DE2804487A1

DE2804487A1 - Vorrichtung zur zugabe schmelzfluessigen metalls nach dem elektro- schlacke-umschmelzverfahren

Info

Publication number: DE2804487A1
Application number: DE19782804487
Authority: DE
Inventors: Edmondo Marianeschi; Gennaro Versaci
Original assignee: TERNI IND ELETTR
Current assignee: TERNI IND ELETTR
Priority date: 1977-02-04
Filing date: 1978-02-02
Publication date: 1978-08-17
Also published as: SE7801309L; ATA76978A; JPS53102227A; GB1596665A; FR2379338B1; CS209447B2; US4167963A; BE863595A; DD134065A5; JPS6150065B2; AT358751B; IT1077822B; DE2804487C2; FR2379338A1; ES466651A1; SE430573B; RO74994A; PL204170A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zugabe schmelzflüssigen Metalls nach dem Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren (ESR-Verfahren)zu Rohblöcken während deren Verfestigung, um Schrumpfung und Segregation zu kompensieren. Schmelzflüssiger Stahl wird zugegeben, um die Ungleichförmigkeit der Struktur aufgrund von Schrumpfen und Segregation zu eliminieren oder wenigstens zu vermindern.

Hohlräume infolge Schrumpfens werden erzeugt durch Volumenverminderung und durch physikalisch-chemische Umwandlungen, die der Stahl während des Kühlverfahrens erleidet. Diese Hohlräume können von unterschiedlicher Größe sein und mehr oder weniger über die Masse des Blocks verstreut vorkommen; im allgemeinen sind sie lokalisiert im Kopfteil des Blocks; die Hohlräume erscheinen auch auf variierender Tiefe längs dessen vertikaler Achse.

Segregieren erfolgt als Ergebnis von Schwankungen der Lös-1ichkeitstemperatur der Legierungselemente im Eisen, die als Zusätze und/oder als Verunreinigungen vorkommen. Segregation tritt besonders stark beim Übergang aus der flüssigen in die feste Phase auf und sorgt für eine Nicht-Gleichförmigkeit der Konzentration sowohl längs der vertikalen wie der horizontalen Achse des Blocks.

In Praxis werden Seigerungszonen und Schrumpfungshohlräume innerhalb annehmbarer Grenzen dadurch gehalten, daß die Feile des Blocks, in welchen diese Fehler hauptsächlich konzentriert sind (15 bis 30 " abgeschöpftes Blockende)abgeschnitten werden. Diese Fehler bleiben aber in mehr oder weniger großem Ausmaß im verbleibenden Feil des Blocks vorhanden, der anschließend in das Fertigprodukt umgewandelt werden soll und führen so

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zu einem Absinken des Qualitätsstandards und manchmal so~ gar zu Ausschuß. Das kritischste, eine Kontrolle beim Versuch die Nicht-Gleichförmigkeit der Zusammensetzung in einem (Roh)block zu beseitigen erfordernde Legierungselement ist Kohlenstoff.

Verschiedene Verfahren wurden in den letzten Jahren entwickelt, um die Einflüsse dieser Erscheinungen möglichst herabzusetzen und um die hauptsächlich von der Erstarrungsstruktur abhängenden Probleme anzugehen. Insbesondere wurde nach den enttäuschenden Ergebnissen der sog. exothermen Hot-Tops vorgeschlagen, die Form während der Verfestigung des (Roh)blocks mit zusätzlichem schmelzflüssigen Stahl, der einen niedrigen Anteil an Kohlenstoff und an anderen leichter seigernden Elementen (d.h. Kohlenstoff und Schwefel) aufweist "aufzutoppen". Das Ziel war_t den schmelzflüssigen Stahl zu verdünnen und die Konzentration der beiden am stärksten zu Seigerung (Segregation) neigenden Elementen (das ist Kohlenstoff und Schwefel) herabzusetzen.

In den ersten Anwendungsfällen ("hot-topping", "afterp.ouring", etc.) erfolgten Zusätze an schmelzflüssigem Stahl in Zeitintervallen während der (Roh)blockverfestigung, wobei das notwendige "Auftopmetall" (topping-up metal) aus einem schmelzflüssigen Bad bei kontrollierter spezifischer Zusammensetzung entnommen wurde. Hauptnachteil dieses Verfahrens war, daß eine feste Schicht aus Oxidationsprodukten sich auf dem offenen Ende des (Roh)blocks während des langen Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Auftopvorgängen bildete. Die Entfernung dieser Schicht vor dem Vergießen des nächsten Zusatzes an Stahl erwies sich als äußerst schwieriger Vorgang, begleitet von unvermeidlichen Rührerscheinungen und von der Gefahr, daß der (Roh)block durch nicht-metallische Einschüsse verunreinigt wurde.

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Es zeigte sich, daß das Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren (ESR) brauchbar war, da es für einen kontinuierlichen Zufluß flüssigen Stahls zum Zwecke des "hot-topping", und dies bei verstärkter Möglichkeit einer Kontrolle sowohl hinsichtlich der Schrumpfung wie hinsichtlich der Seigerung lieferte.

Zufriedenstellende Ergebnisse wurden mit dem ESR in diesem Zusammenhang bis heute erhalten; gewisse negative Begleiterscheinungen traten jedoch auf, die ungelöst blieben. Einige dieser Nachteile waren auf die Tatsache zurückzuführen, daß der elektrische, notwendigen Strom liefernde Kreis, zwischen der sich gegebenenfalls verbrauchenden Elektrode und der Basis der Form hergestellt wurde. Das Ergebnis war ein Stromfluß durch das Schmelzbad; das zugeordnete elektromagnetische Feld baut turbulente Strömungen innerhalb des flüssigen Metalls auf, welche die Verfestigungsfront durchbrechen können und Schlacke und feuerfeste Partikel in den (Roh)block mitreißen.

Bei dieser Schaltkreisbauart sind Länge und Kompliziertheit des elektrischen Weges oft erheblich aufgrund der ungünstigen geometrischen Abmessungen des Systems und aufgrund der oft erheblichen Größe der (Roh)blöcke. Der Schaltkreis hat daher eine hohe Impedanz, bringt eine beachtliche Phasenverschiebung mit sich, wodurch somit die Leistungsfähigkeit des Systems herabgesetzt, die Kosten für die Stromzuführung erhöht und notwendigerweise eine Überdimensionierung in Kauf zu nehmen ist.

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Die Erfindung richtet sich auf die Entwicklung einer einfachen robusten Vorrichtung, durch die solche negativen Beglei-terscheingungen beseitigt oder erheblich vermindert werden.

Erreicht wird dies überraschend durch eine neuartige Elektrodenanordnung, die aus einem Paar von Elektroden bestehen, über welche der elektrische Kreis geschlossen wird. Eine der Elektroden ist von an sich bekannter Bauart (zylindrische Gestalt); die andere besteht aus einem röhrenförmigen koaxial auf der ersten angebrachten Gehäuse und belässt einen geeigneten Zwischenraum zwischen den beiden.

Bei beiden Elektroden kann es sich entweder um sich verbrauchende oder nicht verbrauchende, gegebenenfalls wassergekühlte Elektroden handeln; vorzugsweise jedoch ist nur die mittige Elektrode vom sich verbrauchenden Typ.

Diese neue Elektrodenbauart hat einen Hauptvorteil: sie beschränkt den Fluß des elektrischen Stroms auf die Schicht leitfähiger Schlacke; höchstens werden die obersten Schichten des darunter befindlichen Bades geschmolzenen Metalls in den elektrischen Weg eingeschlossen. Das der Elektrodengruppe zugeordnete Kontrol!system ermöglicht eine sehr genaue Steuerung der vom Strom innerhalb des schmelzflüssigen Metalls hervorgerufenen Rührströme.

Es ergeben sich aber noch weitere nicht weniger wichtige Vorteile. Beispielsweise fällt die gesamte gesonderte Schlackenschmelzeinrichtung zusammen mit der Notwendigkeit fort, die feste Schlacke oben auf das Metallbad während der Anlaufvorgänge aufzubringen.

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Zunächst wird das untere Ende der zweiten Elektrode (das ist das röhrenförmige Gehäuse) abgeschirmt, beispielsweise indem ein Blechmetallflansch angeschweißt und so ein Behälter für die feste Schlacke (pulverförmig oder von geeigneter Abmessung) erzeugt wird.

Die erste Elektrode wird dann in die zweite Elektrode eingeführt, der Zwischenraum zwischen den beiden wird auch mit dem Ausgleich gegebenenfalls fester Schlacke gefüllt. Auf diese Weise kann die vollständige Elektrodenanordnung vorgefertigt und in der Form oberhalb des schmelzflüssigen Bades positioniert werden, und ist arbeitsbereit.

Wird der Strom eingeschaltet, so kann die Schlacke und der Blechmetallflansch schmelzen und die geschmolzene Schlacke fliesst oben auf das Schmelzbad, wonach die Zuführung neuen schmelzflüssigen Metalls an den (Roh)block ausgelöst werden kann, um so eine Kompensation für Schrumpfung und Seigerung herbeizuführen.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert werden, die einen Querschnitt durch die Elektrodenanordnung in der Blockform zeigt.

Im wesentlichen besteht die Maßnahme nach der Erfindung aus einer Elektrode I, die mittig bezüglich der Blockform 2 angeordnet ist. Die zweite Elektrode 3 besteht aus einem röhrenförmigen Gehäuse, das koaxial bezüglich der ersten Elektrode angeordnet ist.

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Im Falle sehr großer Blöcke oder Vorblöcke (rechteckiger Querschnitt, wobei die eine Seite wesentlich langer als die andere ist) kann die Elektrode 1 durch zwei oder mehr Elektroden ersetzt sein, die sämtlich mit dem gleichen Anschluß der Stromquelle verbunden sind. Die hohle Elektrode 3 kann in den Abmessungen so sein, daß sie zur Geometrie des (Roh)-blocks passt.

Sowohl die mittige Elektrode 1 wie die röhrenförmige Elektrode 3 können von sich verbrauchender oder nicht-verbrauchender Bauart sein; beim letztgenannten Fall können die Elektroden entweder aus Graphit oder aus wassergekühltem Metall bestehen. Wenn beide Elektroden vom sich nichtverbrauchenden Typ sind, werden sie offensichtlich nur verwendet, um Wärmeenergie an das schmelzflüssige Bad abzugeben, während das zum "Auftoppen" (topping-up) verwendete Metall gesondert entweder in gepulverter Form oder einfach als schmelzflüssiges Metall zugegeben wird. Wenn dagegen beide Elektroden vom sich verbrauchenden Typ sind, so können ihre chemischen Zusammensetzungen so gewählt werden, daß das in die Blockform eintretende flüssige Metall im Mittel die genaue gewünschte Zusammensetzung aufweist.

Auf jeden Fall muß unabhängig von Zahl und Typ der verwendeten Elektroden die mittige Elektrode (oder Elektroden) 1 immer mit einer Klemme und die röhrenförmige Elektrode 3 mit der gegenüberliegenden Klemme der Stromzuführung 4 verbunden sein.

Wird Strom eingeschaltet, so fliesst der Strom von einer

Elektrode zu anderen über das Schlackenbad 5 oder höchstens

über das Schlackenbad und die obersten Schichten des schmelzflüssigen Bades 6.

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Durch Einstellen der Tiefe (die die Elektroden in das Bad tauchen),wird es möglich, die Stromzuführung zu steuern und die zirkulierenden innerhalb des schmelzflüssigen Bades durch den Stromfluß zwischen den Elektroden aufgebauten Ströme zu kontrollieren.

Als zusätzlicher Vorteil dieser Teillösung ergibt sich, daß die elektrische Impedanz des Systems praktisch während des Arbeitens konstant bleibt, da die Geometrie und die Charakteristiken des elektrischen Kreises sehr begrenzte Veränderungen erleiden. Dies ist äußerst wirksam, wenn ein hoher Grad der Steuerung sichergestellt werden soll. Als Ergebnis kann man (i) die Verteilung der Legierungselemente innerhalb des Körpers des (Roh)blocks optimieren und somit gegenüber Seigerungserscheinungen freier werden; (ii) gleichzeitig für die Entfernung nicht-metallischer Einschlüsse, beispielsweise Schlackenpartikel, vom schmelzflüssigen Bad sorgen und die optimale Verfestigungsfront herstellen, und die Bildung von Hohlräumen und Porosität innerhalb des Rohblocks verhindern.

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Claims

Rom, Italien Vorrichtung zur Zugabe schmelzflüssigen Metalls nach dem Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren PATENTANSPRUCH

1. Vorrichtung zur Zugabe schmelzflüssigen Metalls nach dem Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren (ESR) zu Rohblöcken während deren Verfestigung, zum Kompensieren von Schrumpfung und Seigerung, gekennzeichnet durch eine Elektrodenanordnung mit wenigstens einer Hauptelektrode (1) und einer um die Hauptelektrode (I) angeordneten, zu ihr koaxialen hohlen Sekundärelektrode (3) in Form eines länglichen Rohres, mit einem Zwischenraum zwischen den beiden (1; 3) und durch einen über Sekundärelektrode (3) und Stromquelle (1·) sich schließenden elektrischen Kreis.

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