DE2024349A1

DE2024349A1 - Schmelzverfahren mit abschmelzender Elektrode

Info

Publication number: DE2024349A1
Application number: DE19702024349
Authority: DE
Inventors: Harry John Reading; Farr Thomas Peter Mohrsville; Pa. Hamjian (V.St.A.)
Original assignee: Carpenter Technology Corp
Current assignee: Carpenter Technology Corp
Priority date: 1969-06-09
Filing date: 1970-05-19
Publication date: 1970-12-17
Also published as: GB1264073A; US3542931A; FR2045914A1; DE2024349C3; DE2024349B2; SE357770B

Description

Dr. F. Zumstefn sen. - Dr. E. Assmann Dr. R. Koenlgsberger - Dlpl.-Phys. R. Hölzbauer - Dr. F. Zumsteln Jun.

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Case CA-78

CARPENTER TECHNOLOGY CORPORATION, Reading, Pa. / U.S.A.

Schmelzverfahren mit abschmelzender Elektrode

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Metallen und insbesondere ein Verfahren, bei dem das Metall in Form einer abschmelzenden Elektrode unter Vakuum mit Hilfe einer elektrischen Bogenentladung geschmolzen wird.

Das Verfahren mit abschmelzender Elektrode ist schon lange für die Herstellung gereinigter Blöcke von reinen Metallen und Legierungen bekannt. Gewöhnlich wird bei diesem Verfahren eine Elektrode mit ähnlicher Zusammensetzung wie das gewünschte

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Endprodukt verwendet. Die Elektrode dient als elektrischer Leiter, von dem aus der Lichtbogen zu einer Oberfläche des Tiegels oder zu einem zu diesem Zweck dort zusätzlich angebrachten Metallteil gezündet wird. Die Elektrode, das entstehende Gußstück und der Lichtbogen befinden sich alle in einem v/a s sergekühl ten Tiegel oder einer Schmelzkammer, die luftleer gemacht werden. Die Hitze des Lichtbogens schmilzt das dem Bogen des Tiegels zugewandte Ende der Elektrode, die unter Umständen vollständig verbraucht wird«. Tropfen von geschmolzenem Metall fallen von der Elektrodenspitze durch die Lichtbogenzone in ein Bad von geschmolzenem Metall oben auf dem Gussblock, der sich durch Erstarren des Metalls aus diesem Schmelzbad bildet«. Gewöhnlich ist der Durchmesser des Tiegels, in dem der dxock erstarrt^ grosser als die Elektrode, die durch den Lichtbogen geschmolzen wird, um den Block zu bilden. Als Folge davon wächst bei fortschreitendem Schmelzen der Block und steigt das Schmelzbad auf ihm langsamer als das schmelzende Ende der Elektrode von der Oberfläche des Schmelzbades zurückweicht. Bisher wurde das Zurückweichen der Elektrodenspitze vom Schmelzbad für höchst nachteilig gehalten, nicht nur, weil es im Falle vieler Legierungen ' als Folge der Variationen der Schmelzmenge und der begleiten-* den Variationen der thermischen Bedingungen des Schmelzprozesses ein schlechtes, wenn nicht unbrauchbares Produkt zur Folge hat,- sondern auch,, weil es wahrscheinlich die Zerstörung des Schmelztiegels mit der Gefahr von Personenschäden zur Folge hat.

Verschiedene Vorrichtungen wurden entwickelt unü sind- -in , Gebrauch mit dem Zweck ein® kwse Lichtbogen streck© swiscfoen der Endfläche der Elektrode ynd der Oberfläche des Schmelas« bades innerhalb enger GrensoFä testsuhaltains ₉

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des Lichtbogens vom Schmelzbad zu den Tiegelwänden zu verhindern. Die meisten solchen Einrichtungen regeln die Lichtbogenlänge, das ist der Abstand von Elektrodenende zum Schmelzbad durch einen Fühler, der auf Änderungen der Bogenspannung oder des Bogenstroms oder beideranspricht» die Änderungen der Bogenlänge begleiten, um ^: so die Bogenlänge im wesentlichen konstant zu halten und dadurch die thermischen Fluktuationen beim Schmelzprozess minimal zu halten. Einige | Einrichtungen registrieren die sehr starken und plötzlichen Änderungen, die auftreten, wenn geschmolzenes Metall die Bogenstrecke überbrückt und teilweise Kurzschlüsse hervorruft, die Tropfenkurzschlüsse genannt werden, obwohl einige dieser Kurzschlüsse des Lichtbogens auch dadurch verursacht werden, dass Wellen oder Spritzer des geschmolzenen Metalls im Schmelzbad die Bogenstrecke überbrücken.

Obwohl das Vakuum-Lichtbogenschmelzverfahren, wie es bisher durchgeführt wird, wirtschaftlich sehr erfolgreich ist, hat es dennoch eine Zahl von ernsten Nachteilen. Es werden aufwendige und relativ komplizierte Elektrodennachführungs- Λ und Regeleinrichtungen benötigt, um die erwünschte kurze Lichtbogenstrecke zwischen dem unteren Ende der Elektrode undder Oberfläche des Schmelzbades einzuhalten. Das dichte Beieinander der Elektrode und der Oberfläche des Schmelzbades führt zur Ausbildung einer Zone relativ hohen Druckes zwischen ihnen im Vergleich zum Druck der am Pumpstutzen des Ofens gemessen wird» Die Druckunterschiede betragen das Io bis loofache oder mehr. Die Bewegung des Schmelzbades durch den Lichtbogen stört das Erstarren des Metalls. Während das geschmolzene Metall als Tropfen von der abschmelzenden Elektrode, • wenn auch nur für eine kurze Strecke durch den Lichtbogen fällt, wird es weiter erhitzt und somit auch die Oberfläche des Schmelzbades und als Folge dieser Überhitzung muss eine

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grössere Wärmemenge durch die Grenzfläche zwischen flüssigem und festem Metall transportiert werden,,

Im Zusammenhang mit dem kontinuierlichen Giessen von Stücken mit kleinerem Durchmesser als dem der abschmelzenden Elektrode für die Erzeugung von Titanstäben mit kleinem Durchmesser' . wird im US-Patent Nr₀ 25 955,333,.

vorgeschlagen, einen rotierenden Lichtbogen zwischen dem zugespitzten Ende einer abschmelzenden Elektrode und einem spitzen, wassergekühlten Herd mit einer zentralen Öffnung aufrecht zu erhalten, wobei der Herd von einem Elektromagneten umgeben ist, der im Betrieb die Rotation des Lichtbogens bewirkt. Dieser Vorschlag richtet sich - wie in den vorher erwähnten Verfahren .- auf das Einhalten einer kurzen Bogenstrecke zwischen dem zugesp itzten Ende der abschmelzenden Elektrode und dem Herd, der als Gegenelektrode bezeichnet werden kann. Während eine solche Anordnung zu einer Verringerung der Überhitzung des Schmelzbades führen kann, besitzt sie doch eine Zahl von Nachteilen= Das zur Rotation des Lichtbogens benötigte Magnetfeld kann die bogenspannungs- oder bogenstromempfindlichen Einrichtungen stören und in ihrer Funktion beeinträchtigen, die zur Regelung der Bogenstrecke zwischen der abschmelzenden Elektrode und dem Herd oder der Gegenelektrode gebraucht werden» Die erforderliche Menge und Verteilung der zur Elektrode strömenden Hitze wird durch das Magnetfeld ebenfalls unterbrochen. Infolgedessen ist es schwieriger, die erwünschte, brauchbare, gereinigte Gussblockstruktur zu erhalten, wenn es überhaupt bei einer solchen Anordnung möglich ist ohne eine untragbare Menge von Abfall.

In Anbetracht dessen wird ein erfindungsaemässes Verfahren vorgeschlagen zum Schmelzen einer abschmelzenden Elektrode mit Hilfe einer Lichtbogenentladung von einem Ende der ab·=

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schmelzenden Elektrode in einer Schmelzkammer, wobei das geschmolzene Metall von diesem Ende der Elektrode ein Schmelzbad bildet, aus dem das Metall in Form eines Gussblocks erstarrt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer diffusen elektrischen Lichtbogenentladung zwischen dem Ende der abschmelzenden Elektrode und einer Gegenelektrode, die sich in einem Abstand vom Schmelzbad befindet, der Abstand zwischen der Oberfläche des Schmelzbades und dem Ende dieser Elektrode a) grosser gehalten wird als der maximale Abstand, den das geschmolzene Metall zwischen der abschmelzenden Elektrode und dem Schmelzbad überbrücken kann,und b) zuminde-

etwa
stens/gleich gross gehalten wird wie der minimale Abstand, bei dem eine Lichtbogenentladung stattfinden kann, ohne dass mehr als ein geringer Teii. des Entladungsstroms durch das Schmelzbad fliesst, so dass die Bogenentladung hauptsächlich zwischen der abschmelzenden Elektrode und dieser Gegenelektrode stattfindet, während zumindest ein grosser Teil dieser Elektrode verbraucht wird und dass Magnetfelder in dieser Schmelzkammer quer zur Bogenentladung kleiner gehalten werden als die zur Unterbrechung der Bogenentladung minimal notwendigen.

Vorteilhaft wird der Abstand zwischen der Oberfläche des Schmelzbades und der abschmelzenden Elektrode mindestens etwa so gross gehalten, dass ein Anwachsen dieses Abstandes keinen wesentlichen Einfluss auf den Spannungsabfall in der Bogenentladung hat. Vorzugsweise wird der Abstand zwischen der

Oberfläche, des Schmelzbades und der abschmelzenden Elektrode etwa

mindestens /gleich dem Durchmesser der Schmelzkammer in der Entladungszone gehalten.

Vorzugsweise Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung anhand der beigefügten

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Zeichnungen erläutert^ in denen

Figur 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigb₅ bei dem die diffuse Bogenentladung :sich zwischen der abschmelzenden Elektrode und der Wand der Schmelzkammer_s die durch einen wassergekühlten Tiegel gebildet wird_s ausbreitet-;

Figur 2 eine ähnliche Darstellung einer modifizierten Apparatur zur Durchführung dieses Verfahrens zeigt und

Figur 3 in ähnlicher Darstellung den Gebrauch eines Flussmittels an der Oberfläche des Schmelzbades zeigt.

Beim Verfahren nach der vorliegenden Erfindung werden die verwendeten abschmelzenden Elektroden in gleicher Weise hergestellt wie bisher«, Das Verfahren kann mit einer bekannten. Einrichtung zum Lichtbogenschmelzen im Vakuum mit abschmelzender Elektrode^ wie sie schematisch in Figur 1 gezeigt ist, durchgeführt werden, aber es können auch,, wie später ausführlich gezeigt wird, verschiedene Modifikationen an den bekannten Einrichtungen durchgeführt werden₉ um sie zu vereinfachen und/ oder sie für eine effektivere Durchführung des vorliegenden Verfahrens anzupassen_o

Der Startvorgang beim vorliegenden Verfahren kann der gleiche sein wie beim bekannten Schmelzen» Eine Elektrode Io ist in

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der Nachführungseinrichtung (nicht gezeigt) befestigt, der Tiegel 11 wird vakuumdicht verschlossen und abgepumpt, und der Strom wird einaeschaltet, indem das untere Ende der Elektrode den Boden des Tiegels oder ein Startmetall, das zu diesem Zweck am Tiegelboden angebracht ist, berührt. Gleichzeitig zirkuliert Kühlmittel durch die Wände des Tiegels. Anfangs bildet sich ein Lichtbogen beim Auseinanderziehen zwischen dem unteren Ende der Elektrode Io und dem Metall unmittelbar unter diesem; bis zu diesem Punkt weicht der Startvorgang nicht von dem beim bekannten Lichtbogenschmelzen mit abschmelzender Elektrode ab. Beim bisherigen Verfahren wurde der Abstand der Elektrode zum geschmolzenen Metall (die Bogenstrecke des bekannten Verfahrens) geregelt, um zu verhindern, dass die Entladung und der'Entladungsstrom das Schmelzbad verlässt und zu einem merklichen Grad auf den Tiegel übergeht. Beim vorliegenden Verfahren wird zumindest ein wesentlicher Teil der Entladung vom geschmolzenen Metall, das sich beim Start bildet, weggeführt und wird daran gehindert, im weiteren Verlauf des Verfahrens dorthin zurückzukehren. Wird das Verfahren in einem konventionellen Tiegel mit einer konventionellen Regeleinrichtung durchgeführt, kann man dies durch Hochziehen der Elektrode erreichen, um den Elektrodenschmelzbadabstand zu vergröseern, oder man kann die Elektrode am Ort festhalten, so dass die Entladung die Spitze der Elektrode abschmilzt und vom Schmelzbad entfernt. Man kann auch das Hochziehen der Elektrode und das Abschmelzen der Spitze durch die Entladung miteinander kombinieren, um den gewünschten Elektrodenschmelzbadabstand zu erreichen.

Wenn der Elektrodenschmelzbadabstand wächst, nimmt die Betriebsspannung zu, wobei der Spannungszuwachs anfangs ungefähr o,4 Volt/cm Zuwachs der Bogenstrecke beträgt. Wenn der Abstand

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über den "üblicherweise verwendeten von ungefähr 2,5 cm hinausgewachsen ist, nimmt die Zahl der kurzzeitigen Kurzschlüsse, die infolge der Überbrückung des Elektrodenschmelzbadabstandes durch geschmolzenes ß'etall entstehen, auf Null ab, was bei einem Abstand von ungefähr 5 bis 8 cm geschieht. Es kann weiter beobachtet werden, dass bei Zunehmen der Lichtbogenstrecke die Spannung immer weniger durch Änderungen des Elektrodenschmelzbadabstandes beeinflusst wird und immermehr von der Elektroden- und Tiegelgeometrie und der Stärke des Entladungsstromes abhängt. Ist speziell der Abstand zwischen der Elektrode und dem Schmelzbad angewachsen und bleiben die übrigen Bedingungen einschliesslich des Stromes konstant, so wird die Entladungsspannung immermehr eine Funktion des Verhältnisses vom Innendurchmesser des Tiegels zum Elektrodendurchmesser, Man nimmt an, dass sich die Spannung asymptotisch einem durch dieses Verhältnis bestimmten Wert nähert und ein weiteres Anwachsen des Elektrodenschmelzbadabstandes die Entladungsspannung nicht beeinflusst.

Das Anwachsen der Entladungsspannung in bezug zum Anwachsen des Elektrodenschmelzbadabstandes spiegelt wieder, wie der Entladungsstrom immermehr zwischen der Elektrode und dem Tiegel und nicht dem Schmelzbad fliesst. Wenn die Spannung unabhängig vom weiteren Anwachsen des Elektrodenschmelzbadabstandes wird, fliesst offensichtlich aller Strom der Entladung, wie mit 12 bezeichnet, direkt zwischen der Elektrode und dem Tiegel und keiner durch das Schmelzbad. Als praktisches Beispiel liegen diese Bedingungen gewöhnlich vor, wenn der Elektrodenschmelzbadabstand wenigstens gleich dem Durchmesser des Tiegels ist, aber sie können auch bei etwas geringeren Abständen vorliegen, wie leicht durch Messen des Elektrodenschmelzbadabstandes bestimmt werden kann, wenn die Entladungsspannung nicht länger

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durch Anwachsen dieser Abstände beeinflusst wird. Solche Messungen können durchgeführt werden, indem man die Strecke bestimmt, über welche die Elektrode nach unten geführt werden muss, um das Schmelzbad zu berühren und die Bogenentladung kurz zu schliessen oder auszulöschen.

Das Anwachsen der Spannung, das bestimmt wurde allein durch Vergrössern des Elektrodenschmelzbadabstandes bis zu dem Punkt, wo weiteres Anwachsenkeinen Einfluss auf die Spannung mehr hat, " ist abhängig von der Tiegel- und Elektrodengeometrie. Im Pail eines Tiegels mit einem Innendurchmesser von 2o cm und einer abschmelzenden Elektrode von Io cm wurde konventionelles Vakuum-Lichtbogen-Schmelzen bei einer Spannung von ungefähr 24,5 bis 25,5 Volt mit einem Strom von 25oo Ampere.- durchgeführt. Derselbe Strom floss bei ungefähr 28,5 Volt mit einem ' Elektrodenschmelzbadabstand, der vergrössert war, bis weiteres Vergrössern keinen Einfluss mehr auf die Entladungsspannung hatte. Bei relativ geringer Strombelastung beträgt der Anstieg nicht mehr als einige Volt. Wurde der Strom auf 5ooo Ampere. erhöht, stieg die Spannung von 28,5 Volt auf 37,5 Volt.

Mit einem Tiegel von einem Innendurchmesser von 36 cm und einer abschmelzenden Elektrode von einem Durchmesser von 23 cm wurde konventionelles Vakuum-Lichtbogen-Schmelzen bei ungefähr 24 Volt mit einem Strom von ungefähr 5ooo Ampere durchgeführt. Wurde der Abstand zwischen Elektrode und Schmelzbad vergrössert bis weitere Änderung >.■ keinen Einfluss auf die Spannung mehr hatte, betrug bei einem Strom von ungefähr 9ooo Ampere die Spannung ungefähr 4o Volt.' """~"^: -;-■■ .-..__—.

Die erwähnten Werte von Strom und Spannung wurden bei Drucken von ungefähr 1 bis Io Mikron Quecksilber erhalten, gemessen in der Nähe des Tiegelausgangs. Es ist jedoch zu bemerken, dass

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- Io ■-

der Druck und die Zusammensetzung der Atmosphäre nicht für kritisch gehalten werden. Das Verfahren kann bei Drucken von 1 bis 5oo Mikron Quecksilber durchgeführt werden und auch bei niedrigen und höheren Drucken, falls dies wünschenswert sein sollte. Bei den höheren Drucken wird eine geeignetere Atmosphäre als Luft verwendet, wie z. B„ Argon oddr andere Gase und Gemische von diesen, die nicht nachteilig mit dem Metall reagieren. Ein Erhöhen des Druckes über ungefähr 1 mm Quecksilber bis etwa Io mm Quecksilber und ein dadurch verursachtes Anwachsen der Entladungsspannung um tmgefälhr Io bis 2o Volt kann zu einer heisseren Entladung in der Zoris führen, wo anderenfalls Metalldampf an der Oberfläche der Gegenelektrode kondensieren kann und kann verwendet werden, vm_ solche Kondensationen zu vermeiden, oder um sie wieder zu schmelzen, falls dies erwünscht sein sollte. Für diesen Zweck wird ein Druck von nicht mehr als ungefähr 5mm Quecksilber bevorzugt., jedoch kann auch ein Druck bis ungefähr 8 bis Io mm Quecksilber verwendet werden. Oberhalb etwa Io mm Quecksilber wird es jedoch schwierig die diffuse Entladung des vorliegenden ¥erfahrens stabil zu halten.

Beim Durchführen des vorliegenden Verfahrens in einer konventionellen aufrechten Vorrichtung mit vertikal angeordneter" abschmelzender Elektrode führt ein vertikales Magnetfeld im Entladungsräum zur Unterbrechung der für dieses Verfahren charakteristischen, ruhigen und im wesentlichen unsichtbaren Entladung und zur Bildung von etwas, das aussieht wie scharf gebündelte Lichtbogen, die von einer Zahl von ringsum das zugespitzte Ende der Elektrode verteilten Flecken ausgehen. Diese Bogen verdecken die Sicht auf das Schmelzbad und sind von einem Dunst in der Entladungszone begleitet- Sie sind

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gewöhnlich von einem Spannungsabfall begleitet. Wegen der hohen Ströme, die beim Verfahren mit abschmelzender Elektrode gebraucht werden, sollte Vorsicht beim Verlegen der Stromleitungen verwendet werden, um störende,induzierte Magnetfelder im Entladungsraum zu vermeiden. Ist jedoch ein solches Feld vorhanden, so kann seine Wirkung durch Kompensation mit einem gleich grossen' entgegengesetzten Feld,z. B. durch eine äussere elektromagnetische Spule aufgehoben werden, wie es wohl bekannt ist. Während die Gründe, warum solch ein Magnetfeld die charakteristische Entladung der vorliegenden Erfindung stört, nicht voll verstanden werden, kann sein Vorhandensein leicht durch seine Auswirkungen auf die Entladung festgestellt werden, wie es oben beschrieben ist. Bei einer kurzen Lichtbogenstrecke, wie sie charakteristisch ist für ein konventionelles Vakuum-Lichtbogen-Schmelzverfahren, kann die Anwesenheit eines magnetischen Streu- , feldes durch Rotation des Schmelzbades gezeigt werden, die durch die Wechselwirkung des Feldes und des elektrischen Entladungsstromes im Schmelzbad entsteht. Wenn das Schmelzbad allein infolge der Wechselwirkung des Stromes und des Feldes rotiert, bringt das Emporheben der Elektrode,bis im wesentlichen kein Strom mehr durch das Schmelzbad fliesst, die Rotation des Schmelzbades zum Stoppen. So macht im wesentlichen die Entfernung des Stromes, der bei dem konventionellen Verfahren in das Schmelzbad fliesst, das letztere Verfahren unempfindlich gegen solche Magnetfelder.

Da die Entladung bei dem vorliegenden Verfahren sich vollständig oder weniqstens arösstenteils zwischen der Seite der abschmel-

und der Gegenelektrode

zenden Elektrode,/die der Tiegel sein kann, und nicht wie bisher hauptsächlich zwischen der Endfläche der abschmelzenden Elektrode und der sich dicht dabei befindenden Oberfläche des Schmelzbades ausbreitet, kann sich die Entladung ausbreiten und breitet sich

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aus über einen viel grösseren Bereich der Oberfläche der abschmelzenden Elektrode. Wenn sich der Prozess nach dem Starten stabilisiert hat, sieht man, dass das Ende, der Elektrode zugespitzt ist, was zur Folge hat, dass ein noch grösserer Teil ihrer Oberfläche an der Entladung teilnimmt, die sich über eine entsprechende Fläche der Gegenelektrode ausbreitet. So bildet die Entladung bei dem vorliegenden Verfahren keine scharf gebündelten Lichtbogen, sondern eine äusserst diffuse elektrische Entladung.

Betrachtet man den Energiefluss beim konventionellen Vakuum-Lichtbogen-Verfahren, so kann man zeigen, dass bei einem Elektrodenschmelzbadabstand von etwa 1,8 cm bis 2,5 cm nahezu loo% der elektrischen Bogenenergie in Form von Wärme in das Schmelzbad eintritt. Obwohl keine genauen Messungen durchgeführt wurden, welcher Teil dieser Wärme als latente Wärme in den Metalltropfen in das Schmelzbad eintritt, zeigen Rechnungen, die auf den vorliegenden Messungen beruhen, dass ungefähr 4o% der Lichtbogenenergie als latente Wärme in den Metalltropfen in das Schmelzbad gelangt. Mit anderen Worten, das Schmelzbad erhält in einem solchen Verfahren ungefähr 15o% mehr Wärme-Energie, als nur zum Schmelzen der Elektrode bei dieser Schmelzmenge notwendig ist. Beim vorliegenden Verfahren, wo im wesentlichen der ganze Entladungsstrom nicht in das Schmelzbad 13, sondern in die Gegenelektrode, wie z. B. die Wand des Tiegels 11, geht, ist im wesentlichen die einzige elektrische Entladungsenergie, die in das Schmelzbad 13 gelangt, die in Form der latenten Wärme in den Metalltropfen, während die übrige Entladungsenergie in die Tiegelwände .geht, wo sie wegen der grossen Fläche, über die sie verteilt wird, nicht stört. Verwendet man als Richtwert die oben erwähnte Verteilung der Entladungsenergie von ungefähr 4o% auf das

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Schmelzbad als latente Wärme und von ungefähr 60% auf die Tiegelwände, dann muss man beim vorliegenden Verfahren die Schmelzmenge auf das ungefähr 2,5-fache des früheren Verfahrens steigern, um denselben Wärmezustrom zum Schmelzbad zu erhalten wie bei dem früheren Verfahren.

Die- metallurgische Struktur des Gussblocks, der aus der abschmelzenden Elektrode gegossen wird, wird bestimmt durch f Erstarrungsparameter wie Tiefe und Gestalt des Schmelzbades, Temperaturgradient durch die Schmelzbad - festes Metall - Grenzfläche, Erstarrungsgeschwindigkeit und andere Paktoren. Wenn z. B. das Schmelzbad zu tief wird, wird die metallurgische Struktur des Gussblocks im Falle bestimmter Zusammensetzungen, wie der Fachmann weiss, nachteilig beeinflusst. Als Folge davon bestimmt die Notwendigkeit,eine bestimmte Schmelzbadtiefe nicht zu überschreiten, die maximal verwendbare Schmelzgeschwindigkeit und bei anderen Faktoren ist es gleich._: Die zulässige Geschwindigkeit für das vorliegende Verfahren ist wenigstens zweimal so gross wie bei den früheren Verfahren. Auf der anderen Seite kann ein zu flaches Schmelz- J bad ebenso die metallurgische Struktur des Gusstückes nachteilig beeinflussen, was z. B. eintreten könnte, wenn das vorliegende Verfahren mit derselben Schmelzmenge durchgeführt würde, wie sie beim früheren Verfahren notwendig war, um die Mindest-Schmelzbadtiefe zu erreichen und einzuhalten. Unter diesen Bedingungen würde das vorliegende Verfahren ein relativ flaches Schmelzbad zur Folge haben, was wiederum zur Folge hätte, dass die Zeit für Diffusion and andere Transportprozesse nicht ausreichen würde, die die gute Reinigung des Metalls vor dem Erstarren bewirken. So würde die wirtschaftlich erwünschte, grössere Schmelzgeschwindigkeit des vorliegenden Verfahrens auch notwendig, um eine gute Qualität des Produktes

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zu erreichen.

Deshalb wird in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht nur die Entladung durchgeführt, wobei sich das Ende der abschmelzenden Elektrode in einem Abstand von der Oberfläche des Schmelzbades befindet, der

etwa
mindestens/gleich dem Durchmesser der Segenelektrode ist,, sondern es wird auch der Entladungsström vergrössert, um eine Schmelzgeschwindigkeit zu erreichen, die gross genug, ist, das Schmelzbad aufrecht zu erhalten, wenn der Abstand zwischen dem Ende der Elektrode und der Oberfläche des Schmelzbades wächst. Dabei wird die Geschwindigkeit des Stromanstiegs geregelt, um.Temperaturschocks auf das Metall ebenso zu vermeiden wie nachteilige Einflüsse auf die Oberflächeneigenschaften und die metallurgische Struktur.

Wenn das vorliegende Verfahren unter einem Druck von weniger als 1 mm Quecksilber in einer konventionellen Apparatur ausgeführt wird, so dass die Entladungszone Teile des Tiegels vor dem ansteigenden Metall überstreicht,.das zum Gussblock erstarrt, und wenn der Abstand zwischen der ansteigenden Oberfläche des Schmelzbades und dem unteren Ende der Elektrode so gross ist, dass im wesentlichen der ganze Entladungsstrom zwischen der Elektrode Io und dem Tiegel 11 fliesst, dann bildet - wie Figur 1 zeigt - der Metalldampf, der an der Wand des Tiegels 11 entlang der Entladungszone kondensiert,, einen relativ langen Mantel 14„ Unter den angenommenen Bedingungen wird die Länge des Mantels 1.4 angenähert gleich sein dem Abstand zwischen der Oberfläche des Schmelsbades 13 und dem unteren Ende der Elektrode plus der Strecke, die sich die Entladung über die spitz zulaufende Seitenfläche der

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Elektrode ausbreitet. Das Metall des Mantels 14, der eine unregelmässige Oberfläche hat, zieht sich beim Erstarren zusammen und hebt sich eine kleine Strecke von der gekühlten Tiegelwand 11 ab, wobei ein Zwischenraum entsteht, der als Temperaturschwelle wirkt. Um beste Ergebnisse zu erhalten, sollte der .Mantel 14 wieder eingeschmolzen werden, wenn das Schmelzbad 13 bis zu ihm ansteigt, um die Porosität der Oberfläche und andere Nachteile, die sonst auftreten könnten, klein zu halten.

Wenn nötig, kann dies unter Umständen durch ein Vergrössern der Schmelzgeschwindigkeit herbeigeführt werden und ein dadurch bedingtes Anwachsen der Tiefe und Temperatur des Schmelzbades 13. Wenn andererseits bei einer speziellen Zusammensetzung die Schmelzgeschwindigkeit nicht im erforderlichen Masse gesteigert werden kann, weil dann z. B. die gewünschte metallurgische Struktur des Gussblocks nicht erreicht wird, kann die elektrische Entladung und das Schmelzen der abschmelzenden Elektrode auf einen Teil des Tiegels beschränkt werden,und das Giessen des Blocks kann an einer anderen Stelle stattfinden, wie es ausführlicher in Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben wird. Auf diese Weise kann der Mantel, der sich entlang der Entladungszone bildet, die metallurgische Struktur des Gussblocks nicht beeinflussen.

Das Schmelzen von abschmelzenden Elektroden sowohl durch das Verfahren des Vakuum-Lichtbogen-Schmelzens, wie es bisher durchgeführt!wurde als auch durch das vorliegende Verfahren der diffusen elektrischen Entladung ist in Zusammenhang mit einer sehr grossen Vielfalt von Zusammensetzungen nützlich wie reinen Elementen und Legierungen, die von solchen

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die eine relativ kleine Menge der zulegierten Elemente enthalten bis zu solchen, die eine grosse Menge davon enthalten, reichen. Solche Legierungen schliessen Werkzeugstähle,hochfeste Alterunas- und Verformungsalterungsstä'hle, warmfeste Stähle und eisenfreie Grundlegierungen ein. Es soll nun das vorliegende Verfahren, ohne es dadurch einschränken zu wollen, anhand des Schmelzens einer abschmelzenden Elektrode von A.I.S.I. Typ-Nr. 685 mit dem Händelsnamen "Waspaloy" beschrieben werden. Eine Elektrode dieser Zusammensetzung, die ungefähr 825 kg wog, die Form eines 16-seitigen Polygons mit einem Durchmesser von 23 cm zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten gemessen, besass und ungefähr 23o cm lang war, wurde in bekannter Weise in einem konventionell/wassergekühlten Tiegel befestigt, der einen Durchmesser von 36 cm hatte, und mit einer Stromversorgung für 15oo Ampere ausgerüstet war, die auf konstanten Strom eingeregelt wurde.

Nach Abdich.ten des Tiegels und etwa 15 Minuten Pumpzeit wurde in der Nähe des Pumpstutzens ein Druck von etwa Io Mikron Quecksilber gemessen. Eine elektrische Lichtbogenentladung konventioneller Art wurde durch Entfernen der Elektrode um etwa 2,5 cm von einem Startmetall am Boden.des Tiegels gezündet. Der Bogen brannte mit einem Strom von 2ooo Ampere und etwa 21 Volt, was dann plötzlich anstieg auf 5ooo Ampere und etwa 25 Volt. Unter diesen Bedingungen wurde ungefähr für 16 Minuten ein konventionelles Schmelzen durchgeführt. Nach etwa 16 Minuten wurde die abschmelzende Elektrode auf etwa 46 cm zurückgezogen, wobei der Strom auf 9ooo Ampere anstieg bei einer Betriebsspannung von 37 Volt. Während der nächsten 15 Minuten stieg die Betriebsspannung langsam von 37 Volt auf 4o Volt. Etwa 3o Minuten nach dem Start war ein stabiler Betrieb erreicht. Beim weiteren Schmelzen wurde die Elektrode mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 bis 5,7 cm

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pro Io Minuten nach unten geführt. Das Ende des Schmelzens wurde deutlich durch einen scharfen Anstieg der Spannung, als sich die für die Entladung verfügbare Oberfläche der Elektrode plötzlich verringerte. Am Ende der Entladung betrug der Abstand zwischen dem unteren Ende der Elektrode und dem oberen des Gussblocks 71 cm. ■

Das Schmelzens eines Gussblocks, der ungefähr 81o kg wog, i war in ungefähr 178 Minuten beendet, was einer über die ganze Zeit gemittelten Schmelzgeschwindigkeit von etwa 27o kg pro Stunde entspricht. Stellt man jedoch in Rechnung, dass in den ersten 16 Minuten der Strom niedriger war, und 5ooo Ampere betrug, erhält man für den grössten Teil des Schmelzens eine höhere, tatsächliche Schmelzgeschwindigkeit.

Man fand in der Tat, dass die letzten 14o cm der Elektrode mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 33o kg pro Stunde

geschmolzen wurden. ■

Bei einer Prüfung stellte sich sowohl die Oberfläche des Gusstückes als auch die Mikro-Struktur einer Scheibe, die von einem 23 cm im Quadrat grossen, aus dem Gussblock herausgetrennten Stück geschnitten war, als zufriedenstellend heraus. Die Kohlenstoffverteilung des Stücks erwies sich als die gleiche wie bei einem Stück derselben Legierung, das mit einem konventionellen Vakuum-Lichtbogen—Schmelzverfahren mit abschmelzender Elektrode geschmolzen war. Die Bedeutung dieser Tatsache wird deutlicher, wenn man bedenkt, dass die Schmelzgeschwindigkeit beim Schmelzen einer abschmelzenden Waspaloy-Elektrode in einem konventionellen Vakuum-Lichtbogen-Verfahren ungefähr 147 kg pro Stunde beträgt. *

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In Figur 2 besitzt ein Tiegel 2o, der in bekannter W^ise gekühlt werden kann, eine in seinem Inneren fest angebrachte Gegenelektrode 21. Die Gegenelektrode 21 ist wegen der guten elektrischen Leitfähigkeit aus Kupfer hergestellt und wird durch Kupferleiter 22 gehalten, die ausser als Halterung der Elektrode auch als Stromzuführungsschienen und als Rohrleitung für ein'geeignetes Kühlmittel^ wie z„ B= Wasser, dienen. Die übrigen oberen Teile des Tiegels können in bekannter Weise konstruiert sein und enthalten den Antrieb für die abschmelzende Elektrode Io und die Stromversorgung, die zwischen die abschmelzende Elektrode Io und die Gegenelektrode 21 geschaltet ist, wobei die letztere vorzugsweise mit dem positiven Pol der Stromversorgung verbunden ist«, Die Gegenelektrode 21 ist vorzugsweise elektrisch gegen die Tiegelwand isoliert, um die Tendenz des Entladungsstromes durch das Schmelzbad zu fliessen, kleinzuhalten. Ein Mantel 14 ist gezeigt, wie er in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben wurde, der sich an der der Entladung ausgesetzten Oberfläche der Gegenelektrode 21 bildet.

Die Oberfläche des Schmelzbades 13 wird im wesentlichen in einem festen Abstand vom unteren Ende der Gegenelektrode 21 gehalten, indem der erstarrte Metallgussblock 15 - wie durch Pfeile 23 angezeigt ist - nach unten gezogen wird mit einer Geschwindigkeit, die im wesentlichen gleich ist der Geschwindigkeit mit der die Grenzfläche 16 zwischen dem Schmelzbad 13 und dem erstarrten Mötallgusstück sonst ansteigen würde, wenn man die Tiefe des Schmelzbades konstant hält« Solche Vorrichtungen sind bekannter Stand der Technik und brauchen hier nicht beschrieben zu werden«

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Beim Durchführen des vorliegenden Verfahrens in einer Apparatur nach Figur 2 wird die Entladung zwischen der abschmelzenden Elektrode Io und der Gegenelektrode 21 dadurch gezündet, dass zuerst der Zwischenraum mit einer geeigneten Startvorrichtung wie einem relativ feinen Draht oder Metallwolle, die vorzugsweise dieselbe Zusammensetzung wie die abschmelzende Elektrode Io besitzen,'überbrückt wird. Wird der Strom eingeschaltet, so verdampft die Startvorrichtung sofort, und die Entladung ist gezündet. Es ist dabei nicht notwendig, die Elektrode beim ä Beginn zurückzuziehen. Wenn die.Elektrode Io weggeschmolzen ist, wird sie abwärts nachgeführt. Wenn die Nachführgeschwindigkeit zu niedrig ist, dann steigt die Spannung etwas und ein geringerer Teil der abschmelzenden Elektrode Io befindet sich gegenüber der Gegenelektrode 21. Dieses Ansteigen der Spannung wird zur Regelung der Nachführung der Elektrode Io benutzt, , · indem es einen Abwärtsschub der Elektrode - wie durch Pfeil angezeigt - über die Strecke bewirkt, die nötig ist, um die Spitze der Elektrode etwa in der Mitte der Gegenelektrode zu halten. Eine solche Anordnung ist ebenfalls Stand der Technik und braucht nicht beschrieben zu werden.

Mit Ausnahme der Art, wie die Entladung gezündet wird, und dem Antrieb der abschmelzenden Elektrode Io und des Gussblockes wird das Verfahren in der gleichen Weise durchgeführt wie schon beschrieben. Ein wichtiger Vorteil der in Figur 2 gezeigten Apparatur besteht darin, dass das Schmelzbad 13,die Grenzfläche 16 und das erstarrte Metall 15 nicht im Tiegel hochsteigen und die elektrische Entladungszone durchgueren. Infolgedessen kann die Ausbildung eines festen Mantels von kondensiertem Metall an der Oberfläche der Gegenelektrode 21 den Gussblock nicht stören, und es bedarf deshalb keines besonderen Schrittes zum Schmelzen dieses Mantels.

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Das vorliegende Verfahren eignet sich zum Schmelzen abschmelzender Elektroden, um Gussblöcke oder Stäbe mit kleinerem Durchmesser als die Elektrode zu bilden» Zu diesem Zweck wird der Tiegel in zwei Kammern geteilt, eine obere Kammer, die bis unmittelbar unterhalb der Gegenelektrode 21 identisch sein kann mit der in Figur 2 gezeigten und eine untere Kammer, die einen kleineren Durchmesser besitzt, im übrigen aber dem unteren Teil des Tiegels 2o gleicht. Wenn es erwünscht ist, kann die abschmelzende Elektrode schon vorher zugespitzt werden, um das Tropfen des geschmolzenen Metalls in die untere Kammer mit dem kleineren Durchmesser während der Periode unmittelbar nach dem Start zu erleichtern, während der das Zuspitzen sonst durch die diffuse Entladung bewirkt würde.

Es kann noch eine andere Technik angewandt werden, um die Bildung von kondensiertem.Metalldampf und ihre Folgen klein zu halten; sie besteht im Gebrauch eines Flussmittels gemäss einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die weitere wichtige Vorteile bringt. Wie in Figur 3 gezeigt, kann eine Apparatur für diese Ausführungsform des Verfahrens die gleiche sein, wie sie in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben wurde. Nachdem das Schmelzen gezündet und ein stationärer Zustand erreicht ist, wird ein Flussmittel langsam genug, um die Entladung nicht zu unterbrechen, hinzugefügt. Nachdem das Flussmittel hinzugefügt ist, stabilisiert sich die Entladung wieder in etwa 1 bis 2 Minuten. Das zugefügte Flussmittel wird eingeschmolzen und fliesst an der Oberfläche des Schmelzbades, wie es mit 25 bezeichnet ist. Wenn sdch an der Tiegelwand ein Mantel 26 bildet, wird er jetzt hauptsächlich vorn kondensierten Dampf des Flussmittels anstatt des Metalls gebildet. Zusätzlich überzieht das

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Flussmittel den Tiegel und die Oberfläche des Gussblocks 15, wie es mit 26A bezeichnet ist. Dies hat einen vorteilhaften Einfluss auf die Oberfläche des Gussblocks, der im Tiegel gegossen wird. Durch seine Anwesenheit auf der Oberfläche des Schmelzbades sorgt das Flussmittel weiter durch Dämpfen der Wirkung der fallenden Metalltropfen für ein ruhiges , Schmelzbad. ·

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wurde zwar anhand i eines Tiegels mit kreisförmigem Querschnitt beschrieben. Die Gestalt der Elektroden und der zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens verwendeten Vorrichtungen kann aber natürlich beliebig Variiert werden. Es können abschmelzende Elektroden, Tiegel und Gegenelektroden verwendet werden, die keinen kreisförmigen Querschnitt haben. Wenn in diesem Fall hier oder auch in den Patentansprüchen das Wort "Durchmesser" verwendet wird, ist die kürzere Ausdehnung des Querschnitts j wie z. B. die kleine Achse einer Ellipse oder die kürzere Seite eines Rechtecks gemeint.

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Claims

Patentansprüche

1) Verfahren zum Schmelzen einer abschmelzenden Elektrode mittels einer elektrischen Bogenentladung an einem Ende der abschmelzenden Elektrode in einer Schmelzkammer, bei dem das geschmolzene Metall von diesem Ende der abschmelzenden Elektrode ein Schmelzbad bildet, aus welchem das Metall in Form eines Gussblocks erstarrt^ dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer diffusen elektrischen Bogenentladung (12) zwischen dem Ende der abschmelzenden Elektrode (lo) und einer Gegenelektrode (21), die sich in einem Abstand von diesem Schmelzbad befindet, der Abstand zwischen der Oberfläche des Schmelzbades (13) und dem Ende der Elektrpde (lo) a) grosser gehalten wird als der maximale Abstand, den das geschmolzene Metall zwischen der abschmelzenden Elektrode (Io) und dem Schmelzbad (13) überbrücken kann, und b) mindestens etwa gleich gross gehalten wird, wie der minimale Abstand, bei dem eine Bogenentladung stattfinden kann, ohne dass mehr als ein geringer Teil des Entladungsstromes durch das Schmelzbad (13) fliesst, und dass die diffuse elektrische Bogenentladung (12) hauptsächlich zwischen der abschmelzenden Elektrode (lo) und dieser Gegenelektrode (21) stattfindet, während zumindest ein grosser Teil der Elektrode (lo) verbraucht wird, und dass Magnetfelder in der .Schmelskammer (11) quer zu dieser Bogenentladung'(12) kleiner gehalten werden als die zur Unterbrechung der Bogenentladung minimal notwendigen»

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2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Oberfläche des Schmelzbades (13) und der abschmelzenden Elektrode (lo) mindestens etwa gleich dem Innendurchmesser der Schmelzkammer (11) in der Entladungszone gehalten wird.

3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,·dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Oberfläche des Schmelzbades (13) und der abschmelzenden Elektrode (Io) mindestens etwa so gross gehalten wird, dass Vergrösserungen dieses Abstandes keinen wesentlichen Einfluss auf den Spannungsabfall der Bogenentladung haben.

4) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (21) ein Teil der Schmelzkammerwand ist, der sich in einem Abstand vom Schmelzbad befindet.

5) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Schmelzkammer niedriger als etwa Io mm Hg gehalten wird.

6) Verfahren nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Schmelzkammer niedriger als etwa o,5 mm Hg gehalten wird.

7) Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Schmelzkammer eine Atmosphäre befindet, die nicht mit dem geschmolzenen Metall reagiert.

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8) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese Atmosphäre aus Argon besteht«

9) Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck zwischen etwa 1 mm und etwa 5 mm Hg liegt«

10) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Oberfläche des Schmelzbades ein Flussmittel (25) eingeschmolzen ist, und-dass die abschmelzende Elektrode (lo) sich in einem Abstand von diesem Flussmittel (25) befindet.

11) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Bogenentladung durch Wegziehen des Endes der abschmelzenden Elektrode (lo) vom Schmelzkammerboden gezündet wird, und dass der Strom in dieser Entladung vergrössert wird, wenn der Abstand zwischen der abschmelzenden Elektrode (lo) und dem Schmelzbad (13) vergrössert wird»

12) Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,, dass die abschmelzende Elektrode (lo) nach der Zündung der Entladung im wesentlichen ortsfest gehalten wird, wenn sich der Abstand zwischen der abschmelzenden Elektrode (lo) und dem Schmelzbad (13) durch das Wegschmelzen der Elektrode vergrössert hat.

13) Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die abschmelzende Elektrode (lo) nach der Zündung der Entladung wenigstens so weit weggezogen wird, bis der

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Abstand zwischen der abschmelzenden Elektrode (lo) und dem Schmelzbad (13) mindestens etwa gleich dem Innendurchmesser der Schmelzkammer ist. .

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