DE2813716C2 - Verfahren zum Elektroschlackegießen von Metallblöcken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zürn Elektroschlackegießen von Metallblöcken, das ein Anmachen eines Schlackenbades in einer gekühlten Kokille und Erhitzen mittels unverzehrbarer Elektroden sowie ein Eingießen des schmelzflüssigen Metalls in die Kokille in Teilmengen durch die Schicht schmelzflüssiger Schlacke nach der Kristallisation des Metalls jeder vorhergehenden Teilmenge um mehr als die Hälfte umfaßt.

Bei einem Verfahren dieser Art, wie es beispicls /eise aus der US-PS 38 07 486 bekannt ist, erfolgt das Gießen der Metallblöcke zur Erzielung eines besseren Struktur portionsweise mit gleichen Teilmengen, wobei die Masse jeder Teilmenge 5 bis 25% des herzustellenden Metallblocks beträgt. Nach dem Eingießen der Teilmenge wird eine Elektroschlackebeheizung des Metallspiegels mit einer elektrischen Leistung durchgeführt, die den Metallspiegel über den ganzen Querschnitt der Kokille in schmelzflüssigem Zustand hält. Auf diese Weise erstarrt das eingegossene Metall allmählich von unten nach oben, wobei ebenso wie bei dem aus der AT-PS 3 30 380 bekannten Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger Metallblöcke /.um Zeitpunkt der nächstfolgenden Teilmenge unter der Schicht der schmel/.flüssigen Schlacke ein nichterstr>rrter Teil von Metall der vorigen Teilmenge verblieben ist. Das schmelzflüssige Metall der nächstfolgenden Teilmenge wird in die Kokille eingegossen, wo es sich mit dem Rest des Echmelzflüssigen Metalls der vorherigen Teilmenge vermischt. Dabei ist die Verschiebung der Kristallisa* tionsform nach dem Eingießen der zweiten und nächstfolgenden Teilmengen hauptsächlich von unten nach oben gerichtet.

Eine Prüfung der nach dem gattungsgemäßen Verfahren hergestellten Metallblöcke hat gezeigt, daß ίο sofern keine Mehrschichtenstruktur durch Verwendung unterschiedlicher Metalle beabsichtigt war, das pLysikalisch-chemische Gefüge über das gesamte Volumen verhältnismäßig homogen ist und Fehler, wie Lunkerbildung und AuEseigerung sogar im Kern praktisch ausbleiben. Diese Technologie ermöglicht es, Metallblöcke von über 300 t mit einem Stahlschmelzaggregat nrt verhältnismäßig geringem Inhalt (beispielsweise von 30 bis 50 t) zu erzeugen. Infolge der Zusammenwirkung mit der schmelzflüssigen Schlacke wird das Metall gleichzeitig von nichtmetallischen Beimengen gereinigt, was sich auch vorteilhaft auf die mechanischen Eigenschaften des Metallblockes auswirkt.

Neben diesen unverkennbaren Vorteilen haben diese Verfahren jedoch den Nachteil einer beschränkten Leistung. Bei den verhältnismäßig geringen Massen der gleichen Teilmengen (5 bis 25% der Gesamtmasse des herzustellenden Metallblocks) ist eine bedeutende Anzahl von Eingüssen erforderlich. Versuche, die Leistung durch eine Vergrößerung der Masse der Teilmengen auf über 25% der Gesamtmasse des Metallblocks zu erhöhen, sind erfolglos geblieben. Schon im Bereich der zweiten und der dritten Teilmenge wurden nach dem Erstarren des Metallblokkes Seigerungsstellen und Fehler festgestellt, die auf Inhomogenität des Gußgefüges zurückgeführt werden können. Die Hauptursache ihrer Bildung war die durch die Verminderung der Wärmeabzufuhr zum Untersatz beim Wachstum des Metallblocks und die intensive Wärmeabfuhr durch die Kokillenwand praktisch am größten Teil der Teilmengenhöhe verursachte Änderung der Richtung des vorhersehenden Fortschreitens der Kristallisationsfront. Von der zweiten Teilmenge ab hat die Kristallisation im wesentlichen denselben Charakter wie beim gewöhnlichen einmaligen Gießen eines Metallblocks.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Elektroschlackegießen von Metallblökken anzugeben, das eine Steigerung der Leistung mit vergrößerter Teilmengenmasse ermöglicht und zugleich eine aufwärts gerichtete Kristallisation des Mctallblokkes gewährleistet.

Dies wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Gattung erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß als erste Teilmenge 30 bis 50% der Gesamtmasse des Metallblocks und als folgende Teilmengen jeweils 10 bis 50% der ersten Teilmenge in die Kokille eingegossen werden.

Beim Eingießen der ersten Teilmenge des Metalls, deren Masse sogar 50% der Gesamtmasse des Metallblocks ausmachen kann, bekommt man infolge einer intensiven Wärmeabfuhr zum Untersatz hin eine Entwicklung der Kristallisation vom Bodenteil der Kokille aus. Die Verminderung der Masse des /weiten und der nächstfolgenden Eingüsse bei Wärme- Vi zufuhr zum Schlackenbad gestattet es, die Geschwindigkeit der Kristallisation von den Wänden der Kokille zu verringern und ein vorherrschendes Wachstum von Kristallen vom Bodenteil aus zu gewährleisten. Die

angeführten EinflußgröBen tragen zur Steigerung der Produktivität des Prozesses praktisch ohne Verschlechterung der Qualität bei.

Zur Verbesserung der Qualität des Metallblockes ist es zweckmäßig, wenn die der ersten Teilmenge folgenden Teilmengen im Vergleich zu der jeweils vorhergehenden Teilmenge fortlaufend verringert werden.

Es ist vorteilhaft, wenn dabei die auf die zweite Teilmenge folgenden Teilmengen jeweils 50 bis 90% der vorhergehenden Teilmenge ausmachen.

Es ist ferner aus technologischen Gründen zweckmäßig, wenn die erste Teilmenge 30% der Gesamtmasse des Metallbiockes und die auf die zweite Teilmenge folgenden Teilmengen jeweils 90% der vorhergehenden Teilmenge ausmachen.

Gemäß einer anderen Durchführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, daß die erste Teilmenge 50% der Gesamtmasse des Metallblockes und die folgenden Teilmengen jeweils 50% der vorhergehenden Teilmenge ausmachen.

Gemäß einer anderen Durchführungsvariante ist vorgesehen, daß die erste Teilmenge 40% der Gesamtmasse des Metallblockes und die auf die zweite Teilmenge folgenden Teilmengen jeweils 77% der vorhergehenden Teilmenge ausmachen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; in diesen zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch die gekühlte Kokille mit in diese eingeführten Elektroden in Seitenansicht;

F i g. 2 eine gekühlte Kokille mit an eine Stromversorgungsquelle angeschlossenen Elektroden;

Fig.3 eine gekühlte Kokille mit Elektroden beim Schlackenbadanmachen gemäß der Erfindung;

F i g. 4 die Stellung der Elektroden und des Zentralrohrs beim Eingießen der ersten Teilmenge des schmelzflüssigen Metalls in die gekühlte Kokille durch eine Schicht schmelzflüssiger Schlacke gemäß der Erfindung;

Fig.5 die Stellung der Elektroden nach dem Eingießen der srsten Teilmenge des schmelzflüssigen Metalls bei andeutender Darstellung des Kristallisationsvorganges hauptsächlich vom Bodenteil der Kokille gemäß der Erfindung;

F i g. 6 den Vorgang des Eingießens der zweiten Teilmenge des schmelzflüssigen Metalls in die Kokille durch eine Schicht des schmelzflüssiger Metalls gemäß der Erfindung;

F i g. 7 die Stellung der Elektroden nach dem Eingießen sämtlicher Teilmengen des schmelzflüssigen Metalls in die Kokille zur Beseitigung eines Lunkers und

F i g. 8 das Gefüge eines erfingungsgemäß hergestellten Metallblorks.

Beim Herstellen von Metallblöcken gemäß der Erfindung wird eine auf einem Untersatz 1 angeordnete gekühlte Kokille 2 benutzt, die einen Wassermantel 3 besitzt, wie es in Fig. I dargestellt ist. Auf dem Untersalz 1 liegt eine Anfahr- oder Keimscheibe 4 aus einem Metall, dessen Zusammensetzung der des Metalls des herzustellenden Metallblockes nahezu gleich ist. In die Kokille 2 sind als unverzehrbare Elektroden Graphitelektroden 5 eingeführt, deren Anzahl ein ganzzahliges Vielfaches von drei darstellt. Die Elektroden 5 sind an eine Drehstromquelle 6 mit Industriefrequenz angeschlossen und auf dem Umfang des Querschnittes der Kokille 2 gleichmäßig verteilt, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.

Das Verfahren zLm ElektroschlackegieQen von Metallblöcken wird wie folgt durchgeführt.

Die Elektroden 5 werden soweit herabgesenkt, bis ihre unteren Enden die Keimscheibe 4 berühren. In die Kokille 2 wi^rd Schlacke, die eine hohe Raffinationsfähigkeit aufweist, bzw. ein Gemisch aus Einsatzgutkomponenten einer derartigen Schlacke eingeschüttet. Von der Drehstromquelle 6 wird den Elektroden 5 Strom zugeführt, wobei die Stromstärke 10 000 bis 20 000 A ίο und die Spannung 50 bis 90 V beträgt. Dabei entsteht in der Kokille eine Schicht schmelzflüssiger Schlacke, und ein Schlackenbad 7 wird angemacht, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Sodann wird die entstandene Schicht eier schmelzflüssigen Schlacke durch die Elektroden 5 ununterbrochen beheizt. Das Anmachen des Schlackenbades 7 kann auch auf eine andere Weise erfolgen, beispielsweise durch Eingießen einer speziell geschmolzenen flüssigen Schlacke in die Kokille 2. An der Wand der Kokille 2 und auch im Zwischenraum zwischen der Scheibe 4 und der Wand der Kokille 2 wird ein Schlackenansatz 8 gebildet. Die Höhe des Schlackenansatzes ist gleich dem Stand des Schlackenbades 7 in der Kokille 2.

Nach dem Anmachen des SchlackenDac.es 7 erfolgt das Eingießen des schmelzflüssigen Metalls in Teilmengen. Die erste Teilmenge (F i g. 4) des schmelzflüssigen Metalls wird in die Kokille 2 durch eine Schient schmelzflüssiger Schlacke 7 eingegossen. Beim Füllen der Kokille 2 werden die Elektroden allmählich aufwärts verstellt, wobei ihre Enden im Schlackenbad 7 gehalten werden, wie es in Fig.4 gezeigt ist. Das Eingießen der ersten Teilmenge 9 des sciimelzflüssigen Metalls wird erfindungsgemäß unterbrochen, wenn deren Masse 30 bis 50% der Gesamtmasse des herzustellenden Metallblockes beträgt. Nach der Beendigung des Eingie3ens der ersten Teilmenge des Metalls wird das Erhitzen des Schlackenbades 7 durch die Elektroden 5 fortgesetzt. Von der Schicht der erhitzten Schlacke 7 wird Wärme auf die oberen Schichten der ersten Teilmenge 9 des schmelzflüssigen Metalls übertragen. Zugleich kristallisiert infolge einer intensiven Wärmeabfuhr durch den Untersatz 1 das schmelzflüssige Metall an der Oberfläche der Keimscheibe 4 und an der Wand der Kühlkokille 2. Dabei erfolgt ein vorherrschendes Wachstum von Kristallen vom Untersatz der Kokille 2 aus, wie es in F i g. 5 gezeigt ist.

Nach der Kristallisation des Metalls der ersten Teilmenge um mehr als die Hälfte wird durch die Schicht der schmelzflüssigen Schlacke die zweite Teilmenge des Metalls eingegossen, wie es in Fig.6 gezeigt ist. Beim Eingießen der zweiten Teilmenge des schmelzflüssigen Metalls erfolgt seine Durchmischung mit dem noch nicht kristallisierten Metall der ersten Teilmenge 9, was zum Ausgleich der Zusammensetzung des zu formenden Metallblockes führt. Das Eingießen der zweiten Teilmenge des Metalls wird so lange durchgeführt, bis deren Masse erfindungsgemäß 10 bis 50% der Masse der ersten Teilmenge 9 ausmacht. Je nach dem Wachstum der Metallblöcke verschlechtert sich die Wärmeabfuhr vom schmelzflüssigen Metall zum Untersatz 1 hin. Unte^r diesen Umständen wird durch die Abnahme der Masse der zweiten Teilmenge des Metalls und die Wärmezufuhr zum Schlackenbad hin die Geschwindigkeit der Kristallisation von den Wanden der Kokille 2 bedeutend vermindert und ein vorherrschendes Wachstum von Kristallen vom Bodenteil aus durch die Erfindung ge ,vährleistet.

Nach der Kristallisation des Metalls der zweiten

Teilmenge um mehr nls die Hälfte wird durch die Schicht der schmelzflüssigen Schlacke die dritte Teilmenge des Metalls eingegossen, deren Masse der Masse der zweiten Teilmenge gleich oder geringer als diese ist. Im weiteren werden die Arbeitsgänge zum nächstfolgenden Eingießen des schmelzflüssigen Metalls in Teilmengen auf ähnliche Weise bis zum völligen Formen des Metallblockes durchgeführt. Nach dem Eingießen der letzten Teilmenge des schmelzflüssigen Metalls in die Kokille 2 wird der Lunker beseitigt, indem das Schlackenbad 7 über dem Metallblock 10 durch die Elektroden 5 erhitzt wird, wie es in F i g. 7 gezeigt ist.

Das Gefüge eines gemäß der Erfindung geformten Metallblockes ist in F i g. 8 der Zeichnungen gezeigt, in der auch die Angaben des Prozentverhältnisses der Masse der ersten Teilmenge Mi des Metalls zu der Gesamtmasse des Metallblockes Msowie der Masse der zweiten Teilmenge Sh des Metalls, der dritten Teilmenge Mi und der anderen nächstfolgenden Teilmengen zur Masse der ersten Teilmenge \f\ des Metaiis enthalten sinci

Nachstehend werden Beispiele der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

Beispiel I

Beim Herstellen von großen Schmiedeblöcken mit einer Masse von 2001 wird eine wassergekühlte 6000 mm hohe Kokille mit einem Durchmesser von 2500 mm benutzt. Die Kokille wird auf einem Untersatz angeordnet, auf dem eine Keimscheibe liegt. In die Kokille werden drei bzw. sechs Graphitelektroden bis zur Berührung ihrer unteren Enden mit der Keimscheibe eingeführt. Der Durchmesser jeder Elektrode beträgt von 250 bis 500 mm. In die Kokille wird eine Schlacke bzw. ein Gemisch aus Einsatzgutkomponenten der Schlacke eingeschüttet. Den Elektroden wird ein Strom zugeführt, wobei eine Stromstärke von 10 000 bis 20 000 A und eine Spannung von 50 bis 90 V eingehalten werden. Dabei bildet sich in der Kokille eine Schicht schmelzflüssiger Schlacke, d. h. ein Schlackenbad wird angemacht, das durch die Elektroden ununterbrochen beheizt wird. Nach dem Schlackenbadanmachen wird in die Kokille durch eine Schicht der schmelzflüssigen Schlacke die erste Teilmenge des Metalls eingegossen. Die Masse der ersten Teilmenge beträgt 60 t, d. h. sie mach 30% der Gesamtmasse des herzustellenden Metallblockes aus. Nach dem Eingießen der ersten Teilmenge des Metalls wird die Erwärmung des Schlackenbades durch die Elektroden während 8 bis 15 Stunden fortgesetzt. Nach der Kristallisation des Metalls der ersten Teilmenge um mehr als die Hälfte wird die zweite Teilmenge des schmelzflüssigen Metalls eingegossen. Die Masse der zweiten Teilmenge des Metalls beträgt 20 t, d. h. 33V₃ ¹VO der Masse der ersten Teilmenge. Nach dem Eingießen der zweiten Teilmenge des Metalls wird das Erhitzen des Schlackenbades durch die Elektroden fortgesetzt und nach Verlauf von 3 bis 10 Stunden wird die dritte Teilmenge des schmelzflüssigen Metalls in die Kokille eingegossen. Die Masse der zweiten, der dritten und jeder nächstfolgenden Teilmenge beträgt 201. Nach dem Eingießen der letzten Teilmenge des Metalls wird der Lunker beseitigt. Beim einem solchen Fertigungsablauf können sich Defekte vom Seigerungscharakter sogar in Stählen, die in einem weiten Temperaturbereich kristallisieren, nicht entwikkeln.

Beispiel 2

Das Gießen von 200-t-Schmiedeblöcken aus Stählen, die in einem kleinen Temperaturbereich kristallisieren, wird in ähnlicher Weise durchgeführt, es warden aber dabei folgende Betriebsdaten des Prozesses eingehalten. Die erste Teilmenge des schmelzflüssigen Metalls wird so lange eingegossen, bis ihre Masse 80 t d. h. 40% der Gesamtmasse des herzustellenden Metallblockes

ίο beträgt. Die zweite Teilmenge des Metalls wird nach Verlauf von 6 bis 15 Stunden eingegossen, wenn das Metall der ersten Teilmenge um mehr als die Hälfte kristallisiert ist. Die zweite und die nächstfolgenden Teilmengen des schmelzflüssigen Metalls werden so lange eingegossen, bis die Masse jeweils 20 t ausmacht. Das Intervall zwischen dem Eingießen der Teilmengen beträgt 3 bis 10 Stunden. Bei einem solchen Fertigungsablauf wird eine hohe Gießleistung beim Herstellen großer Metallblöcke aus Stahl, der in einem kleinen Temperaturbereich kristallisiert, gewährleistet. Das völlige ίΌπτ.εη des 200 ; Mclr.üblcckes erfolgt in sieben Gießarbeitsgängen.

Beispiel 3

Ein 200-t-Schmiedeblock wird erfindungsgemäß hergestellt, indem man die erste Teilmenge des Metalls so lange eingießt, bis ihre Masse 50% der Gesamtmasse des herzustellenden Metallblockes, d. h. 100 t erreicht. Das Eingießen der zweiten Teilmenge des Metalls wird unterbrechen, wenn ihre Masse 50% der Masse der ersten Teilmenge erreicht, d. h. 501, während das Eingießen der nächstfolgenden Teilmengen des Metalls durchgeführt wird, indem man die Masse jeder Teilmenge im Vergleich zu der vorigen fortlaufend vermindert. Insbesondere wird das Eingießen der dritten, der vierten und der folgenden Teilmengen mit einem Intervall durchgeführt, das sich fortlaufend von 10 bis 0,5 Std. vermindert, wobei die Masse jeder Teilmenge bis auf 50% der Masse der vorigen Teilmenge herabgeserzt wird.

In diesem Fall werden bei einer verhältnismäßig hohen Leistung (insgesamt 8 Eingüsse) bessere Bedingungen zum Formen des Metallblockes geschaffen, da die Änderung der Masse jeder nächstfolgenden

Teilmenge des Metalls der Änderung der Wärmeabfuhr im Maße des Wachstums des Metallblockes entspricht und für die gerichtete Kristallisation günstig ist.

Beispiel 4

so Ein 200-t-Schmiedeblock wird, wie vorstehend beschrieben, gegossen, nur ist die Dosierung anders. Die erste Teilmenge des schmelzflüssigen Metalis wird in die Kokille so lange eingegossen, bis ihre Masse 30^c,o der Gesamtmasse des herzustellenden Metallblockes ausmacht Die zweite Teilmenge des schmelzflüssigen Metalls wird so lange eingegossen, bis ihre Masse 301, d. h. 50% der Masse der ersten Teilmenge erreicht Die nächstfolgenden Teilmengen des schmelzflüssigen Metalls werden eingegossen, indem man ihre Masse im Vergleich zu der Masse jeder vorigen Teilmenge fortlaufend um 10% vermindert.

Beispiel 5

Ein 200-t-Gußstück wird hergestellt wie vorstehend beschrieben, wobei die gleichen Betriebsdaten eingehalten werden, mit Ausnahme der Dosierung des Metalls, das eingegossen wird Die erste Teilmenge des schmelzflüssigen Metalls wird insbesondere in die

Kokille so lange eingegossen, bis ihre Masse 40% der Gesamtmasse des herzustellenden Metallblockes, d.h. 80 t ausmacht. Die /weite Teilmenge ties sehmclzfliissigen Metalls wird so lange eingegossen, bis ihre Masse 50% der Masser der ersten Teilmenge, d.h. 40t ausmacht. Die der zweiten folgenden Teilmengen des schmelzfliissigen Metalls werden eingegossen, wobei ihre Masse jeweils im Vergleich zu der Masse der jcwej:., vorigen Teilmenge um 23% vermindert wird. Dabei werden die Intervalle zwischen den Eingüssen von 20 bis auf 2 Std. verkürzt. Eine solche Variante der Durchführung des Verfahrens ist zur Gewährleistung einer hohen Leistung und einer guten Qualität von großen Schmiedeblöcken vorteilhaft.

Das vorstehend beschriebene Verfahren zum Elek-

troschlackegießen von Metallblöckcn eröffnet die besten Aussichten für das Herstellen von hochwertigen .Schmiedeblöcken mit einer Masse von über 40 t und bis 350 t, die insbesondere /-im Herstellen von Läufern für Turbinen mit einer Leistung von über einer Million MW in einem Aggregat erforderlich sind. Der wichtigste Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu dem bekannten Stand der Technik besteht darin, daß es eine Steigerung der Leistung des portionsweisen Gießens von Metallblöcken durch Vergrößerung der Masse von Teilmengen des Metalls gewährleistet und es zugleich gestattet, dank der aufwärts gerichteten Kristallisation ein chemisch und kristallinisch homogenes Gcfiigc praktisch über das ganze Volumen des Mctallblockcs zu erreichen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Elektroschlackegießen von Metallblöcken, das ein Anmachen eines Schlackenbades in einer gekühlten Kokille und Erhitzen mittels ur.verzehrbarer Elektroden sowie ein Eingießen des schmelzflüssigen Metalls in die Kokille in Teilmengen durch die Schicht schmelzflüssiger Schlacke nach der Kristallisation des Metalls jeder vorhergehenden Teilmenge um mehr als die Hälfte umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Teilmenge 30 bis 50% der Gesamtmasse des Gußblocks und als folgende Teilmengen jeweils 10 bis 50% der ersten Teilmenge in die Kokille eingegossen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der ersten Teilmenge folgenden Teilmengen im Vergleich zu der jeweils vorhergehenden Teilmenge fortlaufend verringert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die zweite Teilmenge folgenden Teilmengen jeweils 50 bis 90% der vorhergehenden Teilmenge äusrns^hen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teilmenge 30% der Gesamtmasse des Gußblocks und die auf die zweite Teilmenge folgenden Teilmengen jeweils 90% der vorhergehenden Teilmengen ausmachen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teilmenge 50% der Gesamtmasse des Gußblocks und die folgenden Teilmengen jeweils 50% der vorhergehenden Teilmenge ausmachen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teilmenge 40% der Gesamtmasse des Gußblocks und die auf die zweite Teilmenge folgenden Teilmengen jeweils 77% der vorhergehenden Teilmenge ausmachen.