DE2143445B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von metallischen Blöcken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von metallischen Blöcken aus festen oder flüssigen Ausgangsstoffen durch von unten aufsteigende Kristallisation in einer flüssigkeitsgekühlien Kokille mit ebenfalls flüssigkeitsgekühltem. von der Kokille abziehbarem Kokillenboden.

Ein solches Verfahren wird s'ets dann angewandt, wenn metallische Blöcke beliebigen Querschnitts erstand /wischen der noch sehmel/flüv>igen Blockoberseite und dem Blockfuß ab. Hieraus folgt, daß die Wärmeabfuhr über den Blockfu» während des Blockaufbans nicht gleichmäßig verläuft, sondern daß vielmehr zu Beginn der Blockbildung ein sehr viel höherer Anteil der Warme über den Blockfuß abgeführt wird als bei Fertigstellung des Blocks. Dabei verläuft der Temperaturgradient am Anfang sehr steil, gegen Ende des Schmelzens jedoch erheblich flacher. Man kann dies so

ίο auffassen, daß das Blockmaterial selbst als thermischer Isolator zwischen Schmelzsee und Kokülerboden dient.

Eine unterschiedliche Wärmeabfuhr ist jedoch sehr

unerwünscht, insbesondere dann, wenn es sich um Blökke von relativ begrenzter Länge handelt, die mit einer sehr geringen Wachstumsgeschwindigkeit erzeugt werden. Dies ist beispielsweise beim Erschmelzen großer Blöcke mittels des Elektroschlackeumschmelzverfahrens der Fall. Der Blockaufbau benötigt dabei eine beträchtliche Zeit: Für einen Block von etwa 200 Tonnen

ίο Gewicht werden etwa 200 Schmebsrnnd~n angesetzt. Wahrend der obere Teil des Blocks auf Schmelztemperatur gehalten wird, kühlt gemäß den obigen Ausführungen der untere Teil des Blockes ab. Blockgroßen der genannten Art werden vornehmlich für die Herstellung

:s von Turbinenläufern benotigt, die aus speziellen Stahllegierungen, /. B. 28 Ni Cr Mo 74 (Werkstoff-Nr 1.6589) bestehen. Für diese und ähnliche Stahllegierungen gibt es nun eine kritische Abkühlgeschwindigkeit unter eine bestimmte Grenztemperatur, die nicht über-

}.o schritten werden darf. Andernfalls treten Risse im Block auf. die zu einer Verwerfung des Blockes führen. Die Anfahrpiiase eines Elektrosehlacke-Umschmelzprozcsses verlangt aus bekannten Gründen einen wassergekühlten Boden, der dicht mit dem zylindrischen bzw. prismatischen Kokillenmantel abschließen muß. Dieser Kokülenboden hat auf Grund der Wasserkühlung und der Materialbeschaffenheit — er besteht in der Regel aus einer hohlen Kupferplatte — die geschilderte Wirkung. Nach einer Reihe von Schmelzstunden. ei. h. bei genügend großem Abstand zwischen Schmelzsee und Blockunterkante, kann im Bereich des KokiliL-nbodcns die kritische Grenztemperatur unterschritten werden, so daß die gefürchteten Blockrissc auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den unterschiedlichen Einfluß des gekühlten Kokillenbodens während des Blockaufbaus einzuschränken und nach Möglichkeit ganz zu vermeiden. Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der

reugt werden sollen, deren Länge die der Gießform 50 Warmefluß vom Block zum Kokülenboden nach Aus-

(iberstcigt. In derartiger) 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. l)ies hat zur Folge, daß die frisch gebildete und noch iuf hoher Temperatur befindliche Blockoberfläche der eingebenden Atmosphäre ausgesetzt wird, wo sie iurch Strahlung und Konvektion sehr rasch weitere V/ärmc verliert.

Die Wärmeabfuhr erfolgt aber nicht nur von der zylindrischen oder prismatischen Oberfläche des Blocks, sondern zu einem beträchtlichen Teil auch über den flüssigkeitsgekühlten Kokülenboden. auf dem sich der Block infolge seines Eigengewichts abstützt. Die an dieser Stelle pro Zeiteinheit abgeführte Wärmemenge hängt jedoch wiederum von der Temperaturdifferenz und damit von der jeweiligen Blocklänge bzw. dem Abbildung einer festen Blockunterseite sprunghaft verringert wird. Die Lehre gemäß der Erfindung kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden. Beispielsweise kann der Kokülenboden — zumindest zeitweise — von der Blockunierseite abgesenkt werden, wobei die Aufrcchterhaltung der Stromzufuhr und die mechanische Abstützung durch einen Zapfen bewirkt werden, der zu Beginn des Umschmclzprozesscs mit der sich bildenden Blockunterseite vereinigt wurde. Der gekühlte Kokil-Icnboden 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 Abslütz.ung des

Blockes kann in diesem Falle verzichtet werden, da der Block durch unvermeidliche Reibungseinflüsse kurzzeitig von der Kokille gehalten wird. Die Unterbrechung der Stromzufuhr für wenige Sekunden kann als un-

ichädlich angesehen werden. In Verbindung mit beiden Vorschlägen können zusätzlich Mittel vorgesehen werilen, durch die der Block im Bereich seiner Unterseite zusätzlich beheizt wird. /VIs besonders geeignet hierfür hat sieh ein gasbeheizter Ringbrenner erwiesen, uer den Block in der Nahe des Kokillenbodens ringförmig umgibt.

Bei Anwendung der ^rfindungsgemäßen 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 m dessen Bodenzone auf Grund der Leitfähigkeit des Metalls dafür, daß der Unterteil des Blokkes 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 tiem Block einen erheblich geringeren Querschnitt hai, so daß hierdurch der Wärmefluß 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 Plaltlorm eingebrachten Kokillenboden sowie durch Mittel zur Veränderung des Abstandes »am /wischen Plattform und Kokilienboden.

Lim eine sichere Abstützung des Blocks auf der rlattform über einen längeren Zeitraum zu gewährleisten, wird ferner vorgeschlagen, daß der Kokilienboden mit mindestens einer Öffnung für den Durchtritt eines mn dem Block zu vereinigenden Zapfens versehen ist. Dieser Zapfen, der beispielsweise vor Beginn des Umschmel/.ens in die Vorrichtung eingesetzt wird, stützt sich einerseits auf der Plattform ab und ragt andererseits durch den Kokilienboden in den Kokilleninr.cnraum hinein. Er dient neben der rein mechanischen Abstützung auch zur Zuführung des Schmclzstromes /um Block.

Bei besonders zeitaufwendigen Umschmelzpro/cssen kann es vorkommen, daß sich die Temperaturen in der ß.xlenzonc des Blocks wieder der kritischen Grenztemperatur nähern, weil die Wärmezufuhr vom Schmelzsee den Wärmeverlust über die aus der Kokille herausragende Oberfläche nicht mehr kompensieren kann. Um dies zu ve/meiden. wird gemäß der weiteren Erfindung eine Einrichtung vorgeschlagen, die in den Raum zwischen Kokillenmantel und Kokillenboden einbringbar ist und zur äußeren Beheizung des Block., von seiner Unterkantc her dient. Der verminderte Wärmeabfluß zwischen Blockunterseite und (abgesenktem) Kokillenboden verhindert dabei auch, daß ein Teil der durch die Zusatzheizung aufgebrachten Wärmemenge unmittelbar durch den Kokillenboden wieder abfließt.

Der absenkbare Kokillenboden wird nach Beendigung der. Schmcl/pro/.esscs 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 Ausfiihrungsbeispiel des erfindtingsgemäßen Verlahrens und eine hierfür vorgesehene Vorrichtung seien nachfolgend an I land der F i g. I und 2 näher beschrieben. Es zeigt

Ι·' ι g. I einen Längsschnitt durch eine Elektroschlakke-Urnsehmelzanlage kurz nach Bildung eines festen Blockunterieils und

K ι g. 2 die gleiche Anlage nach längerer Schmelzdauer mit bereits abgesenktem Kokillenboden.

In F i g. I ist mit 1 eine Abschmelzelektrode aus einer

ίο für Turbinen-Läufer geeigneten Legierung bezeichnet, die mittels einer Zugstange 2 an einem Ausleger 3 einer Elektrodenhaltevorrichtung befestigt ist. Der Ausleger 3 ist längsverschieblich an einer senkrechten Führungssäule 4 befestigt und mittels einer Gewindespindel 5 in vertikaler Richtung bewegbar. Zu diesem Zweck befindet sich im Ausleger 3 eine Spindelmutter 6. Die Gewindespindel 5 wird an ihrem oberen Ende von einem Lager 7 aufgenommen, das mittels einer Traverse 8 an der Führungssäule 4 befestigt ist. Das untere Lager 9 der Gewindespindel befindet sich in einem Getriebekasten 10. in dem die Drehzahl eines Antriebsmotors 11 auf einen geeigneten VVert u.iterset/t wird. Die Teile 2 bis U stellen die sogenannte i-'lektrodenvorschubeinricluung dar.

Die Abschmelzelektrode 1 befindet sich zumindest mit einem Teil ihrer Länge innerhalb einer Kokille 12. die i-iis einer Kokillenwand 13 in Form eines zylindrisenen Hohlmantels mit Anschlußstutzen 14 tür Ein- und Austritt einer Kühlflüssigkeit 15 besteht. In der Kokille

je 12 befindet sich während der ersten Schmelzphase, in dc\ die Vorrichtung dargestellt ist, eine flüssige Schlakkeschieht 16, in welche die Abschmelzelektrode 1 in geringem Maße eintaucht. Die Elektrode schmilzt tropfenweise durch die Schlackeschicht 16 ab, sammelt sich

ν darunter in einem Schmelzsee 17. der nachfolgend durch Wärmeentzug zu einem Schmelzblock 18 aufwachst. Für den unteren Abschluß der Kokillenwand ist ein flüssigkeitsgekühlter Kokilienboden 19 vorgesehen, der über Hydraulikzylinder 20 unH Kolbenstangen 21 von einer Plattform 22 getragen wird. ',Inter »Plattform« soll in diesem Zusammenhang nicht nur ein ebenes Gebilde verstanden werden, sondern jede eine Bezugsebene bildende Einrichtung, /wischen welcher und der Kokillenwand 13 eine Relativbewegung möglich ist.

Zu Beginn des Umschmel/ens hat der Kokilienboden !9 von der Plattform 22 einen zunächst gleichbleibenden Abstand »;ii«.

Die Plattform besitzt eine Reihe von Spindelmutlern 23. welche mit Gewindespindel!! 24 zusammenwirken.

so Der Antrieb der Gewindespindeln erfolgt über Getriebe 25, die über eine durchgehende Welle 26 verbunden sind, die ihrei seits 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 kreisiörmigen Öffnung versehen, die mit der Achse von Abschmelzelektrode t und Kokillenwand 1.3 fluchtet. In dieser Öffnung befindet sich ein zylindrischer Zapf;n 28, der vor dem Siart eingesetzt wurde

ho und sich mit seinem unteren Ende auf der Plattform 22 abstützt. In der (nicht dargestellten) Startphase des Umschmclzpro7.esses findet eine innige Verschmelzung der Oberseite des Zapfens 28 mit der Unterseite des Blocks 18 statt, wobei die ungefähre Grenze durch die gestrichelte Linie 28 dargestellt ist. Block 18 und Zapfen 28 stellen infolgedessen eine Einheit dar. Die Zuführung des Schmelzstroms erfolgt einerseits über eine Leitung 30 zur Plattform 22 und von hier über den Zap-

fen 28 zum Block 18 und andererseits über ein flexibles Kabel 31. eine Klemme 32 und die Zugstange 2 zur Abschmelzelektrode I. In I- i g. I isi die Vorrichtung /u einem 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. Rs kann jetzt damit begonnen werden, den Block 18 zusammen mit dem Kokillenboden 19 mittels der Plattform 22 mit einer Geschwindigkeit abzusenken, die der Wachstumsgeschwindigkeit des Blocks innerhalb der Kokille entspricht.

F i g. 2 zeigt die Vorrichtung nach Ablauf einer erheblichen Schmel/.zcit. d. h. zu einem Zeitpunkt, /u dem sich bereits ein größerer Teil des Blocks gebildet hat. Gleiche Teile sind — soweit dies zum Verständnis notwendig ist — mit gleichen Bczugszcichen versehen. Zusätzlich zur Absenkung der Plattform 22 hat jedoch außerdem eine Absenkung des Kokillenbodens 19 gegenüber der Plattform auf das geringere Maß »;J2« stattgefunden, so daß sich zwischen der Unterseite des Blocks 18 und dem Kokillenboden ein ringförmiger Luftspalt 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 räumliche! Lage von Kokillenboden 19 und Plattform 22 zueinander. Hierbei stützt sich der Block 18 auf der Plattform 22 lediglich über den Zapfen 28 ab, der auch die Zufuhr des .Schmelzstroms aufrechterhält. Im Raum /.wischer Kokillcnwand 13 mit Kokillenbodcn 19 befindet sich eine Wärmequelle 34 in Form eines Ringgasbrennen zur Beheizung des Blockes. Die Wärmequelle wire zweckmäßig zweiteilig ausgeführt, so daß sie nachträg lieh in die dargestellte Position gebracht werden kann Ls ist dabei denkbar, sie zusammen mit der Plattform 22 abwärts zu bewegen und nach und nach weitere Wärmequellen in den sich .stündig vergrößernden Zwi schenraum zwischen Kokillcnwand 13 und Kokillenbo

'5 den 19 einzubringen. Die räumliche Lage der Wärme quelle bzw. der Wärmequellen innerhalb dieses Räume: kann jedoch auch variabel gestaltet werden.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahren: ist nicht auf Elektroschlackc-Umschmclzprozesse bc schränkt. Es ist vielmehr in gleich vorteilhafter Weise auch bei Lichtbogen-Öfen, insbesondere bei Vakuum Lichtbogenofen cinsetzbar, bei denen der Strangabzuj in analoger Weise erfolgt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren /.um Herstellen von metallischen Blöcken aus festen oder flüssigen Ausgangsstoffen, {lurch von unten aufsteigende Kristallisation in finer flüssigkeitsgekühlten Kokille mit ebenfalls flüssigkeitsgekühltem, von der Kokille ab/iehb:>rem Kokillenboden, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmefluß vom Block (18) zum Kokillenboden (19) nach Ausbildung einer festen Blockunterseite sprunghaft verringert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Kokillenboden (19) mindestens zeitweise von der Blockunterseite entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Luftspalt (3i) zwischen Rlockunterseite und Kokillenboden (19) eine wärmeisolierende Zwischenlage eingebracht wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch eine mn einem Anli'.eb (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 »;ji« zwischen Plattform und Kokillenboden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kokülenboden (19) mit mindestens einer Öffnung für den Durchtritt eines mit dem Block M8) /u \ereinigenden Zapfens (28) versehen ist.

b. Vorrichtung nae.\ Ans ρ jch 4. gekennzeichnet durch eine in den Ra im zwischen Kokillenwand (13) und Kokülenboden (19) t.inbringbare Wärmequelle (34) zur Beheizung des Blocks (18).