DE2545162A1

DE2545162A1 - Verfahren und vorrichtung zum regeln von elektroschlackenumschmelzverfahren fuer metalle

Info

Publication number: DE2545162A1
Application number: DE19752545162
Authority: DE
Inventors: Donatello Canalini; Eugenio Repetto
Original assignee: Centro Sperimentale Metallurgico SpA
Current assignee: Centro Sviluppo Materiali SpA
Priority date: 1974-10-11
Filing date: 1975-10-08
Publication date: 1976-04-22
Also published as: LU73568A1; GB1493728A; IT1021775B; DE2545162C3; DE2545162B2; FR2287514B1; NL7512026A; FR2287514A1; BE834416A; US3995490A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Regeln von Elektroschlackenumschmelzverfahren für Metalle

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln von Elektroschlackenumschmelzverfahren für Metalle und richtet sich insbesondere auf ein Verfahren, welches die Regelung und damit die Steuerung des ]?ortschritts der Produktion von metallischen Gegenständen unter Verwendung des Verfahrens des Elektroschlackenumschmelzens für Metalle ermöglicht. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

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¥eite Verbreitung hat das Elektroschlackenumschmelzverfahren mit zahlreichen Anwendungen gefunden.

Auf diesem GeMet besteht der eindringliche Wunsch,, das Schmelzverfahxen, welches in sich ziemlich kompliziert ist, zu beherrschen und zu regeln "bzw. zu kontrollieren, Eine große Anzahl von Regelverfahren und -einrichtungen ■wurden bereits realisiert, jedes von ihnen ermöglicht es allerdings nur, einen der Parameter des Schmelzverfahrens zu regeln. Es ist beispielsweise bekannt, die der Elektrode zugeführte Leistung oder die Spannung oder die Stromstärke oder aber das Mveau des flüssigen Metalls in der Kokillen- oder Blockform zu regeln.

Um das ilüssigmetallniveau zu messen, wird eine Reihe von Thermoelementen parallel zur Achse der Blockform in Kontakt mit der Blockformwandung nahe dem hergestellten Gegenstand angeordnet. Eine abrupte Temperaturänderung stellt sich entsprechend dem flüssigen Metall ein.

Eine Verbesserung gegenüber einer solchen Einrichtung wurde in der US-Patentschrift 3 797 410 (US Steel Go., mit der Priorität vom 28. Febr. 1972) vorgeschlagen, wonach eine Reihe von Metallsonden in Kontakt mit der Blockformwandung nahe dem herzustellenden Gegenstand angeordnet werden. Sowohl Sonden wie Blockform werden aus unterschiedlichen Metallen derart hergestellt, daß jeder Sondeö/BlockforimTbergang ein Thermoelement darstellt.

Diese Einrichtungen weisen zwei Hauptnachteile auf: sie messen die Temperatur in einer Reihe isolierter Stellen und sie messen eine Größe (das ist die Temperatur), welche für das Schmelzverfahren nur von sekundärer Bedeutung ist.

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Der erste Nachteil besteht also darin, daß ein anomaler thermischer Zustand aus irgend einem Grunde an der Stelle, wo das !Thermoelement eingeführt wird, eintreten kann, wodurch die Temperatur an dieser Stelle unterschiedlich zu der, wie sie normalerweise sein sollte, erscheint. Der zweite Nachteil ist in der Tatsache zu sehen, daß "beim Elektroschlackenumschmelzverfahren (im folgenden als ESR - hierfür bekanntes Symbol - bezeichnet) der wichtigste Parameter die durch den Stromdurchgang erzeugte Wärmemenge (Joule-Effekt) ist, während nach der bekannten Technik eine sekundäre Größe, beispielsweise die Temperatur, gemessen wird, die von vielen anderen Parametern abhängt, die nach dem bekannten Regelverfahren nicht berücksichtigt werden.

Jedes der bekannten Verfahren und/oder jede der bekannten Einrichtungen ermöglicht es also, nur eine einzige Größe (Parameter) zu messen, während der Erfindung die Erkenntnis zugrunde liegt, daß viele verschiedene Einrichtungen verwendet werden müssen, um eine solche ESR-Anlage voll auszurüsten, mit der hiermit zusammenhängenden Steigerung in Installations- und Betriebskosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und eine vollständige Regelung des ESR-Yerfahrens in einfacher und vergleichsweise wirtschaftlicher Weise herbeizuführen. Nach der Erfindung wird der aus dem in der Herstellung begriffenen Körper austretende Wärmefluß aufgrund der durch das Kühlmittel der Blockform absorbierten Wärmemenge gemessen. Auf diese Weise wird es möglich, Kenntnis - wie weiter unten näher erläutert werden wird - bezüglich des Niveaus "des flüssigen Metalls in der Blockform, der Höhe der darüber befindlichen Schlacke, der zeitlichen Änderung der Dicke der verfestigten Schlacke um den erzeugten

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Gegenstand sowie die Entwicklung des Wirkungsgrades des Schmelzverfahrens, die Schmelzgeschwindigkeit etc. zu erhalten. Sobald diese Informationen und Daten verfügbar sind, wird es möglich, direkt in optimaler Weise die von den Elektroden abgegebene Leistung, die Bewegung der Blockform und den Kühlmittelfluß einzustellen; es wird auch ermöglicht, eine Superregelung bezüglich der Elektrodenspeisung,der gelieferten Leistung und der Relativbewegung zwischen Blockform und hergestellten metallischen Gegenstand auszuüben«

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.

Nach der Erfindung zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, daß für das Kühlmittel im Kühlmantel der Blockform wenigstens ein schraubenartiger bzw. spiralförmiger zylindrischer Weg hergestellt wird; ein Kühlmittelfluß bekannten Durchsatzes wird in jedem dieser Wege hergestellt; die durch das Kühlmittel erreichte Temperatur wird in jeder Windung jedes Weges gemessen; der Färmeschock bzw. Wärmegradient zwischen einer Windung und der nächsten wird gemessen; die von Windung zu Windung ausgetauschte Wärmemenge zwischen Blockform und Kühlmittel wird abgeleitet, wodurch Augenblick für Augenblick der Verlauf des Wärmeaust-ausches über die Blockform bestimmt wird. Aus diesem Verlauf ergibt sich beispielsweise sofort und ohne Fehlereinflüsse aufgrund von anomalen lokalen Wärmezuständen das Niveau des flüssigen Metalls entsprechend der Windung oder den Windungen, in denen der Wärmeaustausch höher ist; die Veränderung in der Dicke der Schicht der verfestigten Schlacke um den metallischen in der Herstellung begriffenen Gegenstand herum wird erhalten aus den zeitlichen Änderungen der Wärmemenge, die entsprechend den Windungen ausgetauscht wird, die unter dem Niveau des flüssigen Metalls sich befinden. Die Änderungen

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im Wirkungsgrad des ■ chmelzverfahrens lassen sich aus
den zeitlichen Änderungen der Wärmemenge, die entsprechend den Windungen oberhalb des Niveaus des flüssigen Metalls ausgetauscht wird, ableiten.

Sind die oben genannten Baten bekannt, so wird es möglich, eine ganze Zahl von Einstellungen voreinzustellen, insbesondere die der Blockformbewegung, der Kuhlmittelströmung, der der Eleektrode oder den Elektroden gelieferten Leistung etc., derart, daß ein optimaler Wirkungsgrad
des Schmelzbetriebes möglich wird.

Die hervorragende Einfachheit sowie die Verläßlichkeit und Genauigkeit dieses Verfahrens werden ohne weiteres klar; es wird möglich, eine große Anzahl brauchbarer
Informationen hinsichtlich des Portschritts des ESR-Verfahrens zu erhalten.

Eine beispielsweise Ausfuhrungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegende. Zeichnung näher erläutert werden, wobei der Fall der Verkleidung von metallischen Gegenständen mit einer äußeren Metallschicht in der Zeichnung vorzugsweise dargestellt ist. Gezeigt ist ein Längsschnitt durch die Vorrichtung mit einer
Blockform vom sogenanneten "I-Typ". Die Blockform kann auch ein geradliniges Profil aufweisen. Nach der Erfindung wird um einen ( an der Oberfläche ) mit einer Metallschicht 2 zu verkleidenden Gegenstand 1 eine bewegliche Blockform oder Kokillenform 3 angeordnet, deren
Wandungszwischenraum, in welchem das Kühlmittel zirkuliert, in eine Anzahl von Querzonen 4'» 4¹¹» 4^IM> 4 * (von denen jede Längsabmessungen, entweder kleiner oder gleich 1/10 der Blockformlänge, aufweist) mittels eines zylindrischen, schraubenförmigen oder spiralförmigen

Umlenkbleches 5 unteilt ist.

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In jeder Querzone 4 wird ein Thermoelement 6 eingeführt (!Thermoelement oder Thermowiderstand). Jedes dieser Thermoelemente wird in einen "bekannten und nicht dargestellten Aufzeichnerkreis eingeschaltet.

Während des ESR-Schmelzverfahrens absorbiert jede der Transversalzonen 4 eine gewisse Wärmemenge als funktion des Wärmeinhalts des Materials, das in Eontakt mit der Innenwandung der Blockform kommt und als Funktion der Wärmeleitfähigkeit dieses Materials.

In den Zonen 4¹ oberhalb des Schlackenbades 7 ist die Wärmeabsorption durch das Kühlmittel praktisch Null; in den Zonen 4" entsprechend dem Schlafekenbad 7 wird die Wärmeabsorption proportional zu der der Elektrode oder den Elektroden 8 gelieferten Leistung. In den Zonen 4'" entsprechend dem flüssigen Metall 9 erreicht die Wärmeabsorption die höchsten Werte aufgrund der höheren Leitfähigkeit des flüssigen Metalls und auch aufgrund der durch letzteres abgegebenen Verfestigungswärme. In den anderen Zonen 4^IV nimmt die Wärme— absorption allmählich ab und wird hauptsächlich eine Funktion der Dicke der verfestigten Schlackenschicht zwischen dem erzeugten Gegenstand und der Blockform sein.

Bezüglich der Messung des Niveaus des flüssigen Metalls ist es klar, daß die Vorrichtung nach der Erfindung bei weitem empfindlicher als die an sich bekannten ist, welche die Temperatur der Wandung der Blockform messen. Während nämlich einerseits die Verfestigungstemperatur eines Metalls immer die gleiche ist und die Temperatur der schmelzflüssigen Schlacke höher als die des flüssigen Metalls sein kann und gewöhnlich ist, wodurch durch die reine Messung der Wandtemperatur des Blockes erhebliche Unsicherheiten bei der Bestimmung des Flüssigmet allniveaus eintreten, ist andererseits die

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durch ein Metairbad unter Verfestigung übertragene Wärme zweifellos wesentlich, höher als die durch die darüber befindliche Schlackenschicht übertragene.

Wenn aus irgend einem G-runde die der Elektrode 8 gelieferte Leistung variieren sollte, so variiert auch die an die Zonen 4¹ übertragene Wärmemenge sofort; durch Beobachtung der Veränderungen dieser Wärmemenge über die Zeit wird es möglich, in optimaler Weise das Schmelzverfahren zu regeln. In ähnlicher Weise ist es möglich, in optimaler Weise das Schmelzverfahren einzustellen bzw. zu regeln. Ebenfalls ist es möglich, genau den Änderungen der Dicke der verfestigten Schlackenschicht über die Zeit entsprechend den Zonen 4 ^|V zu folgen; in äußerst einfacher Weise wird es möglich, beispielsweise für eine gegebene Kühlmittelströmung und für ein gegebenes vergossenes Metall festzulegen, daß der Wärmeaustausch niemals unter einen vorgegebenen Wert fällt, wenn ein Produkt mit zufriedenstellenden Eigenschaften erhalten werden soll.

Änderungen und Abänderungen liegen im Rahmen der Erfindung; Anwendung auf andere Gebiete,wie beispielsweise das Stranggießen, sind im Rahmen der Erfindung möglich.

- Ansprüche -

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Claims

G 53

- 8 ANSPRÜCHE

^v !U/Verfahren zum Regeln des Elektroschlackenumschmelzens von Metallen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein schraubenförmiger oder spiralförmiger zylindrischer Weg für das Kühlmittel im Kühlmantel der Blockform hergestellt wird, wobei der Kühlmittelstrom in jedem dieser Wege bekannt ist; daß die vom Kühlmittelangenommene Temperatur in jeder Windung dieses Weges gemessen wird; daß der Wärmegradient zwischen einer Windung und den benachbarten gemessen wird und daß die Windung um Windung zwischen der Blockform und dem Kühlmittel ausgetauschte Wärmemenge ermittelt wird; und daß der Verlauf, insbesondere das Profil, dieses Wärmeaustausches Augenblick um Augenblick längs der gesamten Blockform bestimmt wird.
2. Vorrichtung vom Blockformtyp mit Kühlmantel zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlmantel wenigstens eine zylindrische schraubenförmige Bahn hergestellt wird, der Mantel transversal mittels eines zylindrischen schraubenförmigen oder spiralartigen Umlenkbleches in Zonen unterteilt wird, deren Längsabmessungen kleiner als 1/10 der Blockformlänge sind, wobei ein Thermoelement in jede dieser Zonen eingeführt ist.

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