DE2143445A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von metallischen bloecken - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum herstellen von metallischen bloeckenInfo
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- C22B9/16—Remelting metals
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Description
Köln, den 25.8.1971 ZR3-Zap/Sk - 71511 -
Patent- und Gebi*auchsmuster~Hilfsanmeldunq
"Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von metallischen
Blöcken"
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen
von metallischen Blöcken aus festen oder flüssigen Ausgangsstoffen durch von unten aufsteigende Kristallisation in einer
flüssigkeitsgekühlten Kokille mit ebenfalls flüsijigkeitsgekühltem,
von dex* Kokille abziehbarem Kokillenboden,
Ein solches Verfahren wird stets dann angewandt, wenn metallische
Blöcke beliebigen Querschnitts erzeugt werden sollen, deren Länge die der Gießform übersteigt. In derartigen
Fällen wird der in Bildung begriffene Block nach Bildung einer erstarrten Oberfläche mit mehr oder weniger gleichförmiger
Geschwindigkeit entweder nach unten aus der Kokille herausgezogen, oder die Kokille wird nach oben angehoben.
Dies hat zur Folge, daß die frisch gebildete und noch auf hoher Temperatur befindliche Blockoberfläche der umgebenden
Atmosphäre ausgesetzt wird, wo sie durch Strahlung und Konvektion sehr rasch weitere Wärme verliert.
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Die Wärmeabfuhr erfolgt aber nicht nur von der zylindrischen oder prismatischen Oberfläche des Blocks sondern zu einem
beträchtlichen Teil auch über den flüssigkeitsgekühlten Kokillenboden, auf dem sich der Block infolge seines Eigengewichts
abstützt. Die an dieser Stelle pro Zeiteinheit abgeführte Y/ärmemenge hängt jedoch wiederum von der Temperaturdifferenz
und damit von der jeweiligen Blocklänge beziehungsweise dem Abstand zwischen der noch schmelzflüssigen Blockoberseite
und dem Blockfuß ab. Hieraus folgt, daß die Wärmeabfuhr über den Blcckfuß während das Blockaufbaus nicht
g-leichmässig verläuft, sondern daß vielmehr zu Beginn der
Blockbildung ein sehr viel höherer Anteil der Wärme über den Blockfuß abgeführt wird, als bei Fertigstellung de*g Blocks.
Dabei verläuft der Temperaturgradient am Anfang sehr steil j
gegen Ende des Schmälzens jedoch erheblich flacher. Man kann dies so auffassen, daß das Blockmaterial selbst als thermischer
Isolator zwischen Schmelzsee und Kokillsnbodon dient.
Eine unterschiedliche Wärmeabfuhr isfc jedoch sehr unerwünscht,
insbesondere dann,, wenn es .sich um Blocke von relativ begren-ter
Länge handelt, die mit einer sehr geringen Waehstumsgeschwiiidigkeit
erzeugt werden. Dies ist beispielsweise beim Erschmelzen großer Blöcke mittels des Elektroschlackeumschmelzverfahrens
dor Fall. Der Blockaufbau benötigt dabei eine btiträchtlichö Zeit: Für einen Block von ca.'200 Tonnen
Gewicht wex-den ca. 200 Schmelzstunden angesetzt. Während der
obere Teil des Blocks auf Schmelztemperatur gehalten wird, kühlt gemäß den obigen Ausführungen der untere Teil des
Blockes ab. Blockgrössen der genannten Art werden vornehmlich für die Herstellung von Turbinenläufern benötigt, die
aus speziellen Stahllegierungen, zum Beispiel 2Ö Ni Cr Mo 74
(Werkstoff-Nr. 1.6589) bestehen. Für diese und ähnliche Stahllegierungen gibt es nun eine kritische Abkühlgesehw.indigkeit
unter eine bestimmte Grenztemperatur, die nicht über-
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BAD
schritten werden darf. Andernfalls treten Risse im Block auf, die zu einer Verwerfung des Blockes führen.
Die Anfahrphase eines Elektroschlacke-Umsehmelzprozesses verlangt
aus bekannten Gründen einen wassergekühlten Boden, der dicht mit* dem zylindrischen beziehungsweise prismatischen
Kokillenmantel abschliessen muß. Dieser Kokillenboden hat
aufgrund der Wasserkühlung und der.Materialbeschaffenheit
- er besteht in der Regel aus einer hohlen Kupferplatte - die geschilderte Y/irkung. !lach einer Reihe von Sehmelzstunden,
das heißt bei genügend grossem Abstand zwischen Schmelzsee und Blockunterkante kann im Bereich des Kokillenbodens die
kritische Grenztemperatur unterschritten v/erden, so daß die befürchteten Blockrisse auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den unterschiedlichen Einfluß des gekühlten Kokillcnbodens während des
Blockaufbaxis einzuschränken -.ind nach Möglichkeit ganz zu
vermeiden. Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Wärraefluß vom Block zum Kokillonboden
nach Ausbildung einer festen Blockunterseite sprunghaft verringert wird. Die Lehre gemäß der Erfindung kann auf
verschiedene Yfeise ausgeführt werden. Beispielsweise kann der Kokillenbqden - zumindest zeitweise - von der Blockunterseite
al.gesenkt werden, wobei die Aufrechterhaltung der Stromzufuhr
und die mechanische Abstützung durch einen Zapfen be~
wirkt werden, der zu Beginn des Umschraelzprozesses mit der
sich bildenden Blockunterseite vereinigt wurde. Der gekühlte Kokillenboden kann aber auch für eine sehr kurze Zeitspanne
von der Blockunterseite ,abgezogen und nach dem Einbringen einer isolierenden Zwischenlage, beispielsweise aus Asbest,
wieder an die Blockunterseite angelegt werden. Auf besondere Mittel zur Abstützung des Blockes kann in diesem Falle verzichtet
werden, da der Block durch unvermeidliche Reibungs-
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BAD OR(GIMAL
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einflüsse kurzzeitig von der Kokille gehalten wird. Die Unterbrechung der Stromzufuhr für wenige Sekunden \ann als unschädlich
angesehen werden. In Verbindung mit beiden Vorschlägen können zusätzlich Mittel vorgesehen werden, durch die der
Block im Bereich seiner Unterseite zusätzlich beheizt wird.
Als besonders geeignet hierfür hat sich ein- gasbeheizter Ringbrenner
erwiesen, der den Block in der Nähe des Kokillenbodens
ringförmig umgibt. " ■
Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung wird unmittelbar
nach der Absenkung des gekühlten Kokillenbodens gegenüber dem Block der Wärmefluß vom Block zum Kokillenboden eingedämmt.
Dabei sorgt der Wärmefluß von der schmelzflüssigen
Zone des Blockes zu dessen Bodenzone aufgrund der Leitfähigkeit des Metalls dafür, daß der Unterteil des Blockes mit
Sicherheit sehr lange eine Temperatur behält, die oberhalb der kritischen Grenztemperatur liegt. Bei Verwendung eines
Zapfens, der mit dem Block in der Anfahrphase vereint wird, stellt sich ein unzulässig hoher Temperaturgradient nur an
diesem Zapfen ein. Dies ist jedoch unbedenklich, da der Zapfen gegenüber dem Block einen erheblich geringeren Querschnitt
hat, so daß hierdurch der Y/ärmefluß begrenzt wird.
Ausserdem ist der Zapfen kein Bestandteil des Blockes; er
wird vielmehr nach dessen Fertigstellung abgetrennt.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist gemäß der weiteren Erfindung gekennzeichnet durch
eine mit einem Antrieb in Verbindung stehende Plattform für die Herbeiführung der Absenkbewegung des Blocks und durch
einen an der Plattform eingebrachten Kokillenboden sowie durch Mittel zur Veränderung des Abstandes "a " zwischen
Plattform und Kokillenboden.
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Un eine sichere Abstützung des Blocks auf der Plattform über einen längeren Zeitraum zu gewährleisten,wird ferner vorgeschlagen,
daß der Kokillenboden mit mindestens einer Öffnung für den Durchtritt eines mit dem Block zu vereinigenden
Zapfens versehen ist. Dieser Zapfen, der beispielsweise vor Beginn des Uiaschmelsens in die Vorrichtung eingesetzt wird,
stützt sich einerseits auf der Plattform ab, und ragt andererseits
durch den Kokillenboden in den Kokilleninnenraum hinein. Er dient neben der rein mechanischen Abstützung auch zur Zuführung
des Schmelzstromes zum Block.
Bei besonders zeitaufwendigen Umschmelzprozessen kann es vorkommen,
daß sich die Temperaturen in der Bodenzone des Blocks
wieder der kritischen Grenzteraperatur nähern, weil die Wärmezufuhr
vom Schmelzsee den Wärmeverlust über die aus der Kokokille
herausragende Oberfläche nicht mehr kompensieren kann. Um dies zu vermeiden, wird gemäß der weiteren Erfindung
eine Einrichtung vorgeschlagen, die in den Raum zwischen Kokillenmantel und Kokillenboden einbringbar ist und zur
äusseren Beheizung des Blocks von seiner Unterkante her dient. Der verminderte Wärmeabfluß zwischen Blockunterseite
und (abgesenktem) Kokillenboden verhindert dabei auch, daß ein Teil der durch die Zusatzheizung aufgebrachten V/ärmeinenge
unmittelbar durch den Kokillenboden wieder abfließt.
Der absenkbare Kokillenboden wird nach Beendigung des Schmelzprozesses
wieder angehoben und übernimmt hierdurch die Unterstützung
des Blockes, so daß die Kokille zum Zwecke einer Entnahme des fertigen Blockes bis über dessen Oberkante angehoben werden kann. Hierbei empfiehlt sich ebenfalls eine
thermisch isolierende Zwischenlage.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und
einer hierfür vorgesehenen Vorrichtung seien nachfolgend an Hand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben.
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BAD ORfQWAL
Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Elektrosehlacke-Um-Schmelzanlage
kurz nach Bildung eines festen Blockunterteils
und
und
Figur 2 die gleiche Anlage nach längerer Sehmelzdauer mit bereits
abgesenktem Kokillenboden.
In Figur 1 ist mit 1 ei η ο Abschmelzelektrode" aus einer für
Turbinen-Läufer geeigneten Legierung bezeichnet, die mittels
einer Zugstange 2 an einem Ausleger 3 einer Elektrodenhaltevorrichtung
befestigt ist. Der Ausleger 3 ist längsversehieblich
an einer senkrechten Führungssäule 4 befestigt und mittels
einer Gewindespindel 5 in vertikaler Richtung bewegbar. Zu diesem Zv/eck befindet sich im Ausleger 3 eine SpindeImniter
6. Die Gewindespindel 5 wird an ihrem oberen Ende von einem Lager 7 aufgenommen, das mittels einer Traverse 3 an.
der Führungssäule 4 befestigt ist. Das untere Lager 9 der
Gewindespindel befindet sich in einem Getriebekasten 10, in dein die Drehzahl eines Antriebsmotors 11 auf einen geeigneten
Wert untersetzt wird. Die Teile 2 bis 11 stellen die sogenannte Elektrodenvorschubeinrichtung dar.
Die Abschmelzelektrode 1 befindet sich zumindest mit einem Teil ihrer Länge innerhalb einer Kokille 12, die aus einer
Kokillenwand 13 in Form eines zylindrischen Hohlmantels mit Anschlußstutzen 14 für Ein- und Austritt einer Kühlflüssigkeit 15 besteht. In der Kokille 12 befindet sich während der
ersten Schmelzphase, in der die Vorrichtung dargestellt ist» eine flüssige Schlackeschicht 16, in welche die Abschmelzelektrode
1 in geringem Maße eintaucht. Die Elektrode schmilzt tropfenweise durch die Schlackeschicht 16 ab, sammelt sich
darunter in einem Schmelzsee 17, der nachfolgend durch Wärmeentzug zu einem Schmelzblock 18 aufwächst. Für den unten
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Abschluß der Kokillenwand ist ein flüssigkeitsgekühlter Kokillenbodon
19 vorgesehen, dar über Hydraulikzylinder 20 und Kolbenstangen 21 von einer Plattform 22 getragen wird. Unter
"Plattform" soll in diesem Zusammenhang nicht nur ein ebenes Gebilde verstanden werden sondern jede, eine Bezugsebene
bildende Einrichtung, zwischen welcher und der Kokillenwand eine Relativbewegung möglich ist. Zu Beginn des Umschmelzens
hat der Kokillenboden 19 von der Plattform 22 einen zunächst gleichbleibenden Abstand "a^".
Die Plattform besitzt eine Reihe von Spindelmuttern 23, welche mit Gev.'indespindeln 24 zusammenwirken. Der Antrieb der Gewindespindeln
erfolgt über Getriebe 25, die über eine durchgehende Welle 26 verbunden sind, die ihrerseits von einem
Antriebsmotor 27 in Drehung versetzt wird. Die Teile 23 bis 27 stellen den Antrieb der Plattform 22 dar.
Der Kokillenboden 19 ist in seinem Zentrum mit einer kreisförmigen
öffnung versehen, die mit der Achse von Abschmelzelektrode
1 und Kokillemvand 13 fluchtet. In dieser Öffnung
befindet sich ein zylindrischer Zapfen 28, der vor dem Start
eingesetzt wurde und sich mit seinem unteren Ende auf der Plattform 22 abstützt. In der (nicht dargestellten) Startphase des Umschmelzprozesoes findet eine innige Verschmelzung
der Oberseite des Zapfens 28 mit der Unterseite des Blocks statt, wobei die ungefähre Grenze durch die gestrichelte
Linie 29 dargestellt ist. Block 13 und Zapfen 28 stellen infolgedessen
eine Einheit dar. Die Zuführung des Schmelzstroms |
22 i erfolgt einerseits über eine Leitung 30 zur Plattform/und von
hier über den Zapfen 28 zum Block 13 und andererseits über
ein flexibles Kabel 31, eine Klemme 32 und die Zugstange 2 j zur Abschmelzelektrode 1. In Figur 1 ist die Vorrichtung j
zu einen Zeitpunkt dargestellt, in dem sich ein Teil des
Blockes 18 bereits gebildet hat, welcher die Kokille auch ohne den Abschluß durch den Kokillenboden 19 nach unten abdichtet.
Es kann jetzt damit begonnen werden, den Block 18
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zusammen mit dem Kokillenboden 19 mittels der Plattform 22
mit einer Geschwindigkeit abzusenken, die der Y/achstumsgeschwindigkeit des Blocks innerhalb der Kokille entspricht.
Figur 2 zeigt die Vorrichtung nach Ablauf einer erheblichen Schmelzzeit, das heißt zu einem Zeitpunkt, zu dem sich bereits
ein grösserer Teil des Blocks gebildet hat. Gleiche Teile sind - sov/eit dies zum Verständnis notwendig ist mit
gleichen Bezugszeicheu versehen. Zusätzlich zur Absenkung
der Plattform 22 hat jedoch ausserdem eine Absenkung des Kokillenbodens 19 gegenüber der Plattform auf das geringere
Maß "ao" stattgefunden, so daß sich zwischen der Unterseite
des Blocks 13 und dem Kokillenboden ein ringförmiger Luft-' spalt 33 gebildet hat, durch den die Verbesserung der thermischen
Isolation zwischen Block und Kokillenboden bewirkt wird. Die weitere Absenkung der Plattform 22 erfolgt nunmehr
bei gleicher räumlicher Lage von Kokillenboden 19 und Plattform 22 zueinander. Hierbei stützt sich der Block 18 auf der
Plattform 22 lediglich über den Ztipfen 28 ab, der auch die
Zufuhr des Schmelzstroms aufrechterhält. Im Raum zwischen Kokillemvand 13 und Kokillenboden 19 befindet sich eine Wärmequelle
34 in Form eines Ringgasbrenners zur Beheizung des Blockes. Die Wärmequelle wird zweckmäösig zweiteilig ausgeführt,
so daß sie nachträglich in die dargestelle Position gebracht werden kann. Es ist dabei denkbar, sie zusammen mit
dor Plattform 22 abwärts zu bewegen und nach und nach weitere Wärmequellen in den sich ständig vergrössernden Zwischenraum
zwischen Kokillemvand 13 und Kokillenboden 19 einzubringen. Die räumliche Lage der Wärmequelle beziehungsweise der· Wärmequellen
innerhalb dieses Raumes kann jedoch auch variabel gestaltet werden.
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BAD
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Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht auf
Elektroschlacke-Umschmelzprozesse beschränkt. Es ist vielmehr in gleich vorteilhafter Weise auch bei Lichtbogen-Öfen, insbesondere
bei Yakuum-Lichtbogenöfen einsetzbar, bei denen der Strangabzug in analoger Weise erfolgt.
6 Patentansprüche 2 Figuren
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Claims (6)
1. Verfahren "zum Herstellen von metallischen Blöcken aus
festen oder flüssigen Ausgangsstoffen, durch von unten aufsteigende Kristallisation in einer Hüssigkeitsgekühlten
Kokille mit ebenfalls flüssigkeitsgekühltem, von der Kokille abziehbarem Kokillenboden, dadurch
gekennzeichnet, daß der Wärmefluß vom Block (18) zum
Kokillenboden (19) nach Ausbildung einer festen Blockunterseite sprunghaft verringeret v/ird,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurCh - gekennzeichnet, daß
der Kokillenboden (19) mindestens zeitweise von der Blockunterseite entfernt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, daduroh gekennzeichnet, daß
in den-Luftspalt (33) zwischen Blockunterseite und Kokillenboden (19) eine wärmeisolierende Zwischenlage
eingebracht wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit einem Antrieb
(23, 24, 25, 26, 27) in Verbindung stehende Plattform (22) für die Herbeiführung der Absenkbewegung des
Blocks (18) und durch einen an der Plattform angebrachten, Kokillenboden (19) sowie durch Mittel (20,
21) zur Veränderung des Abstandes "a^1 zwischen Plattform
und Kokillenboden.
- A 2 -
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2U3U5
Ar-S
5. Vorrichtung nach Ansprucn 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kokillenbcden (19) mit mindestens einer Öffnung
für den Durchtritt eines mit dem Block (18) zu vereinigenden Zapfens (28) versehen ist.
6. Vorrichtung nach ,Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine
in den Raum zwischen Kokillemvand (13) und Kokillenboden
(19) einbringbare Wärmequelle (34) zur Beheizung des Blocks (18).
309810/0413
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19712143445 DE2143445C3 (de) | 1971-08-31 | Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von metallischen Blöcken | |
IT28231/72A IT964021B (it) | 1971-08-31 | 1972-08-16 | Procedimento ed impianto per la produzione di lingotti metallici |
JP47087069A JPS518853B2 (de) | 1971-08-31 | 1972-08-30 | |
US285315A US3921698A (en) | 1971-08-31 | 1972-08-31 | Method for the production of metallic ingots |
FR7231027A FR2151066B1 (de) | 1971-08-31 | 1972-08-31 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19712143445 DE2143445C3 (de) | 1971-08-31 | Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von metallischen Blöcken |
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---|---|
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US3921698A (en) | 1975-11-25 |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EGA | New person/name/address of the applicant | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: LEYBOLD AG, 6450 HANAU, DE |
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