranggießen von Formaten zwischen 100 und 200 mm - rund oder quadrat - selbst bei langsamem Gießen Gießleistungen von mindestens 5 bis 10 t je Stunde und Strang erforderlich sind, betragen die Abschmelzraten beim ESU-Verfahren maximal 100-200 kg je Stunde bei denselben Formaten. Beim Stranggießen ergeben sich damit Sumpftiefen zwischen 4 m und 8 m. Die Sumpftiefen beim ESU-Verfahren messen dagegen 100 bis 300 mm.

Bei einer anderen Verfahrensweise wird nach AT-PS 399.463 vorgeschlagen, Stränge aus hochlegierten Stählen mit we­ sentlich geringeren Gießgeschwindigkeiten - als sie beim Stranggießen üblich sind - zu gießen, um eine verbesserte Kernzone zu erreichen bei gleichzeitiger Abdeckung des Gießspiegels durch ein elektrisch beheiztes Schlackenbad, um keine Nachteile hinsichtlich der Ausbildung der Oberflä­ che aufgrund zu starker Abkühlung in Kauf nehmen zu müssen. Dabei wird vorausgesetzt, daß das flüssige Metall über län­ gere Zeit mit konstanter Temperatur aus einer beheizbaren Pfanne verfügbar gemacht werden kann.

Bei diesem Verfahren stellt sich vielfach wieder das Pro­ blem des Warmhaltens größerer Flüssigmetallmengen über einen längeren Zeitraum. Dies ist insbesondere dann von Be­ deutung, wenn nur mit einem Strang gearbeitet wird. So er­ geben sich beispielsweise beim Vergießen von Schmelzen mit 25 t Gesamtgewicht zu einem Strang mit z. B. 150 mm Durch­ messer mit einer Gießrate von beispielsweise 2000 kg/h Gießzeiten von 12,5 Stunden. Während dieser Zeit muß die Schmelze in einem Zwischengefäß oder einer Pfanne warmge­ halten werden, was wiederum entsprechende Energieverluste und einen Verbrauch an feuerfester Ausmauerung zur Folge hat.

Andererseits besteht auch das Problem der Kontrolle der Gießgeschwindigkeit im Bereich von 2000 kg/h, da die hier zum Einsatz kommenden Ausgüsse mit etwa 8 mm Ausgußöffnung bei niedrigen Gießtemperaturen zum Einfrieren oder Zu­ schmieren neigen.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfin­ der das Ziel gesetzt, die erkannten Mängel zu beseitigen und ein verbessertes Verfahren zum Elektroschlacke-Strang­ schmelzen von Metallen anzubieten.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre der unabhängigen Patentansprüche; die Unteransprüche geben günstige Weiter­ bildungen an.

Erfindungsgemäß soll die Abschmelzrate in kg/h dem 1,5 bis 30-fachen des Strangdurchmessers - vor allem des aus dem Umfang (U) des Gießquerschnitts errechneten äquivalenten Strangdurchmessers gemäß der Beziehung D_äq = U/π - ent­ sprechen, wobei das Verhältnis der Querschnittsfläche einer oder mehrerer Abschmelzelektroden zur Querschnittsfläche des Gießquerschnitts größer als 0,5 gewählt wird.

Versuche haben nämlich gezeigt, daß die eingangs geschil­ derten Nachteile der einzelnen bekannt gewordenen Verfahren in überraschend einfacher Weise vermieden bzw. umgangen werden können, wenn beim an sich bekannten Elektroschlacke- Umschmelzverfahren mit erheblich höheren Abschmelzraten ge­ arbeitet wird als bisher, wenn gleichzeitig Abschmelzelek­ troden mit einem im Vergleich zum Gießquerschnitt großen Querschnitt verwendet werden. Gute Ergebnisse werden be­ reits erzielt, wenn die Querschnittsfläche der Abschmelze­ lektrode/n mindestens 50% der Querschnittsfläche des her­ zustellenden Stranges beträgt. Die erfindungsgemäßen Werte der erwähnten Abschmelzraten in kg/h sollen bei Rundquer­ schnitten mindestens das 1,5-fache - aber nicht mehr als das 30-fache - des Durchmessers in mm betragen. Bei vom Rundquerschnitt abweichenden Strangformen kann ohne weite­ res mit jenem Wert für den äquivalenten Durchmesser D_äq ge­ arbeitet werden.

Besonders gute Ergebnisse hinsichtlich Energieverbrauch und Qualität der Oberfläche bei gleichzeitig guter Zen­ trumsstruktur werden erzielt, wenn die Abschmelzrate in kg/h dem 5-15-fachen des äquivalenten Durchmessers D_äq in mm entspricht und das Verhältnis der Querschnittsfläche der Abschmelzelektrode/n zur Querschnittsfläche des herzustel­ lenden Gießquerschnitts gleich oder größer ist als 1,0. In diesem Fall muß in einer an sich bekannten Trichter- oder T-Kokille umgeschmolzen werden, wobei der neu gebildete Strang im unteren, engeren Teil der Kokille gebildet wird und das über dem Gießspiegel befindliche Schlackenbad bis in den trichterförmig erweiterten Teil reicht, wo dann die Spitze der Abschmelzelektrode in diese eintaucht.

Dieses hier vom Prinzip her geschilderte vorteilhafte er­ findungsgemäße Verfahren kann in vielfacher Weise an die Erfordernisse des Betreibers angepaßt werden.

So kann beispielsweise die Kokille fest in einer Arbeits­ bühne eingebaut sein und der Strang nach unten abgezogen werden. Der Strang mag aber auch auf einer feststehenden Bodenplatte aufgebaut und die Kokille in der Weise angeho­ ben werden, wie der Strang anwächst. Das Abziehen des Stranges bzw. Anheben der Kokille können kontinuierlich oder schrittweise erfolgen.

Ferner besteht die Möglichkeit, die Kokille oszillieren zu lassen, was insbesondere bei einem kontinuierlichen Strangabzug von Interesse sein wird.

Im Falle einer schrittweisen Strangabzugs- oder Kokillen­ hubbewegung kann zusätzlich an jeden Hubschritt unmittelbar ein Gegenhubschritt anschließen, wobei die Schrittlänge des Gegenhubschritts bis zu 60% der Schrittlänge des Abzugs- Hubschritts betragen kann.

Beim konventionellen Elektroschlacke-Umschmelzverfahren fließt der Schmelzstrom durch die Schlacke zwischen Elek­ trodenspitze und Schmelzsumpf oder bei biphilaren oder dreiphasig angespeisten Anlagen zwischen den Elektroden. Eine derartige Stromführung ist auch beim erfindungsgemäßen Verfahren möglich.

Wenn mit trichterförmigen Kokillen gearbeitet wird, werden auch gute Ergebnisse mit einer Stromführung zwischen Elek­ trode und Kokillenwand erzielt.

Zu besonders guten Ergebnissen hinsichtlich der Wärmever­ teilung im Schlackenbad führt eine Anordnung, bei welcher die Elektrode mit dem einen Pol des Transformators verbun­ den ist, während der zweite Pol des Transformators gleich­ zeitig sowohl mit dem Strang als auch mit einem oder mehre­ ren in die Kokillenwand eingebauten stromleitenden Elemen­ ten verbunden ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines be­ vorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in ihrer einzigen Figur einen skizzenhaften Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum Elektroschlacke- Strangschmelzen von Metallen mit einer seitlichen Elektrode in Wartestellung.

Der eine Pol einer - entweder Wechselstrom oder Gleich­ strom abgebenden - Stromquelle 10 ist über eine Zuleitung 12 mit einer Aufhängeeinrichtung 14 einer Abschmelzelek­ trode 16 verbunden. Die Elektrode 16 wird durch eine in der Zeichnung nicht im einzelnen wiedergegebene Einrichtung so bewegt, daß das freie Elektrodenende 17 stets in ein Schlackenbad 18 eintaucht.

Das Schlackenbad 18 ist in einer Kokille 20 vorgesehen, die in ihrem querschnittlich trichterartigen Kokillenboden 22 ein rohrartiges Auslaufteil 24 für einen darin entstehenden Umschmelzstrang 26 eines Durchmessers D aufweist. Am oberen Rand ihrer Wand 28 weist die Kokille 20 einen radial aus­ kragenden Flansch 30 auf, der als Auflager für einen Gegen­ flansch 32 einer gasdicht aufsetzbaren, die Elektrode 16 umgebenden Haube 34 dient.

Die Stromzuführung zum anderen Pol der Stromquelle 10 er­ folgt entweder am Strang 26 über als Stromabnehmer ausge­ bildete Treibrollen 36 und eine - einen Hochstromtrenner 38 enthaltende - Hochstromrückleitung 40 oder aber über in die Kokillenwand 28 eingebaute Stromabnehmer 42 und eine andere, daran anschließende Hochstromrückleitung 40 _a mit Hochstromtrenner 38 _a. Möglich ist auch eine Stromführung über Strang 26 und Stromabnehmer 42 gemeinsam; dabei wird die Rückleitung durch Betätigen der erwähnten Hochstrom­ trenner 38 bzw. 38 _a gewählt.

Der Anteil der über die Stromabnehmer 42 und die Treibrol­ len 36 als Kontakte fließenden Ströme - wenn beide in den jeweiligen Hochstromrückleitungen 40, 40 _a vorgesehenen Hoch­ stromtrenner 38, 38 _a so geschaltet sind, daß ein Stromdurch­ gang ermöglicht wird - hängt vom Verhältnis der Wider­ stände im Schlackenbad 18 ab. Diese werden von der Höhe des Schlackenbades 18 in Bezug auf die Stromabnehmer 42 bzw. den Abstand des freien Endes 17 der Elektrode 16 vom Me­ tallspiegel 44 in der Kokille 20 für den in deren Auslauf­ teil 24 erstarrenden Umschmelzstrang 26 bestimmt.

Der Umschmelzstrang 26 wird durch die Treibrollen 36 ent­ sprechend dem Abschmelzen der Abschmelzelektrode 16 abge­ senkt und der Spiegel 44 des flüssigen Metalls im engeren Auslaufteil 24 der Kokille 20 durch eine Kontrolleinrich­ tung, insbesondere eine radioaktive Strahlenquelle 46, überwacht. Gleichzeitig dienen - wie schon beschrieben - die Treibrollen 36 auch als Kontakt für die Stromrücklei­ tung 40 vom Strang 26 zur Stromquelle 10.

Ein Ablängen der gewünschten Erzeugnisabschnitte vom Um­ schmelzstrang 26 ist beispielsweise durch eine bei 48 ange­ deutete Brennschneideanlage möglich.

Ist die erste Abschmelzelektrode 16 verzehrt, kann diese durch - hier nicht gezeigte - Einrichtungen aus dem Schmelzbereich entfernt und durch eine neue Elektrode 16 _a ersetzt werden, die aus einer rechts skizzierten Wartestel­ lung in Schmelzposition gelangt, so daß der Schmelzvorgang fortgesetzt zu werden vermag; durch das Abschmelzen mehre­ rer Elektroden 16 hintereinander wird ein kontinuierlicher Betrieb ermöglicht.

Die Elektrode 16, 16 _a und das Schlackenbad 18 sind durch jene - wie gesagt, mittels ihres Gegenflansches 32 gegen den Kokillenflansch 30 abgedichtete - Haube 34, 34 _a gegen Luftzutritt geschützt.

In der beschriebenen Vorrichtung kann das Umschmelzen unter kontrollierter Atmosphäre sowie unter Ausschluß des Luft­ sauerstoffes stattfinden, womit auch die Erzeugung höchstreiner Umschmelzstränge 26 ermöglicht und ein Abbrand sauerstoffaffiner Elemente verhindert wird. Dabei sollen Abschmelzelektroden 16 eingesetzt werden, deren Quer­ schnittsfläche im Verhältnis zum Gießquerschnitt als groß bezeichnet werden kann.

Bei Strangformen, die vom Rundquerschnitt abweichen, sei ein äquivalenter Durchmesser D_äq für den Umschmelzstrang 26 angenommen, der aus dem Umfang U abgeleitet werden kann mit

D_äq = U/π .

Beispiel

Zur Erprobung der erfindungsgemäßen Technologie wurde an einer ESU-Anlage mit Hebekokille ein Versuch gefahren.

Nach dem Aufschmelzen von 55 kg Schlacke der Zusammenset­ zung 30% CaO, 30% Al₂O₃, 40% CaF₂ wurde der Kokillenhub so eingestellt, daß der Stahlspiegel etwa 20 bis 30 mm unterhalb des Trichteransatzes im unteren Kokillenteil mit 160 mm Durchmesser gehalten wurde.

Die elektrische Leistung wurde auf 750 kW bei 10 KA und 75 Volt im Schlackenbad 18 eingestellt, wobei die Energie über die Elektrode 16 in das Schlackenbad 18 eingebracht und so­ wohl über den Strang 26 als auch über die Kokillenwand 28 des trichterförmig erweiterten oberen Teils abgeleitet wurde.

Bei diesen Bedingungen stellte sich eine Abschmelzrate zwi­ schen 820 und 900 kg/h ein. Dementsprechend wurde die Ko­ kille 20 mit einer mittleren Geschwindigkeit von 87 bis 95 mm/min. angehoben, wobei das Heben schrittweise mit etwa 10 mm Schrittlänge erfolgte. Die Hubfrequenz wurde über eine radioaktive Gießspiegelmessung kontrolliert und gesteuert.

Es wurde ein Strang 26 mit etwa 3,0 m Länge erzeugt. Die Oberflächengüte war gut, so daß vor der Warmverformung keine Oberflächenbehandlung erforderlich war. Der Strang 26 wurde ohne Schwierigkeiten zu einem Knüppel mit 100 mm qua­ drat auf einem Schmiedehammer vorgeschmiedet.

Die metallgraphische Erprobung ergab eine gleichmäßig feinkörnige Karbidverteilung. Zentrumsseigerungen wurden nicht festgestellt.

Claims (14)

1. Verfahren zum Umschmelzen von Metallen, insbesondere von Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen, zu einem Strang durch Abschmelzen zumindest einer selbst­ verzehrenden Elektrode in einem elektrisch leitenden Schlackenbad, das in einer kurzen, nach unten offenen Kokille, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abschmelzrate in kg/h eingestellt wird, die dem 1,5-fachen bis 30-fachen des Strangdurchmessers (D, D_äq) entspricht, wobei das Verhältnis der Quer­ schnittsfläche einer oder mehrerer Abschmelzelektroden zur Querschnittsfläche des Gießquerschnitts größer als 0,5 gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen aus dem Umfang (U) des Gießquerschnitts errechneten äquivalenten Strangdurchmesser (D_äq) gemäß der Be­ zeichnung D_äq = U/π.

3. Verfahren zum Umschmelzen von Metallen in einer Trichterkokille nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abschmelzrate in kg/h dem 5 bis 15-fachen des aus dem Umfang (U) des Gießquerschnitts errechneten äquivalenten Strangdurchmessers (D_äq) ent­ spricht und das Verhältnis der Querschnittsfläche/n der Abschmelzelektrode/n zur Querschnittsfläche des Gießquerschnitts gleich oder größer ist als 1,0, wobei der Strang im unteren, engen Teil der Trichterkokille geformt wird sowie das Schlackenbad bis in deren er­ weiterten oberen Teil reicht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gebildete Strang kontinuier­ lich aus der Kokille abgezogen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gebildete Strang schrittweise aus der Kokille abgezogen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gebildete Strang feststeht und die Kokille kontinuierlich angehoben wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gebildete Strang feststeht und die Kokille schrittweise angehoben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kokille oszillierend bewegt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß nach jedem Hubschritt unmittelbar ein Gegen­ hubschritt in entgegengesetzter Richtung durchgeführt sowie die Hublänge des Gegenhubschritts mit höchstens 60% der Hublänge des vorangegangenen Hubschritts ge­ wählt wird.

10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen zwischen Elektrode und Strang fließenden Schmelzstrom.

11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen zwischen Elektrode und Ko­ kille fließenden Schmelzstrom.

12. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen zwischen einerseits Elek­ trode und andererseits gleichzeitig sowohl Strang als auch Kokille fließenden Schmelzstrom.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach we­ nigstens einem der voraufgehenden Ansprüche mit zumin­ dest einer Elektrode sowie einer einer Stromquelle zu­ geordneten Kokille (20) für ein in ein oberes erwei­ tertes Kokillenteil (22) reichendes Schlackenbad (18), wobei an das Kokillenteil nach unten hin ein den Strangquerschnitt bestimmender Auslaufteil (24) an­ schließt sowie in der Kokillenwand (28) wenigstens ein stromleitendes Element (42) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (16) an einen Pol der Stromquelle (10) angeschlossen und deren anderer Pole sowohl mit dem Strang (24) als auch mit dem/den stromleitenden Element/en (42) in der Kokillenwand (28) verbunden ist.