DE2522555B2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von gussbloecken aus hoch- schmelzenden metallen, insbesondere stahl, durch elektroschlackeumschmelzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gußblöcken aus hochschmelzenden Metallen, insbesondere Stahl, durch Elektroschlacke-Umschmelzen mindestens einer Abschmelzelektrode, die aus einer Wechselstromquelle gespeist wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erstcren.

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Es ist bereits eine Vorrichtung zur Herstellung von Gußblöcken aus hochschmelzenden Metallen, insbesondere Stahl, durch Elektroschlackeumschmelzen bekannt, bei der eine oder mehrere Hilfselektroden vorgesehen sind, die an einer von der den Urnschmelzstrom liefernden Wechselstromquelle unabhängigen Gleichstromquelle angeschlossen sind, um einen schmelzelektrolytischen Effekt in der Schlacke zu erzielen. Hierbei ist die Sekundärwicklung eines Transformators die Wechselstromquelle. Die in Rede stehende Vorrichtung gestattet es, beim Elektroschlakkeumschmelzen 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 |ouleschen Wärme im geschmolzenen Zustand vorliegt, weitgehend ionisiert ist, und daß die einzelnen Ionen durch Überlagerung eines Gleichstromes in der Schlacke bewegt werden können. Beim Elektroschlackumschmelzen 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.

Mittels mindestens einer nichtschmelzenden Hilfselektrode, welche vorzugsweise aus Graphit besteht, wird über Gleichrichter eine Gleichstromkomponente derart in das Umschmclzsystem eingebracht, daß sowohl die Elektrode als auch der Block eine positive (oder negative) Potentialdifferenz gegenüber der Hilfselektrode aufweisen. Damit wird es möglich, eine Schmelzflußelcktrolyse einzuleiten, die eine Ionenwanderung zur Hilfselektrode einerseits und zur Elektrode und zum Sumpf andererseits bewirkt. )e nach der Polung der Hilfselektroden werden Ionen an der Hilfselektrode entladen und nach Reaktionen mit Elektrodengraphit oder Luftsauerstoff abgeschieden. Auch chemische Reaktionen mit der Schlacke sind möglich.

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, andererseits chemische Reaktionen zwischen der Hilfselektrode und der Schlacke vermieden werden sollen. Vor allem die Aufkohlung der umgeschmolzenen Blöcke durch den Graphit der Hilfselektrode tritt bei der oben beschriebenen Anlage als schwerwiegender Nachteil auf.

Es ist zwar auch bereits bekannt, für einen Elektroschlacke-Umschmelzprozeß mittels eines Plasmastromes die Schlacke zu schmelzen, indem dieser der Schlacke durch eine durchbohrte Hilfselektrode zugeführt wird. Hierbei wird jedoch die beim Elektroschlakke-Uir.schmelzprozeß selbst auftretende Schmelzclektrolyse nicht beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend angeführter Nachteile zu vermeiden und ein

Verfahren zur Herstellung von Gußblöcken aus hochschmelzenden Metallen, insbesondere aus Stahl zu schaffen, das einen günstigen Schrrelzelektrolyseeffekt ergibt, ohne daß hierbei eine Aufkohlung des umgeschmolzenen Metalls oder ein baldiges Schadhaftwerden einer Hilfselektrode erfolgt. Erfindungsgem^ß wird dies bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß der Schlacke durch mindestens eine an sich bekannte rohrförmige Hilfselektrode, die an eine von der Wechselstromquelie unabhängige deichstromquelle angeschlossen ist, mittels eines plasmabildenden, vorzMgsvveise aus Argon bestehenden Gases ein Gleichstrom zugeführt wird und daß hierbei ständig ein Abstand zwischen der Hilfselektrode bzw. den Hilfseiektroden einerseits und der Schlackenschicht andererseits aufrechterhalten wird. Das er^f:ndungsgemäße Verfahren bietet vor allem die Vorieile, daß es durch dasselbe möglich ist, das Elektroschlackcnumschmelzen von Metallen, insbesondere von Stählen noch wirksamer als bisher durchzuführen und hierbei noch bessere Materialeigenschaften in den hergestellten Gußblöcken zu erzielen.

Eine erfindungsgemäße, besonders vorteilhafte, zur Durchführung dieses Verfahrens dienende Vorrichtung mit einer an eine Wechselstromquelle angeschlossenen, in eine flüssigkeitsgekühlte Kokille von oben hineinragenden, aus dem umzuschmelzenden Metall bestehenden Abschmelzelektrode und einer in dieselbe Kokille hineinragenden, nicht abschmelzenden, vorzugsweise an eine Gleichstromquelle angeschlossenen Hilfselektrode ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode mit einem oder mehreren nach abwärts führenden Kanälen zur Zufuhr von plasmabildendem Gas, vorzugsweise von Argon versehen ist. Zwischen der Hilfselektrode und der Schlacke wird hierbei ein Plasmalichtbogcn erzeugt.

Die erfindungsgemäße Ausbildungsart der Elektrode führt zu einer Senkung des Elektrodenverbrauches und verbessert die Abscheidung gasförmiger Desoxydationsprodukte noch weiter. Die Gleichstromplasmaflamme, durch die ein direkter Kontakt zwischen Hilfselektroden und Schlacke vermieden wird, ermöglicht ebenso wie eine eintauchende Elektrode den Ablauf von Elektrolyscreaktionen zwischen der ionisierten Schlacke und dem flüssigen Metallfilm an der Spitze der Abschmelzelektrode, der Atmosphäre und der Hilfselektrode. Die Lichtbogen'änge 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:, S₂ gasförmig, O₂, H₂O-Dampf, HF und CO bzw. CO₂. So wurde es erst durch die Anwendung der Plasmaüberlagerung möglich, den Wasserstoffgehalt des ESU-Blocks gegenüber dem der Abschmelzelektrode auch bei niedrigen H₂-Geha!ten der 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 Umschmelzung wird verringert. Da durch die Elektrolysereaktion metallisches Aluminium in feinverteilter Form an der Phasengrenze Metall-Schlacke vorliegt, werden nicht-metallische 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. Ce. La u. ä.) von Bedeutung sind.

Die durch die Erfindung angestrebten Elektrolysereaktionen laufen erst ab einer gewissen Schwellspannung ab. Erfindungsgemäß kann desiialb die Gleichstromquelle, z. B. ein Schweißgenerator, unabhängig vom Wechselstromkreis angeordnet sein. Hierdurch kann sowohl die Überlagerungsstromstärke als auch die Gleiehstromsnannung in weiten Grenzen uiriiert werden.

Weiter kann die Hilfselektrode auf einer Polarität gehalten werden, welche der Polarität der im ionisierten Zustand vorliegenden abzuscheidenden Metallbegleiter entgegengesetzt bzw. der Polarität der im ionisiertet 1 Zustand vorliegenden erwünschten Metallbegleiter gleich ist. Vorzugsweise besteht die erfinduiigsgcmäßc Hilfselektrode aus Graphit und ihre Oberfläche ist mit einem hochtonerdehältigen Mörtel aus etwa 90"o Tonerdesilikat und Wasserglas als Bindemittel beschichtet. Durch diese Beschichtung ist sie gegen erosive Schlackendämpfe geschützt. Außerdem wird die Entstehung von Graphitruß und eine damit verbundene Aufkohlung der Schmelze verhindert.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform besteht die rohrförmige Hilfselektrode aus einem inneren und einem äußeren Kupferrohr, die mit einer Iridiumbeschichtung versehen sind, und enthält Kühlwasserkanäle, ein Kühlwasserleitungsrohr und einen Kanal für die Zufuhr von plasmabildendem Gas.

Zur Trennung des Wechsel- und Gleichstromkreises können Gleichrichter als Siebglieder vor beiden Polen des Gleichstromgenerators angeordnet sein.

Im folgenden wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel erläutert, das durch die Zeichnung in schematischer Darstellung veranschaulicht ist. Die F i g. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung und die F i g. 2 ebenfalls einen Vertikalschnitt, und zwar durch den unteren Teil eines Rohres, welches zu der bei dieser Vorrichtung vorhandenen Hilfselektrode 8 gehört, in einem größeren Maßstab.

Die eine Anlage zum Elektroschlackenumschmelzcn darstellende Vorrichtung enthält eine Abschmelzelektrode 1, die über eine Wechselstromquelle 2 mit einer Bodenplatte 3 verbunden ist. eine Schlackenschicht 4. eine hebbare, wassergekühlte Kokille 5, in der sich ein erstarrter Block 6 mit einem flüssigen Blocksumpf 7 bildet. Der prinzipielle Aufbau von Anlagen zum Elektroschlackenumschmelzen von Metallen ist aus der Literatur hinreichend bekannt.

Erfindungsgemäß ist eine nicht verzchrbare Hilfselektrode 8 von einem oder mehreren Rohrteilen gebildet, an Zuführungen 9 für plasmabildendes Gas. vorzugsweise Argon, angeschlossen und über eine von der Wechselstromquelle 2 unabhängige Gleichstromquelle 11 mit der Bodenplatte 3 leitend verbunden. Beim Betrieb dieser Vorrichtung bilden sich als elektrisch leitende Verbindungen zwischen den Rohrteilen der Hilfselektroden 8 und der Schlacke 4 Plasmalichtbogen

tO aus. Gleichrichter 12 sind als Siebglieder vor den beiden Polen der Gleichstromquelle 11 angeordnet.

Die Gleichstromenergie beträgt vorzugsweise 10-30% der Wechselstromenergie, die Stromdichte an den Hilfselektroden vorzugsweise 1-bA/cm-'. Die Überlagerungsstromsiürke wird von der thyristorgesteuerten Regelung der Gleichrichter konstant gehalten, die Glcichstromspunnung stellt sich nach der Lange des Lichtbogens ein. Als Gleichstrom im Sinne der Erfindung ist auch zerhackter Gleichstrom zu verstehen. Die F i g. 2 zeigt eine erfindungsgemäßc Möglichkeil für die Ausgestaltung der nichtschmelzenden Rohrteile der Hilfselektrode 8. Ein inneres Kuplerrohr 13 und ein äußeres Kupferrohr 14 sind mit einer Iridiumbeschichtung 15 versehen. Zur Kühlung dient ein mit Kühiwasserkuniilen 16 versehenes Kühlwasscrlcilrohr

17. Die Pfeile 18 geben die Strömlingsrichtung dc^ Kühlwassers an. Die Zufuhr von plasmabildendem Ga? erfolgt durch einen Kanal 19. Die Rohrieile dei Hilfselektrode 8 können in gleichen Abständen vonein ander angeordnet sein, wobei sich die Achsen dei ersteren auf einer die selbstver/ehrende Elektrode konzentrisch umgebenden, gedachten Zylinderfliiehi befinden. Die Hilfselektrode kann aber auch du Abschmelzelektrode rohrförmig konzentrisch umgeben

ίο wobei der Rohrmantel seinerseits in Achsrichtung mi Bohrungen für die Zufuhr von plasmabildendem Ga versehen ist. In allen Fällen erbringt der zwischen der Hilfselektroden und der Schlackendeekc entstehend« Plasmalichlbogen die vorstehend angeführten Vorteilt die vor allem in einer verbesserten Reinigungs- um Heizwirkung bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche: 25

1. Verfahren zur Herstellung von Gußblöcken aus hochschmelzenden Metallen, insbesondere Stahl, durch Elektroschlacke-Umschmelzen mindestens einer Abschmelzelektrode, die aus einer Wechsel- «tromquelle gespeist wird, dadurch gekennte ich net, daß der Schlacke durch mindestens «ine an sich bekannte rohrförmige Hilfselektrode (8), ίο die an eine von der Wechselstromquelle (2) unabhängige Gleichstromquelle (11) angeschlossen ist, mittels eines plasmabildenden, vorzugsweise aus Argon bestehenden Gases ein Gleichstrom zugeführt wird und daß hierbei ständig ein Abstand !wischen der Hilfselektrode bzw. den Hilfselektroden einerseits und der Schlackenschicht andererseits aufrechterhalten wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens •ach Anspruch 1, mit einer an eine Wechselstrom-Quelle angeschlossenen, in eine flüssigkeitsgekühlte Kokille von oben hineinragenden, aus dem umzu- «chmelzenden Metall bestehenden Abschmelzelektrode und einer in dieselbe Kokille hineinragenden. Dicht abschmelzenden, vorzugsweise an eine Gleichttromquelle angeschlossenen Hilfselektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (8) mit tinem oder mehreren nach abwärts führenden Kanälen (19) zur Zufuhr von plasmabildendem Gas, vorzugsweise von Argon, versehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (8) von einem oder mehreren, vom plasmabildenden Gas durchströmten, vorzugsweise aus Graphit bestehenden Rohrteilen gebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des bzw. jedes aus Graphit bestehenden Rohrteiles mit einem hoch-Honerdehältigcn Mörtel aus etwa 90% Tonerdesilikat und Wasserglas als Bindemittel beschichtet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder Rohrieil ein vom iplasmabildenden Gas durchströmtes inneres Kupferrohr (13) und ein konzentrisches äußeres Kupferrohr (14) aufweist, die mit einer Iridiumbeschichtung 1(15) versehen sind und zwischen denen ein Kühlwasserleitrohr (17) konzentrisch angeordnet ist, wobei diese Rohre (14, 15, 17) einen zunächst von oben nach unten und sodann von unten nach oben führenden Kühlwasserkanal (16) begrenzen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, mit einer die aus dem umzuschmelzeriden Metall bestehende Elektrode umgebenden, im wesentlichen die Form eines Hohlzylinders aufweisenden Hilfselektrode, dadurch gekennzeichnet, daß diese Hilfselektrode mit mehreren, in ihrer Achsrichtung verlaufenden Kanälen (19) für die Zufuhr des plasmabildenden Gases versehen ist.