DE2359202A1 - Elektroschlacke-umschmelzverfahren - Google Patents

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dr.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · 4ooo Düaseldorf 30 · Cecitienaltee 76 · Telefon 43 8732

27. November 1973 29 008 K

Henry Wiggin & Company Limited, Thames House, Millbank,

London, S.W.1. / Großbritannien

"Elektroschlacke-Umschmelzverfahren"

Beim Elektroschlacke-Umschmelzverfahren wird von einer in ein Schlackenbad eintauchenden Metallelektrode Metall eingeschmolzen. Dabei kann es sich um eine Abschmelzelektrode handeln, die einem langsamen Vorschub unterliegt; außerdem kann in das Schlackenbad auch Zusatzmetall eingeführt werden. Andererseits kann mit einer nicht selbstverzehrenden Elektrode das Schlackenbad beheizt werden, während das zu schmelzende Metall in das Schlackenbad eingeführt wird. Normalerweise erstarrt das Metall unter der Schlacke zu einem Block,, der anschließend verformt, beispielsweise gewalzt, geschmiedet oder stranggepreßt wird. Das Elektroschlacke-Umschmelzverfahren wurde bislang zum Herstellen von Metallblöcken aus beispielsweise Stahl oder auch hochreaktionsfähigen Metallen wie Titan und Molybdän angewandt.

Es ist auch bekannt, das Elektroschlacke-Umschmelzverfahren zum Herstellen hochreiner Metalle und Legierun-

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gen zu verwenden. Metalle, die wie Titan zu hohen Gasgehalten neigen, bringen dabei eine Reihe von Schwierigkeiten mit sich. Um den Gasgehalt des Titans durch Elektroschlacke-Umschmelzen zu verringern, wurde bereits vorgeschlagen, den Kokillenraum bzw. die Abschmelzkammer über der Schlacke mit Inertgas zu beschicken, ohne daß dies zu befriedigenden Ergebnissen geführt hat. Demzufolge wird hochreines Titan üblicherweise im Wege eines zweimaligen Vakuumschmelzens hergestellt, das außerordentlich teuer ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Elektroschlacke-Umschmelzverfahren zu schaffen, mit dem bei vertretbaren Kosten hochreine Metalle hergestellt werden können. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei dem üblichen Elektroschlacke-Umschmelzverfahren ein Inertgas durch die Einschmelzzone des Schlackenbades geleitet wird. Unter Einschmelzzone ist dabei die Umgebung der in das Schlackenbad eintauchenden Elektrodenspitze zu verstehen.

Das vorerwähnte Verfahren wird vorzugsweise mit einer Vorrichtung durchgeführt, die erfindungsgemäß aus einer Elektrode, einer gekühlten Kokille zur Aufnahme des Metallsumpfs und des Schlackenbades und einer Inertgaszuführung besteht, um die Einschmelzzone im Schlackenbad mit Inertgas zu versorgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für die Verwendung von Abschmelzelektroden oder auch von nicht selbstverzehrenden Elektroden. Die Abschmelzelektrode kann dabei pulvermetallurgisch unter Verwendung von Pulvern, Schwamm und Teilchen aus geknetetem und gegossenem Metall hergestellt oder auch selbst aus einem Knet- oder Gußmetall, beispielsweise aus einem Gußblock

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bestehen= Besteht die Abschmelzelektrode aus Titanschwamm, so beträgt die Dichte vorzugsweise mindestens 50%.

Sofern die elektrische Leitfähigkeit nicht ausreicht, müssen dem Elektrodenmetall verträgliche Leiterstoffe zugesetzt werden. So kann beispielsweise eine aus Titanschwamm bestehende Elektrode mit einer Dichte von 50% als Leiter Streifen aus Knettitan enthalten,, Andererseits besitzt eine aus Nickelpulver hergestellte und bis auf eine Dichte, bis 95%<> beispielsweise auf 70%, gesinterte Elektrode eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit und erfordert keine speziellen Leiterstoffe.

Als Inertgas kommt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Berücksichtigung der Kosten und der für das Spülen erforderlichen Gasdichte in erster Linie Argon infrage, wenngleich auch andere Inertgase wie beispielsweise Helium verwendet werden können.

Vorzugsweise wird das Inertgas durch eine Öffnung an der Elektrodenspitze eingeleitet, um einen wirksamen Kontakt des Gases mit der Schlacke in der Einschmelzzone des Schlackenbades sicherzustellen. Von besonderer Bedeutung im Hinblick auf das gewünschte Durchperlen des Schlackenbades und eine möglichst wirtschaftliche Ausnutzung des Inertgases bei der Metallraffination ist die Strömungsgeschwindigkeit. Die optimale Strömungsgeschwindigkeit hängt jedoch vom Durchmesser der Zuführung und der Öffnung sowie möglicherweise der Schlackenzusammensetzung und weiterer Verfahrensbedingungen ab. Vorzugsweise wird die Strömungsgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der angelegten Spannung eingestellt, um

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eine stabile Spannung zu gewährleisten. Ein hoher Gasdruck und hohe Strömungsgeschwindigkeiten, die zum Eindringen des Gases in das Metall oder auch zu einem Wegdrücken der Schlacke von der Elektrodenspitze sowie zu einer Durchwirbelung der Schlacke und des Metalls führen, sollten vermieden werden.

Gegebenenfalls gleichzeitig kann auch außerhalb der Elektrode Inertgas in das Schlackenbad eingeleitet werden. So kann beispielsweise Inertgas durch eine elektrisch isolierte Leitung an der Mantelfläche der Elektrode oder mittels einer unabhängigen beweglichen Leitung in das Schlackenbad eingeleitet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. Das dargestellte Ausführungsbeispiel basiert auf der Verwendung einer hohlen Abschmelzelektrode mit eingebetteten Leiterstreifen, die mit ihrer Spitze in .ein in einer gefüllten Kokille befindliches Schlackenbad eintaucht. Die Querschnitte der Elektrode, der Kokille und des Ringraumes zwischen Elektrode und Kokille sowie des Stumpfes und des Elektrodenhalters sind sämtlich kreisförmig.

Im einzelnen besteht die Abschmelzelektrode 11 aus gepreßten Pulverteilchen 12 und besitzt eine zentrische Bohrung 13· Über die gesamte Länge der Elektrode erstrecken sich Leiterstreifen 14, die ebenso wie die Elektrode mit einem Haltestumpf 15 verschweißt sind. Der Haltestumpf und die Leiterstreifen bestehen aus demselben Metall wie die Elektrode, um jede Verunreinigung der Schmelzen zu vermeiden. Der Haltestumpf 15 ist mittels Schr&ubl öl.:. ^j an einem Elektrodenhalter 16 befestigt, ·λϊγ '-einerseits mit dem Tragraun; 17 einer:

Elektrodenvorschubs 18 verklammert ist. Der Elektrodenvorschub 18 bewegt die Elektrode mit einer Geschwindigkeit nach unten, die sicherstellt, daß sich die Elektrodenspitze ständig in Berührung-mit dem Schlackenbad befindet bzw. um einen bestimmten Betrag in das Schlakkenbad eintaucht. Am unteren Ende der Elektrode 11 läuft deren Bohrung 13 in eine Düsenöffnung 19 an der Grenzflansche 20 zwischen der Elektrodenspitze und dem Schlackenbad 21 aus. Die Bohrung 13 setzt sich durch den Haltestumpf 15 und den Elektrodenhalter 16 bis zu einer Einlaßbohrung· 22 fort. Die Einlaßbohrung 22 ist über eine flexible Leitung 23 mit einer Gasquelle 24 verbunden. In der Gasleitung 23 befindet sich ein Regelventil zum Einstellen des Drucks und der Menge des Inertgases.

Das Schlackenbad 21, der Metallsumpf 26 und der erstarrte Block 27 befinden sich in einer Kokille 28 aus einem wassergekühlten Mantel 29 und einem ebenfalls wassergekühlten Boden 30. Das Kühlwasser wird durch Einlaßleitungen 31, 32 zugeführt und verläßt den Kokillenmantel 28 bzw. die Bodenplatte 30 durch Auslaßleitungen 33» 34. Zwischen der Innenwandung 35 der Kokille 28 und der Mantelfläche 36 der Elektrode 11 befindet sich ein Ringraum 37» in den das Inertgas aus dem Schlackenbad freigesetzt wird.

Der Elektrodenhalter 16 ist über eine Leitung 38 mit einer Spannungsquelle verbunden. Dabei geht der Stromfluß vom Elektrodenhalter 16 durch den Haltestumpf 15 in. die Elektrode 11 und durch deren Grenzfläche 20 in den Metallsumpf 26 bzw. den Block 27 und die Kokille 28.

Das Inertgas strömt den eingezeichneten Pfeilen ent-

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sprechend von der Inertgasquelle 24 durch die Leitung und die Einlaßbohrung 22 in die Elektrodenbohrung 13 und gelangt schließlich durch das Schlackenbad in den zur Atmosphäre hin offenen Ringraum 37· Der Kokillenkopf kann auch mit einer Schutzplatte versehen sein.

Die Elektrode 11 besteht aus einem porösen Werkstoff, so daß ein Teil des Inertgases in die Elektrode eindringen kann und seitlich in den Ringraum zwischen Elektrodenmantel 29 und der Innenwandung 35 der Kokille 28 austritt. Da die Kokille nicht verschlossen ist, befindet sich der Schlackenspiegel unter einem Druck von etwa 1 Atmosphäre. Da das Inertgas an der Elektrodenspitze diskontinuierlich in Form kleiner Bläschen oder langsam in Form kleiner Teilströme ausströmt, beeinträchtigt das Gas den Stromfluß von der Elektrodenspitze in ■ die Schlacke und das Abschmelzen beispielsweise in Form der eingezeichneten Tröpfchen nicht.

Beispiel 1

Eine Abschmelzelektrode wurde durch Pressen von Titanschwamm in einer längsgeteilten Form mit einem zylindrischen Hohlraum und einem axialen Kernstab für die zentrische Längsbohrung der Elektrode hergestellt. Vor dem Pressen wurden zwei über die ganze Länge reichende Streifen aus handelsüblich reinem Knettitan Jeweils mit einer Dicke von etwa einem Drittel des Elektrodendurchmessers in den Formenhohlraum eingesetzt. Nach dem Herausziehen des Kernstabs im Anschluß an das Pressen ergab sich eine zentrisch verlaufende, zylindrische Bohrung mit einem Durchmesser von etwa 1,3 cm, als Durchlaß für das Inertgas. An das eine Ende der Elektrode und die Enden der Leiterstreifen wurde alsdann ein zylin-

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drischer Haltestumpf aus Titan mit einer ebenfalls zentrisch verlaufenden und mit der Elektrodenbohrung fluchtenden Bohrung-verschweißt. Der Haltestumpf wurde alsdann mit dem Elektrodenhalter einer mit Gleichstrom ■betriebenen ESU-Anlage mit einer wassergekühlten Kokille und einer Bodenplatte aus Kupfer verbunden. Um eine Beschädigung zu vermeiden, wurde auf die Bodenplatte der Kokille eine Starterplatte aus Titan gelegt. Des weiteren wurde zwischen die Kokillenwandung und die Starterplatte eine Asbestdichtung eingelegt, um einen Schlakkenaustritt zu vermeiden. Schließlich wurde kleinstückiger Titanschwamm auf die Starterplatte gelegt, um den Schmelzbeginn zu erleichtern.

Die Elektrode wurde alsdann in die Kokille eingeführt, und in den Ringraum zwischen Elektrode und Kokillenwandung eine vorgeschmolzene und zerkleinerte hochreine Kalziumfluorid-Schlacke eingefüllt. Vor dem Einschalten des Stroms wurde die Kokille mit aus der Elektrodenbohrung austretendem Argon gespült. Auf die Elektrode und die Starterplatte wurde alsdann unter Aufrechterhaltung des Argonstroms aus der Elektrodenöffnung Gleichstrom mit indirekter Polarität geschaltet, um die Schlackenteilchen einzuschmelzen und ein Schlackenbad zu schaffen. Das Verfahren kann selbstverständlich auch mit einer in die Kokille eingefüllten schmelzflüssigen Schlakke eingeleitet werden.

Nach Erreichen der vollen Stromstärke beginnt das Abschmelzen der in das Schlackenbad eintauchenden Elektrode, die kontinuierlich vorwärtsbewegt wird, während sich gleichzeitig in der Kokille unter dem Schlackenbad der Block aufbaut. Während -des Abschmelzens wurde durch die Elektrodenbohrung etwa 7 l/min. Argon geleitet, wobei

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sich ein ausreichender Argonstrom durch das Schlackenbad und den Metallsumpf ohne Beeinträchtigung des Abschmelzens und der chemischen Analyse ergab. Die Analyse des Titanschwamms für die Elektrode ergab 82 ppm Wasserstoff, 430 ppm Sauerstoff und 40 ppm Stickstoff sowie für den Umschmelzblock 67 ppm Wasserstoff, 350 ppm Sauerstoff und 35 ppm Stickstoff. Die vorstehenden Daten zeigen, daß sich das erfindungsgemäße ESU-Verfahren beim Umschmelzen von Titanschwamm besonders zur Verringerung der Gehalte an Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff eignet. Die metallurgische Untersuchung des Blocks zeigte dessen Eignung für ein Warmverformen, beispielsweise ein Warmwalzen.

Beispiel 2

Um die Überlegenheit des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem bloßen Einleiten eines Inertgases in den Kokillenraum oberhalb des Schlackenbades darzutun, wurde Nickelpulver mit einer Reinheit von 99,9% und einer Teilchengröße von etwa 5 bis 6fA, m zu zwei Elektroden A und X ohne Leiterstreifen gepreßt und gesintert. Jede Elektrode besaß einen Durchmesser von 7 cm, eine Länge von 88 cm und eine Dichte von etwa 96%, Die Elektrode A wurde durch Bohren mit einem im Durchmesser 1,3 cm messenden zentrischen Gaskanal versehen, während die Elektrode X massiv blieb.

Die Elektroden A und X wurden zu Blöckchen mit einem Durchmesser von 10 cm unter Verwendung von Bariumfluorid als Schlacke in einer wassergekühlten Kokille bei einem Argonstrom von 11,8 l/min, umgeschmolzen. Beim Umschmelzen der erfindungsgemäßen Elektrode A trat

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das Argon an der Elektrodenspitze aus der zentrischen Bohrung aus und durchströmte das Schlackenbad. Im Gegensatz dazu wurde der Argonstrom beim Umschmelzen der " Elektrode X in den Ringraum zwischen der Kokille und der Elektrode.oberhalb des Schlackenbades eingeleitet, ohne das Schlackenbad zu durchströmen.

Die Umschmelzblöcke wurden der Länge nach unterteilt und untersucht. Dabei ergab sich, daß der Umschmelzblock A hinreichend dicht und frei von Gasporen war, während der Vergleichsblock X zahlreiche, im Mittel etwa 6 Poren je cm Schnittfläche aufwies, die sich wegen ihrer weichglänzenden Oberfläche als typische Gasporen auswiesen. Hieran zeigt sich die deutliche Überlegenheit des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich selbstverständlich nicht nur zum Umschmelzen von Titan- und Nickel anwenden, sondern es eignet sich auch für selbstverzehrende oder auch nicht selbstverzehrende Elektroden aus anderen Metallen und Legierungen wie beispielsweise Zirkoniumj Kobalt und Stahl. Dabei kann die Elektrode auch in Ruhe verharren und stattdessen die Kokille auf die Elektrode zubewegt werden.

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Claims (12)

Henry Wiggiri & Company Limited, Thames House, -Millbank, London, S.W.1· / Großbritannien Patentansprüche:

1. Elektroschlacke-Umschmelzverfahren, bei dem Strom durch eine Elektrode in ein mit der Elektrodenspitze in Berührung stehendes unter Inertgas in einer wassergekühlten Kokille befindliches Schlackenbad geleitet wird,
dadurch gekennzeichnet, daS das Inertgas im Bereich der Elektrodenspitze durch das
Schlackenbad geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Inertgas durch die Elektrode eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Inertgas durch eine
zentrische Elektrodenbohrung mit einer Austrittsöffnung an der Elektrodenspi-tze eingeleitet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
3, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Abschmelzelektrode aus Metall oder einer
Legierung und eine Relativbewegung zwischen Elektrode

und Schlackenbad.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet

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durch die Verwendung einer pulvermetallurgisch hergestellten und achsparallel verlaufende Leiterstreifen enthaltenden Elektrode.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, ^gekennzeichnet durch die Verwendung einer HickeXelektrode.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet' durch die Verwendung einer Titanelektrode.

8» Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeic-hnet durch eine Elektrode (11), eine Kokille (28), eine Gaszuführung (23, 22, 13, 19).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8_S gekennzeichnet durch eine Elektrode (11) mit einer zentrischen Bohrung (13) /und einer Austrittsöffnung (19).

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Elektrode (11) aus Metall oder einer Legierung„

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine pulvermetallurgisch hergestellte und im wesentlichen längs verlaufende Leiterstreifen (14) enthaltende Elektrode (11).

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine Elektrode (11) aus Nickel.

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13· Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine Elektrode (11) aus Titan.

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