DE2124960A1

DE2124960A1 - Verfahren zur herstellung von bloecken aus staehlen und metallegierungen mittels des elektroschlacke-umschmelzens mit elektrodenwechsel

Info

Publication number: DE2124960A1
Application number: DE19712124960
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing D Holzgruber; Adolf Dipl Ing Schneidhhofer
Original assignee: Gebrueder Boehler and Co AG
Current assignee: Gebrueder Boehler and Co AG
Priority date: 1971-05-19
Filing date: 1971-05-19
Publication date: 1973-02-01
Also published as: FR2138077B1; FR2138077A1; GB1347210A; DE2124960B2; AT316776B; IT957912B; JPS4872037A; JPS5018858B2

Description

Gebr. Böhler & Co. Aktiengesellschaft, Wien

Verfahren zur Herstellung von -lang©»-Blöcken aus Stählen und Metallegierungen mittels des Elektroschlacke-Um-

schmelz mtl· Elektroden wechsel

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Herstellung langer Blöcke aus Stählen und Metallegierungen mittels des bekannten Elektroschlacke-Umschmelzverfahrens.

Lange Blöcke im Sinne der Erfindung sind solche, deren Länge wenigstens das Dreifache des Blockdurchmessers bei Blöcken mit k "eisrundem Querschnitt beträgt. Bei Blöcken mit anderen Q.uerschnittsformen, z.B. bei Flachblöcken oder Polygonalblöcken, sind die entsprechenden äquivalenten Durchmesser der Beurteilung zugrunde zu legen.

Das Ele^ctroschlacke-Umschmelzverfahren wird immer dann empfohlen, wenn an die Qualität der Werkstoffe erhöhte Anforderungen im Vergleich zu 'Jenen, die mit konventionellen Verfahren erzielbar sind, gestellt werden.

Dennoch treten bei der Durchführung dieses UmschmelζVerfahrens eine Reihe von Schwierigkeiten auf, welche den Erfolg desselben in Frage stellen können und im Extremfall zu nicht verwendbaren Blöcken führen. Zu diesen Schwierigkeiten gehören die Erzielung eines ausreichenden Reinheitsgrades, also einer möglichst weitgehenden Abwesenheit von unerwünschten Begleitelementen, das Erzielen einer optimalen Primärkristallisation und schließlich bei der Herstellung von langen Blöcken die

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ORiQtNAL INSPECTßÖ

Gefahr des Auftretens von Seigerungsstreifen, wenn zum Aufbau des Blockes nicht eine einzige Abschmelzelektrode., sondern mehrere Elektroden nacheinander verwendet werden müs'sen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, mit dem die aufgezeigten Schwierigkeiten in ausreichender Weise überwunden werden können. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Beobachtung zugrunde, - daß der Höhe des Schlackenbades eine entscheidende Bedeutung zukommt und daß zwischen dieser maximal zulässigen Höhe und dem Durchmesser der Kokille im technisch interessierenden Bereich ein Zusammenhang besteht, der für praktische Zwecke ausreichend genau definiert werden fc kann. Dieser Bereich kann mit Blockdurchmessern zwischen etwa loo bis 25oo mm angegeben werden.

Grundsätzlich muß darauf hingewiesen werden, daß mit der Hfihe des Schlackenbades die Werkstoffqualität verbessert wird. Erfahrungsgemäß ist die durch die Schlacke erfolgende Reinigung des Metalls von unerwünschten Begleitelementen umso intensiver, je höher das Schlackenbad ist. Als Ursache hierfür kann angenommen werden, daß der von der Elektrodenspitze abschmelzende Metalltropfen während seines Durchganges durch, das Schlackenbad umso stärker gereinigt wird, je größer die Verweilzeit in der Schlacke ist. Mit zunehmender Verweilzeit wird der Ablauf der reinigenden metallurgischen Reaktionen immer ^ vollständiger.

Hinzu kommt, daß zunehmende Schlackenbadhöhen die Ausbildung flacher werdender Sumpfformen zur Polye haben. Im Vertikalschnitt mit Hilfe gedachter Ebenen durch die Blockachse ist der Sumpf der Form nach mit einem Kreisabschnitt vergleichbar, wobei die Sehne als Schnitt durch die Grenzfläche Schlacke-Metallbad und der Kreisbogen als Schnitt durch die Grenzfläche zwischen der flüssigen und festen metallischen Phase angesehen werden kann. Der Radius des Kreisbogens dieses ge-' dachten Kreisabschnittes wird also mit zunehmender S"chlacken-

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höhe groi3er bzw. die Sumpf form flacher. Diese Erscheinung ist durchaus erwünscht, weil sie eine metallurgisch vorteilhafte, über den ganzen Querschnitt relativ gleichmäßige Primärkristallisation zur Folge hat.

Es ist selbstverständlich aber nicht möglich, die Höhe des Schlackenbades beliebig zu steigern. Überraschend dabei ist, daß dies zur Erzielung optimaler Verhältnisse auch keineswegs notwendig ist und daß eine Steigerung der Schlackenbadhöhe über ein bestimmtes Maß hinaus sogar nachteilige Polgen haben kann. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn zum Aufbau des Blockes nicht eine einzige Elektrode, sondern mehrere Elektroden nacheinander abgeschmolzen werden.

Grundsätzlich ist die Verwendung einer einzigen Abschmelzelektrode auch zur Herstellung eines längeren Blockes durchaus möglich, hat aber zur Voraussetzung, daß diese Elektrode ausreichend lang ist. Bei sehr langen Blöcken wären daher extrem lange Elektroden notwendig. Die Verwendung solcher langer Elektroden würde aber zu Anlagen mit großen Bauhöhen führen, die kostspielig sind und daher die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens in Frage stellen. Aus diesem Grunde müssen mehrere kürzere Elektroden nacheinander abgeschmolzen werden. Hierbei wird nach dem Abschmelzen einer Elektrode der jeweils verbleibende Elektrodenrest aus dem Schlackenbad entfernt und durch eine neue Elektrode ersetzt. Dieser Vorgang verursacht aber eine Unterbrechung der Energiezufuhr zum Schlackenbad, die sich nachteilig auf die Kristallisationsvorgänge auswirken kann. Es wurde beobachtet, daß selbst bei Anwendung an sich metallurgisch günstiger Umschmelzbedingungen, die also bei Verwendung einer einzigen Abschmelzelektrode zu einwandfreien Blöcken führen würden, bei Durchführung eines Elektrodenwechsels ausgeprägte Seigerzonen im Umschmelzblo'ck auftreten. Diese Seigerzonen treten an Stellen auf, die der Phasengrenze zwischen dem festen und dem flüssigen Metall zum Zeitpunkt der Unterbrechung des

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Schmelzvorganges als Folge des Elektrodenwechsels entsprechen. Blöcke mit solchen Seigerzonen sind für höchste Ansprüche nicht mehr brauchbar und müssen häufig dem Abfall zugeteilt werden.

Mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen ist es jedoch trotz ausreichender Schlackenhöhen und trotz Verwendung · mehrerer nacheinander zur Verwendung kommender Abschmelzelektroden möglich, metallurgisch einwandfreie Blöcke herzustellen. Umfangreiche Versuche haben ergeben, daß die maximal zulässige Schlackenbadhöhe zum Kokillendurchmesser innerhalb eines gewissen Bereiches in eine einfache Beziehung gebracht werden kann, welche die nachstehende Gleichung

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wiedergibt.

In dieser Gleichung bedeuten H die maximal zulässige Schlackenbadhöhe in cm, bis zu welcher nachteilige Effekte auf die Blockstruktur beim Elektrodenwechsel vermieden werden, D den Durchmesser der Kokille in cm und K einen Faktor, der zwischen o,9 und 1,8 den durchgeführten Untersuchungen zufolge liegen kann.

Bei großen Kokillendurchmessern liegt der optimale Wert von K an der unteren,, bei kleinen Kokillendurchmessern an der oberen Grenze des angegebenen Bereiches. Verfahrenswesentlieh ist ferner,, daß in keinem Fall eine niedrigste Schlackenbadhöhe von 4 cm unterschritten wird und daß die Dauer des Elektrodenwechsels nicht mehr als 15ο ε beträgt.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von langen Blöcken aus Stählen und Metallegierungen mjbfcels des Elektroschlacke-Umschmelzverfahrens, wobei mindestens 2 Elektroden nacheinander für den Aufbau eines Blockes abgeschmolzen werden und die Erfindung besteht darin,

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dai mit einer Schlackenbadhöhe gearbeitet wird, die höchstens das 0,9 bis 1,8-fache der Quadratwurzel des Kokillendurchmessers in cm beträgt, mit der Maßgabe., daß die niedrigste Schlacieenbadhöhe 4 cm nicht unterschreitet und daß der Elektrodenwechsel in einer Zeit von höchstens 15o s durchgeführt wird.

Vorrichtungen zur Durchführung des Elektrodenv/echsels innerhalb der angegebenen Zeit gehören zum Stand der Technik und sind nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Die Betriebssicherheit des empfohlenen Verfahrens kann dadurch wesentlich erhöht werden, daß das in das Schlackenbad eintauchende Ende der Wechselelektrode vor dem Eintauchen auf Temperatüren zwischen 3cο und 9oo C, vorzugsweise 5oo bis 7oo°C, vorgewärmt wird. Die Vorwärmung auf die angegebenen Temperaturen soll hierbei über eine Länge der Wechselelektrode erfolgen, die mindestens der Eintauchtiefe in das Schlackenbad entspricht.

Ausführunj-sbelspiele:

In einer industriellen Umschmelzanlage wurde ein Block des Stahles X 38 CrMoV 5 1 mit einem Durchmesser von loo cm und Elektrodenwechsel umgeschmolzen, wobei die Elektrodenenden vor dem Einbringen in das Schlackenbad auf 600 C vorgewärmt wurden. DeJ? mit einer konventionellen Schlackenbadhöhe von etwa 26 cm umgeschmolzene Block wurde aus drei Elektroden zu je 6 t Gewicht und einem Durchmesser von 60 cm aufgebaut. Jede einzelne Elektrode war 2,7 m lang. Die Dauer des Elektrodenwechsels betrug 80 Sekunden. Die Länge des fertigen Umschmelzblockes war 3 m· Es wurde somit ein l8 t-Block hergestellt. Dieser Block aus dem Warmarbeitsstahl X 38 CrMoV 5 wurde auf einer Schmiedepresse zu einem Schmiedestab mit 5oo mm Vierkant, welcher für die Herstellung von Warmarbeitswerkzeugen vorgesehen war, verarbeitet. Eine Ultraschallprüfung des geschmiedeten Stabes ergab stellenweise Pehler-

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anzeigen, die eine Verwendung des Materials für den vorgesehenen Zweck ausschlossen. Bei Zerteilung des Stabes und genauerer Untersuchung der Ultraschallanzeigen wurden ausgeprägte Seigerstreifen mit vereinzelten, auf den Schmiedevorgang zurückzuführenden Materialtrennungen festgestellt. Die mittels mehrerer Beizscheiben festgestellten Seigerungszonen erstreckten sich aufgrund der etwa 4-fachen Verformung des Schmiedestabes über eine Länge von nahezu 2 m. Aus der Erscheinungsform der Fehler konnte rekonstruiert werden, daß es sich hier um Seigerzonen handelte, die aufgrund der Unterbrechung des SchmelzVorganges während des Elektrodenwechseis entstanden sind.

Versuche, diese Seigerungserscheinungen durch '-nderung der Prozeßpararneter zu beeinflussen, schlugen bei Variation der Abschmelzleistung, des Elektrodendurchmessers, der Stromstärke und der Spannung fehl.

Erst eine Verringerung der Schlackenbadhöhe, bei der befürchtet werden mußte, daß andere erhebliche metallurgische Nachteile in Kauf genommen werden müssen, brachten überraschenderweise einen optimalen Erfolg. Bei gleichzeitigem Verschwinden der Seigerungszonen wurden wider Erwarten die übrigen metallurgischen Vorteile nur unwesentlich gemindert, wie sich aus den nachstehend beschriebenen Untersuchungen ergibt.

Um den finanziellen Aufwand für diese Untersuchungen in erträglichen Grenzen zu halten, wurden sie an Blöcken kleineren Durchmessers (3o cm 0) vorgenommen. Ein Block wurde mit einer Schlackenbadhöhe von 24 cm und einer Abschmelzrate von 228 kg/h aufgebaut, wobei mehrere Elektrodenwechsel erfolgten. Während des Elektrodenwechsels wurde die Energiezufuhr zum Schlackenbad jeweils 6o see. unterbrochen. Der Block wurde im Gußzustand entlang der Längsachse geteilt und einer

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Heißätzprüfung unterworfen. Die Heißätzscheiben zeigten an den Stellen, an welchen der Elektrodenweehsel vorgenommen wurde, ausgeprägte Seigerstreifen, die die Form des flüssigen Sumpfes markierten (Bild 1). Aus diesem Block wurden Proben aus der Zone des normalen Blockaufbaus sowie aus den geseigerten Stellen entnommen und mit Hilfe einer Elektrcnenstrahlmikrosonde untersucht. Dabei zeigte sich, daß der Seigerungsgrad des Molybdäns, ausgedrückt durch das Verhältnis der maximalen Konzentration in den interdendritischen Bereichen zur minimalen Konzentration in den Dendritenachsen, in den Zonen des normalen Blockaufbaus 2,7o betrug, während an den geseigerten Stellen der für diesen Stahl ungewöhnliche und überaus ungünstige Wert von 4,4o ermittelt wurde.

Ein zweiter Block gleichen Durchmessers des gleichen Stahles wurde mit einer Schlackenbadhöhe von nur 8 cm und einer Abschmelzrate von 235 kg/h umgeschmolzen. Bei diesem Block wurden ebenfalls mehrere Elektrodenweehsel mit einer Dauer von 6o see. durchgeführt. Der Block wurde wieder entlang der Längsachse geteilt. Die entnommenen Heißätzscheiben ergaben auch an der Elektrodenwechselstelle ein einwandfreies Gefüge wie dies aus Bild 2hervorgeht, Eine Überprüfung der Seigerung des Molybdäns mit der Mikrosonde ergab einen Wert von 2,75 in den Zonen des normalen Blockaufbaus und einen praktisch gleich hohen von 2,63 an der Wechselstelle. Dieses zunächst unerwartete Ergebnis konnte in einer Reihe von weiteren Versuchen bestätigt werden.

Aufgrund der geschilderten guten Ergebnisse wurde ein zusätzlicher Versuch zur Herstellung eines loo cm 0-Blockes der Legierung X 38 CrMoV 5.1 durchgeführt. Die Schlackenbadhöhe wurde in diesem Fall mit 14 cm gewählt, als Abschmelzelektroden wurden wieder 6 t schwere gegossene Blöcke mit 60 cm 0 eingesetzt. Der aufgebaute Block wurde einer 4-fachen Verformung durch Schmieden unterzogen und anschließend durch

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Ultraschall geprüft. Der Ultraschallbefund ergab ein einwandfreies Ergebnis.

Das erfindungsgemäße Verfahren beschränkt sich nicht nur auf die Herstellung von Warmarbeitsstählen des Typs X 38 CrMoV 5 1 sondern ist in gleich vorteilhafter Weise auch auf jede andere Stahlqualität oder auf Metallegierungen anwendbar.

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Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren zur Herstellung von langen Blöcken aus Stählen und Metallegierungen mittels des Electroschlacke-Umschmeizverfahrens, wobei mindestens zwei Elektroden nacheinander für den Aufbau eines Blockes umgeschmolzen werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Schlackenbadhöhe gearbeitet wird, die höchstens das 0,9- bis 1,8-fache der Quadratwurzel des Kokillendurchmessers in cm beträgt mit der Maßgabe, daß die niedrigste Schlackenbadhöhe 4 cm nicht unterschreitet und daß der Elektrodenwechsel" in einer Zeit von höchstens I50 Sekunden durchgeführt

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von Stahlblocken, dadurch gekennzeichnet- daß das in das Schlackenbad eintauchende Ende der Wechselelektrode vor dem Eintauchen auf Temperaturen zwischen 300 und 900⁰C, vorzugsweise 500 bis 700⁰C, mindestens in einer der Eintauchtiefe entsprechenden Länge vorgewärmt wird.

Gebr.Böh/ier&Co Aktiengesellschaft Patentbüro

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