DE2522555A1 - Vorrichtung zur herstellung von gussbloecken aus hochschmelzenden metallen, insbesondere stahl, durch elektroschlackeumschmelzen - Google Patents

Description

Ma 1498

Gebr. Böhler & Co., Aktiengesellschaft, Wien

Vorrichtung zur Herstellung von Gußblöcken aus hochschmelzenden Metallen, insbesondere Stahl, durch Elektroschlackeumsehmelzen.

Bekannt ist eine Vorrichtung, die es gestattet, beim Elektroschlackeumschmelzen die Vorteile der Schmelzelektrolyse, also die Entladung von unerwünschten Ionen mit Hilfe mindestens einer nichtverzehrbaren Elektrode zu nützen. Diese Vorrichtung ermöglicht es, die Richtung metallurgischer Reaktionen zu steuern und unerwünschte Elemente wie Schwefel, Sauerstoff usw. in verstärktem Ausmaß aus der Schmelze zu entfernen. Hierbei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß die Schlacke, welche in der Umschmelzanlage infolge der beim Stromdurchgang entstehenden Joule'sehen Wärme im geschmolzenen Zustand vorliegt, weitgehend ionisiert ist, und daß die einzelnen Ionen durch Überlagerung eines Gleichstromes in der Schlacke bewegt werden können. Beim Elektroschlackeumschmelzen mit Wechselstrom ändert sich die Polarität von Elektrode und flüssigem Blocksumpf periodisch analog mit der Netzfrequenz. Wenn z.B. die Elektrode die positive Halbwelle durchläuft, bildet der Blocksumpf den negativen Pol. ittels mindestens einer nichtschmelzenden Hilfselektrode, welche

vorzugsweise aus Graphit besteht, wird über Gleichrichter eine Gleichstromkomponente derart in das ümschmelzsystem eingebracht, daß sowohl die Elektrode als auch der Block eine positive (oder negative) Potentialdifferenz gegenüber der Hilfselektrode aufweisend Damit wird es möglich, eine Schmelzflußelektrolyse einzuleiten, die eine Ionenwanderung zur Hilfselektrode einerseits und zur Elektrode und zum Sumpf anderseits bewirkt. Je nach der Polung der Hilfselektrode].! werden Ionen an der Hilfselektrode entladen urzd nach Reaktionen mit Elektrodengraphit oder Luftsauerstoff abgeschieden. Auch chemische Reaktionen mit der Schlacke sind möglich.

Eine derartige vorbekamte Filektrosehlackeumsclrüielzanlage liegt an einem Wechselstromtrasisformator, dessen eine Phase an die Abschmelzelektrode und dessen zweite ihase an die Bodenplatte und damit an des Block angeschlossen ist. Dieser Einphasentransformator liefert die für den ESU-Vorgang artige Energie. Die Stromrichtung Block-Elektrode wechselt zwangsläufig mit der Herzfrequenz. Durch Einbringen von niehtschnielzesideii. Hilfselektrode» in die Schlacke ist es nun mi'glieh, diesem Wechselstromflufs eine Gleichstromkomponente zu überlagern, wobei die Gleichstromrichtung vom oder zum Eilfselektrodensystern weist. Als zweiter Pol dient dann die Abschmelzelektrode oder der Block. Die Erzeugung der Gleichspannung wird durch einen Gleichrichter bewerkstelligt. Zwecks Polung der Abschmelzelektrode zur Hilfselektrode wird die Blockphase mit dem Hilfselektrodensystem über einen Gleichrichter verbunden, so daß je nach Durchgangsrichtung des Stromes durch den Gleichrichter die positive oder negative Halbwelle zur Wirkung kommt. Nach demselben System

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wird die Abschmelzelektrodenphase mit den Hilfselektroden verbunden. Um die Polarität der Hilfselektroden umkehren zu können, ist ein Schalter eingebaut. Zur Regulierung des Hilfselektrodenstromes kann ein Regelwiderstand eingeschaltet werden. Die Stromregulierung kann einerseits durch den besagten Widerstand und anderseits durch die Stellung des Hilfselektrodensystems in der Schlacke gegenüber Block und Elektrode erfolgen.

Einen wesentlichen Bestandteil der vorbekannten Vorrichtung bilden somit eine (oder mehrere) in die Schlacke eintauchende, nichtschmelzende Hilfselektroden, welche vorzugsweise aus Graphit bestehen. Im praktischen Betrieb ist nun die Standzeit dieser nichtschmelzenden Hilfselektroden von großer Bedeutung, da einerseits bei der Erzeugung großer Blöcke Umschmelzzeiten von 100 Stunden und mehr aufgewendet werden müssen, anderseits chemische Reaktionen zwischen der Hilfselektrode und der Schlacke vermieden werden sollen. Vor allem die Aufkohlung der umgeschmolzenen Blöcke durch den Graphit der Hilfselektrode trat bei der oben beschriebenen Anlage als schwerwiegender Nachteil auf.

Um die bestehenden Schwierigkeiten entscheidend zu vermindern, wurde eine Einrichtung geschaffen, die es ermöglicht, die Gleichstromenergie in Form von Plasma in die Schlacke zu übertragen. Zu diesem Zweck wurde die Hilfselektrode rohrförmig ausgebildet und ein plasmabildendes Gas, vorzugsweise Argon, durch sie durchgeleitet. Hierbei wurde ein Plasmalichtbogen zwischen der Hilfselektrode und der Schlacke erzeugt. Diese

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Ausführungsform der Hilfselektrode, die einen Vorschlag gemäß der vorliegenden Anmeldung darstellt, führte zu einer Senkung des Graphitverbrauchs und verbesserte die Abscheidung gasförmiger Desoxydationsprodukte noch weiter. Vorzugsweise wurde die Oberfläche der Graphitelektroden durch eine Beschichtung mit einem hochtonerdehältigen Mörtel gegen erosive Schlakkendämpfe geschützt. Der Mörtel bestand im wesentlichen aus etwa 90 % Tonerdesilikat und Wasserglas als Bindemittel. Durch die Beschichtung wurde die Entstehung von Graphitruß und die damit verbundene Aufkohlung der Schmelze verhindert. Die Gleichstromplasmaflamme, durch die ein direkter Kontakt zwischen Hilfselektrode und Schlacke vermieden wird, ermöglicht ebenso wie eine eintauchende Elektrode, den Ablauf von Elektrolysereaktionen zwischen der ionisierten Schlacke und dem flüssigen Metallfilm an der Spitze der Abschmelzelektrode, der Atmosphäre und der Hilfselektrode. Die Lichtbogenlänge beträgt je nach Überlagerungsspannung 1-5 cm. Nicht nur die größere Entfernung zwischen der Hilfselektrode und der Schlacke, sondern auch die Herabsetzung des Sauerstoffpartialdruckes über der Schlacke durch Argon und die Kühlwirkung des Edelgases in der durchbohrten Hilfselektrode mindern deren Oxydation. Da auch der Partialdruck aller anderen über der Schlacke befindlichen Gase durch das Edelgas herabgesetzt wird, wird außerdem deren Abscheidung beim Umschmelzen erleichtert und gefördert. Dies gilt z.B. für SO«, S, gasförmig, O₂/ H₂0-Dampf, HP, und CO bzw. CO,· So wurde es erst durch die Anwendung der Plasmaüberlagerung möglich, den Wasserstoffgehalt des ESü-Blocks gegenüber dem der Abschmelzelektrode auch bei niedrigen H₂-Gehalten der

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Elektrode entscheidend zu senken.

Überdies dient die Plasmaflamme als Zusatzheizung der Schlacke. Dies bringt z.B. den Vorteil einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung im Schlackenbad mit flacherer Sumpfausbildung, die bessere Erstarrungsbedingungen zur Folge hat. Der Gesamtenergieverbrauch für die ümschmelzung wird verringert. Da durch die Elektrolysereaktion metallisches Aluminium in feinverteilter Form an der-Phasengrenze Metall-Schlacke vorliegt, werden nichtmetallische Kalktonerdeeinschlüsse ebenfalls in feinster Verteilung gebildet.

Wird Argon als plasmabildendes Gas verwendet, so tritt als Zusatzeffekt eine gewisse Schutzgaswirkung auf, die beim Umschmelzen von Stählen mit Gehalten an hochsauerstoffaffinen Elementen (Ti, Al, Zr, CeLa u.a.) von Bedeutung sind.

Ein weiterer Nachteil der vorbekannten Anlage besteht darin, daß der Gleichstrom zur Speisung der Hilfselektroden dem Wechselstromkreis entnommen und über Gleichrichter dem Hilfselektrodensystem zugeführt wird. Da hierbei immer nur eine Halbwelle des Wechselstroms gleichgerichtet wird, kommt es auch auf der Primärseite zu Unsymmetrien im Transformator. Außerdem laufen die Elektrolysereaktionen, die angestrebt werden, erst ab einer gewissen Schwellspannung ab. Die Überlagerungsspannung muß daher weitgehend regelbar sein. Xm Falle der vorbekannten Anordnung ist die Spannung aber nur durch Änderung eines Regelwiderstandes variierbar. Ein weiterer Vorschlag

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der Anmeldung besteht nun darin, die Gleichstromquelle, die z.B. ein Schweißgenerator sein kann, unabhängig vom Wechselstromkreis anzuordnen. Hierdurch kann sowohl die Überlagerungsstromstärke als auch die Gleichstromspannung in weiten Grenzen variiert werden. Zur Trennung des Wechsel- und Gleichstromkreises können Gleichrichter als Siebglieder vor beiden Polen des Gleichstromgenerators angeordnet werden.

In der Fig. 1 ist eine anmeldungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Vorbekannt sind die Abschmelzelektrode 1, die über eine Wechselstromquelle 2 mit der Bodenplatte 3 verbunden ist, die Schlackenschicht 4, die hebbare, wassergekühlte Kokille 5, in der sich der erstarrte Block 6 mit dem flüssigen Blocksumpf 7 bildet. Da dieser prinzipielle Aufbau einer ESU-Anlage aus der Literatur hinreichend bekannt ist, beschränkt sich die Fig. 1 auf eine rein schematische Darstellungsweise. Die Anmeldung schlägt nun vor, mindestens eine an sich bekannte Hilfselektrode 8 rohrförmig auszubilden, sie an Zuführungen 9 für plasmabildendes Gas, vorzugsweise Argon, anzuschließen, und sie über eine von der Wechselstromquelle 2 unabhängige Gleichstromquelle 11 mit der Bodenplatte 3 leitend zu verbinden. Beim Betrieb dieser Anlage bilden sich als elektrisch leitende Verbindungen zwischen den Hilfselektroden und der Schlakke die Plasmalichtbogen 10 aus. Mit 12 sind die Gleichrichter bezeichnet, die als Siebglieder vor beiden Polen der Gleichstromquelle 11 angeordnet sein können. Die Gleichstromenergie soll vorzugsweise 10 - 30 % der Wechselstromenergie betragen, die Stromdichte an den Hilfselektroden vorzugsweise 1-6 A/cm

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Die tiberlagerungsstromstärke wird von der thyistorgeBteuerten Regelung der Gleichrichter konstant gehalten, die Gleichstromspannung stellt sich nach der Länge des Lichtbogens ein. Als Gleichstrom im Sinne der Anmeldung ist auch zerhackter
Gleichstrom zu verstehen. Fig. 2 zeigt eine weitere Möglichkeit für die Ausgestaltung der nichtschmelzenden Hilfselektroden 8. Ein inneres Kupferrohr 13 und ein äußeres Kupferrohr
14 sind mit einer Iridiumbeschichtung 15 versehen. Zur Kühlung dient ein mit Kühlwasserkanälen 16 versehenes Kühlwasserleitrohr 17. Die Pfeile 18 geben die Strömungsrichtung des
Kühlwassers an. Die Zufuhr von plasmabildendem Gas erfolgt
durch den Kanal 19.

Gegenstand der Anmeldung ist daher eine Vorrichtung zur Herstellung von Gußblöcken aus hochschmelzenden Metallen, insbesondere Stahl durch Elektroschlackeumschmelzen, bestehend aus mindestens einer Abschmelzelektrode 1, die über mindestens
eine Wechselstromquelle 2 mit der Bodenplatte 3 einer auf bekannte Weise hebbaren wassergekühlten Kokille 5 verbunden ist und in eine Decke aus geschmolzener Schlacke 4 eintaucht, wobei sich in der Kokille 5 der erstarrte Block 6 mit dem flüssigen Blocksumpf 7 aufbaut, und die Erfindung besteht darin,
daß mindestens eine an sich bekannte rohrförmige Hilfselektrode 8 an" mindestens eine Zuführung 9 für plasmabildendes Gas,
vorzugsweise Argon, angeschlossen und über eine von der
Wechselstromquelle 2 unabhängige Gleichstromquelle 11 mit der Bodenplatte 3 elektrisch leitend verbunden ist.

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Zum Zweck der Abscheidung unerwünschter Stahlbegleiter aus der Schlacke und dem durch sie hindurchtropfenden flüssigen Metall wird die Hilfselektrode auf einer Polarität gehalten, welche der Polarität der in ionisiertem Zustand vorliegenden abzuscheidenden Metallbegleiter entgegengesetzt ist.

Soll der Übergang erwünschter Stahlbegleiter in die Schlacke vermieden werden, wird die Hilfselektrode auf einer Polarität gehalten, welche der Polarität der in ionisiertem Zustand vorliegenden erwünschten Stahlbegleiter gleich ist.

Die Erfindung kann auf verschiedene Weise modifiziert werden. So kann die Schmelzelektrolyse mit Hilfe mehrerer rohrförmiger, in gleichen Abständen voneinander angeordneten Hilfselektroden durchgeführt werden, deren Achsen sich auf einer, die selbstverzehrende Elektrode konzentrisch umgebenden gedachten Zylinderfläche befinden. Auch kann die Hilfselektrode die Abschmelzelektrode rohrförmig konzentrisch umgeben, wobei der Rohrmantel seinerseits in Achsrichtung mit Bohrungen für die Zufuhr von plasmabildendem Gas versehen ist. In allen Fällen erbringt der zwischen den Hilfselektroden und der Schlackendecke entstehende Plasmalichtbogen die besprochenen Vorteile, die vor allem in einer verbesserten Reinigungs- und Heizwirkung bestehen. Die anmeldungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, das Verfahren der Elektroschlackeumschmelzung noch wirksamer als bisher und mit noch besseren Ergebnissen durchzuführen.

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Claims (9)

Patentansprüche ;

1. Vorrichtung zur Herstellung von Gußblöcken aus hochschmelzenden Metallen, insbesondere Stahl, durch Elektroschlackeumschmelzen, bestehend aus mindestens einer Abschmelzelektrode (1), die über mindestens eine Wechselstromquelle (2) mit der Bodenplatte (3) einer auf bekannte Weise hebbaren wassergekühlten Kokille (5) verbunden ist und in eine Decke aus geschmolzener Schlacke (4) eintaucht, wobei sich in der Kokille (5) der erstarrte Block (6) mit dem flüssigen Blocksumpf (7) aufbaut, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine an sich bekannte rohrförmige Hilfselektrode (8) an mindestens eine Zuführung für plasmabildendes Gas, vorzugsweise Argon, angeschlossen ist und über eine von der Wechselstromquelle (2) unabhängige Gleichstromquelle (11) mit der Bodenplatte (3) elektrisch leitend verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Abscheidung unerwünschter Stahlbegleiter aus der Schlacke und dem durch 'sie hindurchsinkenden flüssigen Metall die Hilfselektrode auf einer Polarität gehalten ist, welche der Polarität der in ionisiertem Zustand vorliegenden abzuscheidenden Metallbegleiter entgegengesetzt ist.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung des Überganges erwünschter Stahlbegleiter in die Schlacke die Hilfselektrode auf einer Polarität gehalten ist, welche der Polarität der in ionisiertem Sustand vorliegenden erwünschten Stahlbegleiter gleich ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Hilfselektrode aus Graphit besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Graphitelektrode mit einem hochtonerdehältigen Mörtel aus etwa 90 % Tonerdesilikat und Wasserglas als Bindemittel beschichtet ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Hilfselektrode aus einem inneren Kupferrohr (13) und einem äußeren Kupferrohr (14) besteht, die mit einer Iridiumbeschichtung (15) versehen sind, und daß sie Kühlwasserkanäle (16), ein Kühlwasserleitrohr (17) und einen Kanal (19) für die Zufuhr von plasmabildendem Gas aufweist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleich gepolte Hilfselektrode!* vorhanden sind, deren Achsen sich auf einer, die selbstverzehrende Elektrode konzentrisch umgebenden gedachten Zylinder fläche befinden.

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8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode die Abschmelzelektrode rohrförmig konzentrisch umgibt, wobei der Rohrmantel seinerseits in Achsrichtung mit Bohrungen für die Zufuhr von plasmabildendem Gas versehen ist.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Gleichrichter (12) als Siebglieder vor beiden Polen der Gleichstromquelle (11) angeordnet sind.

Gebr.Böhler & Co Aktiengesellschaft Patentbüro

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