DE2328804C2 - Verfahren zum Elektroschlacke-Umschmelzen In einer trichterförmigen Kokille - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Elektroschlacke-Umschmelzen von Elektroden zu Ingots, vorzugsweise mit einem Durchmesserverhältnis Elektrode zu Ingot größer als 1 unter Verwendung einer trichterförmigen Kokille mit einem im wesentlichen zylindrischen Fortsatz am unteren Ende, wobei während des Ingotaufbaus eine kontinuierliche Relativbewegung zwischen Ingot und Kokille aufrechterhalten wird.

Durch das Buch von B. E. P a t ο η »Elektro-Schiakke-Schweissung«. Ausgabe 1957, S. 118 bis 121 und 163 bis 166, ist es bekannt, die Lage des Schmelzbadniveaus im Hinblick auf den Gleitschuh, der die Funktion einer Kokille hat, möglichst konstant zu halten. Bei P a t ο η ist auch angegeben, daß die Maßnahmen beim Schweißen auf den elektrischen Blockguß übertragbar sind.

Das Prinzip des konstanten Schmelzbadniveaus innerhalb der Kokille wurde bisher in der Praxis auch beim Blockguß mit Relativbewegung zwischen zylindrischer Kokille und Block angewandt. Es ist auch eine Abart dieses Verfahrens bekanntgeworden, bei der eine periodische Relativbewegung zwischen Kokille und Block durchgeführt wird (DT-AS 1 931 780). Hierbei liegen jedoch der obere und der untere Umkehrpunkt des jeweils bewegten Teils in bezug auf die Kokille unverändert fest. Die konstante Lage des Schmelzbadniveaus wurde bisher auch beim Schmelzen in trichterförmigen Kokillen übernommen.

Beim Schmelzen in trichterförmigen Kokillen wurde testgestellt, daß die Blockoberfläche Schlackenein-Schlüsse und/oder sogenannte Metallausläufer aufweist, die die Oberflächenqualität der Blöcke stark beeinträchtigen, wenn die Aufbaugeschwindigkeit des Blokkes — auch nur zeitweise — größer ist, als die Abzugsgeschwindigkeit des Blockes bzw. die Hubgeschwindigkeit der Kokille. Bei Verwendung einer trichterförmigen Kokille ist der Grund hierfür darin zu sehen, daß die Schlackenhaut formschlüssig von den von der Senkfechten abweichenden Teilen der Kokille festgehalten wird. Bei der erforderlichen Relativbewegung zwischen ■lock und Kokille muß die Schlackenhaut zwangsweise abreißen. Geschieht dies oberhalb des Schmelzsees, so läuft Schlacke in den Ringspalt zwischen Hohlraum und Kokille und bildet dort eine neue Haut Geschieht dies unterhalb des Schmelzsees, so besteht die Möglichkeit eines Metallausbruchs, der zur Bildung von lappenförmigen Ansätzen am Block führt Der Einfluß einer in größeren Zeitintervallen absatzweise durchgeführten Blockabsenkung auf die Qualität der Blockoberfläche ist um so größer, je länger die Zeitintervalle sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektroschlacke-Umschmelzverfahren der eingangs be- schriebenen Art anzugeben, bei dem eine möglichst glatte und von Schlackeneinschlüssen bzw. -ansätzen, sowie Metallausläufern freie Blockoberfläche erzielt wird. Damit soll eine spanabhebende Bearbeitung der Blockoberfläche, die ansonsten vor der Weiterverar beitung des BlocKes notwendig würde, nach Möglich keit ganz vermieden werden.

Die gestellte Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Relativgeschwindigkeit zwischen Ingot und Kokille die Wachstumsgeschwindigkeit des Ingots wählend mindestens des überwiegenden Teils des Schinelzpioztisses übersteigt. Bei Anwendung dieser Maßnahme wird das angestrebte Ziel voll erreicht; es entsteht ein Block mit glatter Oberfläche, die frei von Schlackeneinschlüssen bzw. -ansätzen und frei von Metallausläufern ist. Als Grund für diesen überraschend aufgetretenen Erfolg kann angegeben werden, daß das im Prinzip unvermeidbare Einreißen der Schlacke in so kurzen Zeitabständen und mit so kleinen Längenab ständen auftritt, daß von einem quasi-kontinuierlichen Vorgang gesprochen werden kann. Zur Verfolgung der erfindungsgemäßen Lehre ist es erforderlich, daß entweder die Hubgeschwindigkeit der Kokille die Wachstumsgeschwindigkeit des feststehenden Blockes über- steigt, oder daß die Abzugsgeschwindigkeit des Blockes seine Wachstumsgeschwindigkeit innerhalb der feststehenden Kokille überschreitet. Diese Maßnahme führt naturgemäß dazu, daß sich das Metallbad zu beginn des Schmelzprozesses am oberen Erde des zylindrischen Fortsatzes befindet und sich mit fortschreitendem Umschmelzprozeß in Richtung auf das untere Ende der Kokille verschiebt. Ein solcher Vorgang begrenzt die Länge der zu erzeugenden Blöcke; es ist aber bei der Wahl eines entsprechend langen zylindrischen Fortsat zes der Kokille möglich. Blöcke bis zu einer Länge von mehreren Metern herzustellen.

Es hat sich in der Praxis als brauchbar erwiesen, die Relativgeschwindigkeit zwischen Ingot und Kokille um zwischen 1 und 15%, vorzugsweise zwischen 2 und 5% größer zu wählen, als die Wachstumsgeschwindigkeit des Ingots.

Dip Kontrolle der Relativgeschwindigkeit zwischen Ingot und Kokille und insbesondere der Absenkgeschwindigkeit des Schmelzsees im Verhältnis zur Ko-

SS kille während des Aufbauprozesses des Blocks kann auf einfachste Weise indirekt dadurch bewirkt werden, daß der Stand des Schlackenbadspiegels in der Kokille fortlaufend beobachtet und die Relativgeschwindigkeit zwischen Kokille und Ingot so eingestellt wird, daß der Schlackenbadspiegel im Laufe des Umschmelzens kontinuierlich etwas absinkt. Selbstverständlich kann aber auch die visuelle Kontrolle des Schlackenbadspiegels in der Kokille und die manuelle Einstellung der Abzugsgeschwindigkeit des Blocks bzw. der Hubgeschwindig-

6s keit des 'Hegels durch bekannte Meßgeräte erfolgen, wie z. B. durch kontinuierliche Messung des Standes des Metallbadspiegels in der Kokille und entsprechende Regeleinrichtungen. Der Stand des Metallbadspie-

gols kann durch Erfassung des Temperaturprofils in der Kokille, durch eine in die Schlacke eingetauchte Sonde, durch Ultraschallverfahren usw. festgestellt werden.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sei nachfolgend an Hand einer Figur näher beschrieben, die eine Seitenansicht mit teilweisem Schnitt durch eine — an sich bekannte — Elektroschlacke-Umschmelzvorrichtung zeigt.

In der sehr schematischen Darstellung ist mit 10 eine vertikale Führungssäule bezeichnet, die mittels einer Fundamentplatte 1J auf einem Fundament 12 befestigt ist. An der Führungssäule 10 ist eine Führungshülse 13 in senkrechter Richtung verfahrbar und außerdem in horizontaler Richtung schwenkbar angeordnet, an der ein Elektroden tragarm 14 befestigt ist. Der Elektrodentragarm trägt an seinem freien Ende einen Einspannkopf 15, mit dem ein Einspannende 16 (Stuu) einer Abschmelzelektrode 17 in der Weise befestigt ist, daß außer einer mechanischen Halterung auch eine zuverlässige Stromübertragung erfolgt. Die Bewegung der Führungshülse 13 wird durch einen in der Figur nicht dargestellten, regelbaren Antrieb herbeigeführt.

An der Führungssäule 10 befindet sich außerdem eine weitere Führungshülse 18, die ebenfalls in senkrechter Richtung verfahrbar und in horizontaler Riehtung schwenkbar ausgebildet ist. An der Führungshülse 18 befindet sich ein Kokillentragarm 19, an dessen freiem Ende eine trichterförmige Kokille 20 angeordnet ist. Die Kokille 20 besteht aus einem oberen zylindrischen Teil 21 und einem engeren, unteren zylindrisehen Teil 22, zwischen welchen sich ein konisches Übergangsstück 23 befindet Die Teile 21 bis 23 stellen eine Einheit dar, die einen gemeinsamen, von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Hohlraum einschließt.

Die Vorrichtung ist in einem Stadium dargestellt, in dem ein Teil der Abschmelzelektrode 17 bereits zu einem im Aufbau befindlichen Ingot 24 umgeschmolzen ist. Der Ingot 24 ruht auf einer heb- und senkbaren Plattform 25, die über eine Hubsäulc 26 mit einem nicht dargestellten Antrieb verbunden ist. Die Bewegungsgest ^ windigkeiten der Führungshülse 13, der Führungshüi c 18 und der Hubsäule 26 sind in der WVise aufeinander abgestimmt, daß die in der Figur dargestellte Konstellation der Einzelteile zueinander erhalten bleibt. Es ist selbstverständlich möglich, die Plattform 15 ortsfest auszubilden und die Kokille 20 nach der erfindungsgemäßen Lehre anzuheben. Andererseits ist es auch möglich, die Kokille 20 ortsfest anzuordnen und die Plattform 25 nach der erfindungsgemäßen Lehre abzusenken. Die jeweilige Bewegungsrichtung und Bewegungsgeschwindigkeit der Abschmelzelektrode 17 ergibt sich dann aufgrund der zahlenmäßigen Beziehungen zwischen den Querschnitten der Abschmelzelektrode 17 und des Ingots 24.

In der Kokille 20 befindet sich eine geschmolzene Schlackeschicht 27, die bis in den oberen zylindrischen Teil 21 der Kokille reicht und mit der Abschmelzelektrode 17 zwecks Ausbildung eines Strompfades in elektrisch leitender Verbindung steht. Unterhalb der Schlackenschicht 27 befindet sich ein Schmelzsee 28, aus dem durch fortschreitende Kristallisation der Ingot 24 gebildet wird. Zu Beginn des eigentlichen Umschmelzvorganges befindet sich die Oberfläche des Schmelzsees 28 in der mit Ai bezeichneten Position. Aufgrund der erfindungsgemäßen Relativbewegung wandert die Oberfläche des Schmelzsees 28 im Laufe des Umschmelzvorganges allmählich in die mit In bezeichnete Position. Der Schmelzsee nimmt dabei die mit 28' bezeichnete, gestrichelt dargestellte Lage ein. Die Abstimmung der Länge des Ingots 24 und der Länge dos unteren zylindrischen Teils 22 der Kokille 20 ist dabei in der Weise durchzuführen, daß die Lage In der Oberfläche des Schmelzsees noch um ein solches Maß oberhalb der Kokillenunterkante liegt, daß keine »Ausläufer« von Schlacke und/oder Metallschmelze erfolgen können. Die Kokille 20 ist im Bereich der geschmolzenen Schlackenschicht 27 aufgrund der Kühlwirkung der Kokille 20 von einer festen Schlackenhaut 29 überzogen, die auf Grund des konischen Obergangstücks 23 der Kokille 20 formschlüssig festgehalten wird. Während des Schmelzvorgangs überzieht sich auch der Ingot 24 mit einer Schlackenhaut 30. Infolge der Relativbewegung zwischen Kokille 20 und Ingot 24 mit der Schlackenhaut 30 tritt im Bereich des Schmelzsees 28 bzw. 28' ein fortlaufendes Einreißen der Schlakkenhaut ein, wobei die Risse sofort wieder durch flüssige Schlacke ausgefüllt und geschlossen werden. Diesen Vorgang gilt es, so kontinuierlich wie möglich zu gestalten.

Beispiel

Bei einem Versuch wurde eine Vorrichtung gemäß der Figur mit einer Kokille 20 ausgestattet, deren oberer zylindrischer Teil 21 einen Durchmesser von 400 mm und deren unterer zylindrischer Teil 22 einen Durchmesser von 150 mm aufwies. Das konische Übergangsstück 23 besaß eine Steigung von 30". Die Kokille 20 war ortsfest aufgehängt und zu Beginn des Umschmelzens durch die Plattform 25 verschlossen. In die Kokille wurden 30 Kilogramm einer Schlacke folgender Zusammensetzung in pulverförmigem Zustand eingeführt: 40CaF2 30CaO, 30AUOs. Das Schlackengranulat stand zu Anfang etwa in Höhe der mit h\ bezeichneten Oberfläche des Schmelzsees. Die Abschmelzelektrode 17 besaß zunächst an ihrer unteren Begrenzungsfläche einen dünnen zylindrischen Stift, der bis zur Plattform 25 reichte, und mit dem das Aufschmelzen der Schlacke durchgeführt wurde. Am Ende der Startphase lag die Oberfläche der Schlackeschicht 27 etwa in der Höhe, wie sie in der Figur dargestellt ist. In diesem Augenblick begann der Umschmelzvorgang der Abschmelzelektrode 17, die aus dem Baustahl St 52-3 bestand, und einen Durchmesser von 300 mm besaß. Der Umschmelzvorgang wurde mit einem Schmelzstrom von 6,0 kA bei einer mittleren Schmelzspannung von 60 Volt durchgeführt, wobei sich eine Abschmelzrate von etwa 200 kg/h einstellte. Von der Abschmelzelektrode 17 wurde während einer Umschmelzdauer von 25 Minuten eine Teillänge von 150 mm abgeschmolzen. Aufgrund der Umschmelzrate und des gegebenen Querschnitts des unteren zylindrischen Teils 22 der Kokille 20 errechnet sich eine Absenkgeschwindigkeit der Plattform 25 von 24 mm/min unter der Voraussetzung, daß der Schmelzsee 28 konstant in der oberen Position gehalten wird. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde die Plattform 25 jedoch mit einer um 8% größeren Geschwindigkeit abgesenkt, so daß sich eine Absenkgeschwindigkeit von 26 mm/min ergab. Im Laufe der Zeit senkte sich infolge der angegebenen höheren Geschwindigkeit der Schmelzsee bis zur mit in gekennzeichneten Position ab. Bei Beendigung des Umschmelzprozesses hatte sich der Schmelzsee 28' um 5 cm von der Ausgangsposition entfernt. Das untere zylindrische Teil 22 wies eine Länge von 25 cm auf. Der fertiggestellte Ingot 24 hatte eine Länge

ion insgesamt 600 mm. Die Oberfläche ließ sich sehr eicht von der Schlackenhaut reinigen; es waren keinerei Schlackeneinschlüsse oder Metallausläufer an der ngotoberfläche zu erkennen.
Die Kontrolle der Absenkgeschwindigkeit in Verbindung mit der Erfassung der jeweiligen Position des Schmelzsees 28 erfolgte auf bekannte Weise, d. h. durch Kontrolle des Temperaturprofils im unteren zylindrischen Teil 22 der Kokille 20.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Elektroschlacke-Umschmelzen von Elektroden zu Ingots, vorzugsweise mit einem Durchmesserverhältnis Elektrode zu Ingot ^ 1 unter Verwendung einer trichterförmigen Kokille mit einem im wesentlichen zylindrischen Fortsatz am unteren Ende, wobei während des Ingotaufbaus eine kontinuierliche Relativbewegung zwischen Ingot und Kokille aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativgeschwindigkeit zwischen Ingot und Kokille die Wachstumsgeschwindigkeit des Ingots wählend mindestens des überwiegenden Teils des Schmelzprozesses übersteigt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativgeschwindigkeit zwischen Ingot und Kokille um zwischen 1 und 15%, vorzugsweise /wischen 2 und 5% größer gewählt wird als die Wachstumsgeschwindigkeit des Ingots.