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Verfahren zum Elektroschlackeumschmelzen von Metallen
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Elektrometallurgie
und betrifft insbesondere Verfahren zum Elektroschlackeumschmelzen von Metallen.
Die Erfindung kann in Anlagen zur vc Herstellung von Blöcken durch Elektroschlackeumschmelzen
sowohl einer einzigen Abschmelzelektrode als auch einer Abschmelzelektroden oder
einiger gruppen von Abschmelzelektroden verwendet werden.
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Es ist bekannt, daß die Abschmelzgeschwindigkeit der Abschmel elektrode
und damit auch die AufschmelzgeschwindiOkeit des Blockes von der Energiehöhe im
Schlackenbad abhängt. Je größer der Strom und die Spannung sind, desto größer ist
die Aurschmol Jedoch geschwindigkeit des Blockes. nimmt der Stromverbrauch mit der
Vergrößerung der Aufschmelzgeschwindigkeit des Blockes auch zu. Zur Herabsetzung
dos stromverbrauchs bei vorgegebener AufschmelzUeschw indi;keit des Blockes während
des Elektroschlak keumschmelzvorganges wird ein Verfahren der Einwirkung eines
elektromagnetischen
Mittels auf das Schlacke und Metallbad verwendet, demzufolge die Schmelzgeschwindigkeit
der Abschmelzelektrode bei demselben Stromverbrauch, wie auch ohne diese Einwirkung
beschleunigt wird. Als elektromagnetisches Mittel werden für die Durchführung dieses
Verfahrens Induktionsspulen verwendet, die außerhalb der Kokille, wie in der GB-PS
1335383 beschrieben , angeordnet werden.
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Titer sind Elekt roschlackeums chme Izverfahren beverstärktes kannt,
bei deren Durchführung Abschmelzen der Abschmelzelektrode ohne Vergrößerung des
Stromverbrauchs durch zusätzliches Verschieben der Abschmelzelektrode in der Schlacke,
während ung doren Absenk im Laufe des Abschmelzens erreicht wird. Diese zusätzliche
Bewegung kann drehend um die Achse der Elektrode oder schwingend in senkrechter
(US-PS 3565994) oder in waagerechter Richtung (GB-PS 1202192) erfolgen. Die Elektrode
kann auch. einer geschlossenen Bahn in waagerechter oder senkrechter Ebene bewegt
werden0 Zu demgleichen Zweck wird die Leistung durch Änderung des Spannungs- und
Stromwertes nach bestimmten Zeitabständen moduliert, wie dies in der GB-PS 1188028
offenbart ist.
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Zur Durchführung der erwähnten Verfahren sind verhältnismäßig komplizierte
Einrichtungen vonnöten, welche eine Verteuerung der Ausrüstung und des Elektroschlackeumschmelzvorganges
von Abe3chmelzelektroden im ganzen zur Folge haben.
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Aus der US-PS 3776294 ist ein Verfahren zum Elektroschlackeumscbmelzen
von
Metallen bekannt, welches darin besteht, daß ein Gas oder ein gasgemisch ins Schlackenbad
während des Schmelzens von einer oder einigen Elektroden eingeblasen wird. Nach
diesem Verfahren wird das Gas odor dus Gasgemisch in die dünnflüssige Schlacke so
eingeblasen, daß dieses Gas in Form von Blasen durch die dünnflüssige Schlacke entweicht,
wodurch die Raffinierung des Metalls verbessert wird Nach dem erwähnten erfahren
kann das Gas auch als ein Strahl eingeblasen werden, welcher zur Kokillenwand unter
einem Winkel, der vom rechten Winkel abweicht, gerichtet ist, wobei dadurch eine
Kreislaufbewegung der Schlacke um die elektrode oder Elektroden erzeugt und dadurch
der Nutzeffekt der Wechselwirkung der Schlacke und des Metalls erhöht werden.
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Die Geschwindigkeit einer derartigen Bewegung der Schlacke in der
Elektrodenzone ist aber mit der der der konvektiven Bewegung vergleichbar und übt
keinen merklichen Einfluß auf die Abschmelzgeschwindigkeit der elektrode und auf
die Verminderung des Energieverbrauchs bei vorgegbener Aufschmelzgeschwindigkeit
des Blockes aus, mehreren Beim Elektroschlackeumschmelzen von Abschmelzelektrodenmit
unterschiedlichem querschnitt nach den be-Kannten Verfahren unterscheiden sich die
Abschmelzgeschwindigkeiten dieser Elektroden erheblich voneinander, insbesondere
in denen den Fällen, in diese elektroden an ungleichnamige Pole der Stromquelle
angeschlossen sind. Dies verschlechtert den J?£I'---'-nierungsgrad
des
Metalls. Die Anwendung von elektrotechnischen Mitteln, wie z. 3. einer Ausgleichsleitung,
die einen Untorsatz mit dem Mittelanschluß der Sekundärwicklung eines Transformators
verbindet, ist für den Ausgleich der Schmelzgeschwindigkeiten der Elektroden von
unterschiedlichem Querschnitt ungenügend wirksam.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Elektroschlackeumschmelzen
von Metallen zu schaffen, das es ermöglicht, den Stromverbrauch durch Änderung der
Abschmelzgeschwindigkeit des Metalls bei vorgegebenar Auf schmelzgeschwin digkeit
herabzusetzen und bei Verwendung von zwei oder mehreren Elektroden deren gleichmäßiges
Abschmelzen zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren zum Elektroschlackeumschmelzen
von Metallen welches in dem Einschmelzen von mindestens einer Abschmelzelektrode
in dünnflüssiger elektrisch leitender Schlacke und in dem Einblasen eines Gases
in die erwähnte Schlacke besteht, erfindungsgemäß das Gas in die Schlacke in mindestens
einem auf Strahl, der den in die Schlacke eingetauchten Teil der .bschmelzelektrode
gerichtet ist, eingeblasen wird zur Erzeugung eines Schlackenstromes, welcher diesen
Teil der Abschmelzelektrode umströmt und dessen Abschmelzung beschleunigt.
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Während des Einblasens eines Gases, z. B. von argon oder Stickstoff
in die dünnflüssige Schlacke in einem Strahl, der auf den in die Schlacke eietauchten
Teil der Abschmelzelektrode
gerichtet ist, wird die energie des
Gasstrahles für die Der mischung der dünnflüssigen Schlacke und Erzeugung von Strömon
in der Schlacke verbraucht, Durch diese Ströme wird dio Goschwindigkeit des Wärmetransports
in der dünnflüssigen Schlacke erhöht, Eine in die Zone des intensiven Kreislauf
der dünnflüssigen Schlacke eingetauchte elektrode schmilzt schneller ab. Durch eine
intensive gerichtete Einwirkung der Schlacke ströme oder der Gas-Schlacken-Mischung
kann der Stromverbrauch an elektrischer Energie bei vorgegebener Aufschmelzgeschwindigkeit
des Blockes vermindert bzw. die Schmelzgeschwindigkeit herabgesetzt werden, ohne
die Oberflächenbeschaffenheit des Blockes zu verschlechtern, und bei der Anwendung
von zwei oder mehreren Elektroden kann deren gleichmäßiges Abschmelzen gewährleistet
werden.
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Versuchsweise ist festgestellt worden, daß die Geschwindiukeit des
Gasstrahles am Düsenaustritt zum Erzeugen eines solchen Schlackenstroms vorzugsweise
mindestens 0,5 ins Je Millimeter Abstand von der Düse bis zur Elektrode betragen
soll. Bei geringer Gasgeschwindigkeit gelangt der durch den Gasstrahl erzeugte Schlackenstrom<>zur
Abschmolzelektrode<nicht>und beschleunigt also ihr Abachmelzen auch nicht,
Die obere Grenzoeschwindiskeit des Gases hat keino wesentliche Bedeutung und wird
in Abhängigkeit von der orforderlichen Abschmelzgeschwindigkeit der Elektrode gewählt,
vorausgesetzt, daß der Umschmelzvorgang stabil vor sich geht.
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Beim Elektroschlackeumschmelzon von zwei und mehreren Abscbmolzelektroden
kann eine Unleichheit der Abschmelzgeschwindiskeiten von Elektroden entstehen.
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Beim Auftreten einer solchen Ungleichheit, welche m-it einer unterschiedlichen
Eintauchtiefe der Elektroden ins Schlackensich bad verbunden ist, kann ein Teil
der Elektroden letzten Endes kurzmit dem Metallbad schließen, wodurch deren Abschmelzen
unterbrochen wird.
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Zur Beseitigung der Ungleichheit im Schmelzen von mindestens zwei
Abschmelzelektroden oder von mindestens zwei Gruppen von Abschmelzelektroden wird
das Gas in die dünnflüssige Schlacke auf gleichzeitig in Richtung bede einzelne
Abschmelzelektrode oder jede Gruppe von Elektroden eingeblasen, wobei das Gas in
einer größeren Menge in Richtung einer Elektrode oder einer Gruppe von 3lektroden,
die in die Schlacke tiefer eingetaucht sind, und proportional zu ihrer ijintauchtiefe
eingeblasen wird.
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Experimentell ist festgestellt worden, daß die Differenz der auf
die in Richtung elektroden mit verschiedener Ein tauchtiefe einzublasenden Gasmengen
vorzugsweise mindestens gleich 1% von dem vorgegebenen Verbrauch je Millimeter Eintauchtiefendifferenz
der Elektroden einzustellen ist.
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Besonders gut kann die zu der Elektrodeneintauchtiefe proportionale
Gasmenge mit hilfe eines für diesen Zweck geeigneten Mengenreglers automatisch aufrechterhalten
werden.
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Zur Verminderung des Gasverbrauchs bei der Durchführung des Verfahrens
kann das ua8 in die dünnflüssige Schlacke als diskontinuierlicher oder pulsierender
Strahl mit einer Impuledauer von 0,02 bis 2 min eingeblasen werden.
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Die Grenzen der Impulsdauer der Gaszuführung sind aus erfahrungsgemäßen
Überlegungen bestimmt, die eine Vermeidung der Verwendung von komplizierten und
kostspieligen Ausrüstungen zur Durchführung einer diskontinuierlichen Gaszufuhr
zum Ziel haben, da eine Verkürzung der Impulsdauer unter 0,02 min die 5auliche Gestaltung
der Einrichtung zum Einblasen des Gases in die Schlacke kompliziert macht, während
eine Verlängerung der Impulsdauer über 2 min die Wirksamkeit des Durchblasens vermindert.
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Die diskontinuierliche oder pulsierende Gaszufuhr kann nach einem
beliebigen Verbrauchsdiagramm erfolgen, jedoch ist ein Gasverbrauch vorheilhaft,
bei welchem das Gas impulsförmig mit gleicher lmpulsdauer und Intervallen der gleichen
Dauer eingeblasen wird.
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Die pulsierende Gaszufuhr, wie auch die Modulation der elektrischen
Leistung gestattet es, die Abschmelzgeschwindigkeit der elektroden herabzusetzen,
ohne die Oberflächenbeschaffnheit der Blöcke zu verschlechtern.
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Zur gleichmäßigeren Wärmeverteilung im Schlackenbad beim Schmelzen
von mindestens zwei Abschmelzelektroden oder zwei Gruppen von Abschmelzelektroden
ist es zweckmäßig, die Gasimpulse so zu verschieben, daß die maximale Gasmenge,
die in die
auf den Schlacke in Richtung in die Schlacke eingetauchten
Teil der Elektrode oder einer kruppe von Elektroden eingeblasen wird, mit der minimalen
(oder Null-) Gasmenge, die in die auf den Schlacke in Richtung in die Schlacke eingetauchten
Tei) der benachbarten elektrode oder der benachbarten Gruppe von Elektropen eingeblasen
wird, zusammenfällt.
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Zum Erzielen eines maximalen Nutzeffektes bei Durchführung des Verfahrens
ist es . zweckmäßig, das Gas in die in Schlacke in Richtung jede einzelne Abschmelzelektrode
mindestens einem Strahl be 100 mm Breite oder Durchmesser dieser Elektrode einzublasen.
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liachstehend wird das erfindungsgemäße verfahren an Hand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen eingehend erläutert; es zeigt
Fig. 1 eine t;inrichtung zum Elektroschlackeumschmelzen von Darstellung Metallen
in schematischer in der vier Abschmelzelektroden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
umgeschmolzen werden; auf die Fig. 2 eine Draufsicht in Fi. 1 abgebildete Einrichtung
Da das erfindungsgemäße Verfahren am erfolgreichsten in Mehrelektrodenöfen zum Elektroschlackeumschmelzen
von Metallen verwendet werden kann, ist nachstehend ein Ausführungsbeispiel dieses
verfahrens an einem Ofen erläutert, in dem vier Elektroden umgeschmolzen werden.
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1?iö. 1 zeigt einen Ofen zum Elektroschlackeumschmelzen von
Metallen
schematisch -, welcher eine bewegbare Kokille 1 mit rechteckigem Querschnitt enthält,die
sich im Anfangsbetriebsstadium auf einen Untersatz 2 stützt, welcher nachfolgend
beim Heben der Kokille 1 als Blocktragplatte dient. Der Untersatz 2 kann auf einem
Wagen (nicht gezeigt) zum Transport oder Wegschaffen des fertigen Blockes aus der
Herstellungszone dieses Blockes aufgestellt werden. Im vorliegenden Fall werden
vier Abschmelzelektroden 3 umgeschmolzen, die in der Schaltung Elektrode-Elektrode
geschaltet und mit den laufenden Nummern 3a, 3b, 3c und 3d (Fig. 2) versehen sind.
Die Schaltung der Elektroden ist in den Zeichnungen nicht näher dargestellt.
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Bei Durchführung des Verfahrens wird zuerst auf den Gas in die Schlacke
in Richtung in die Schlacke eingetauchten Teil des jenigen Paares der Elektroden
(z. B., 3a und das 3b)eingeblasen, langsamer als das Elektrodenpaar 3c und 3d abschmilzt.
Das führt zur Intensivierung des Abschmelzens des Elektrodenpaares 3a und 3b, d.h.
daß Metallen Metallbad> unter diesem Elektrodenpaar in größeren Mengen, als in
gleicher Zeit unter dem anderen Elektrodenp@ar<>gelangt.
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Durch Einblasen verschiedener Gasmengen in die Schlacke in auf den
Richtung in die Schlacke eingetauchten Teils der elektroden kann deren Abschmelzgeschwindigkeit
bei einer größeren Lintauch tiefe vergrößert werden, falls eine Ungleichheit in
der sbschmelzgeschwindigkeit der Elektroden entstanden ist. Der Gasverbrauch
wird
der Verminderung der Eintauchtiefendifferenz der Elektroden folgend ausgeglichen.
Das Vorhandensein einer Eintauchtiefendifferenz der Elektroden wird an Hand der
Anzeige von Voltmetern(nicht gezeigt) festgestellt, die zwischen der betreffenden
Elektrode und dem aufzuschmelzenden Block geschaltet sind.
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Beim Umachmelzen von zwei und mehreren Elektroden in der Schall tung
Elektrode-Elektrode werden die Spannungswerte zwischen den abschmelzenden Enden
der betreffenden Elektrode und dem Gehause der Kokille (wenn die Kokille oberen
Teil eine Erweiterung aufweist) oder dem Untersatz (wenn die Kokille keine Erweiterung
aufweist) gemessen.
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Die Differenz dieser Spannungswerte ermöglicht es, die Miner tauchtiefen
der Elektroden im Vergleich zu einer Elekn stimmen trode zu be deren Eint@uchtiefe
als Richtmaß angenommen wird. Üblicherweise weisen die meisten Elektroden in einer
Mebrelektrod enschaltung zur Elektroschlackeumschmelzung von Metallen diehleichen
Potentiale gegen Masse der Kokille.
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(Untersatzes)auf. Deshalb wird die Sintauchtiefe der anderen Elektroden
im Vergleich zu diesen Elektroden bestimmt. Gewöhnlich bestimmt man für jeden konkreten
Block, welche Eintauchtiefe einer Spannungsdifferenz von 1 V bei konstanter Energiehöhe
im Schlackenbad entspricht.
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Während einer Erprobung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einer
Versuchsanlage wurden vier Abschmelzelektroden mit einem Querschnitt von 40x200
mm in eine r Kokille
mit einem Querschnitt von 15Qx500 mm und einer
Höhe von 400 mm umgeschmolzen. In den Wänden de r Kokille waren in einer Höhe ,
d.h. in einem Abstand von der unteren Stirnfläche der Kokille von 300 mm Mehrkanaldüsen
angeordnet, durch welche Argon ins Schlackenbad eingeblasen wurde, Jede Elektrode
befand sich in einem abstand von 20 mm von der Wand der Kokille und der Schlackenbadspiegelstand
betrug 80 mm von der oberen Stirnfläche der Kokille. Versuchaweise wurde festgestellt,
daß eine starke Beschleunigung der Absctlmelzung dieser Elektroden bei einer Einblasegeschwindigkeit
von Argon am Düsenaustritt von 10 m/s und mehr erreicht wird. Dabei wurde die Schmelzgeschwindigkeit
der elektroden um 15% bei der gleichen Schlackenbadleistung vergrößert.
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Im Laufe einer Versuchsprüfung des erfindungsgemäßen Verfahrens in
Anlagen zum Elektroschlackeumschmelzen von Elektroden mit ungleichem querschnitt
schmolzen dickere elektroden lang samer ab. Die Eintauchtiefendifferenz der Elektroden
während des Probeschmelzens erreichte 20 mm (d.h. die Eintauchtiefe der Elektroden
in die Schlacke betrug 30 und 10 mm) und der Verbrauch an Argon bei seine m Einblas
en ins Schlackenbad betrug 0>5 l/min je elektrode. Zur Beseitigung der Differenz
der Eintauchtiefen der Elektroden in die Schlacke wurde die wrsonmenge, die in Richtung
auf die bis auf 30 mm einge tauchten Elektroden eingeblasen wurde, auf einen Wert
von 0,6 l/min eingestellt, während der Argonverbrauch für die Elektroden, welche
bis
auf 10 mm eingetaucht wurden, 0,4 1/min, betrug. Nachdem das Gas drei Minuten lang
in die Schlacke eingeblasen worden war, wurde die SintauchtiefendiSferenz der Elektroden
bis auf 5 mm vermindert. In den Fällen, in denen Differenz der Argonmengen proportional
zur Elektrodeneintauchtiefe automatisch eingestellt wurde, wurde die Differenz der
Elektrodeneintauchtiefen im Verlaufe von 0,5 bis 1 min beseitigt.
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Zur Verminderung des Argonverbrauchs wurde das Einblasen von Argon
im pulsierenden Strahl erprobt, indem die Gas zufuhr mit Hilfe eines elektromagnetischen
Ventils unterbrochen wurde.
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Die uasimpulsdauer betrug 0,02 bis 2 min bei dengleichen Impulsabständen,
wahrend die Impulsfolgefrequenz gleich 0,5 bis 50 Impulsen von gleicher Dauer pro
Minute mit demglsichen Impuls abstand war. Dies gestattete es, eine Beschleunigung
des Abschmelzen der Elektrode bei einem Argonverbrauch, der halb so groß wie bei
einer kontinuierlichen Gaszufuhr war, zu erzielen.Bei einer Verlängerung des Gasimpulsabstandes
im Ver hGltnis zu dengleichen Impulsen wurde der Nutzeffekt des erfindungsgemäßen
Verfahrens kleiner, während eine Verkürzung des Impulsen abstandes, d.h. eine Erhöhung
der Pulsationsfrequenz, die Anwendung von komplizierteren Einrichtungen für die
Gaszufuhr vonnöten machte. Gleichzeitig verursachte eine Verminderung der Pulsationsfrequenz
eine Verschlechterung der Oberflächenbeschaffenheit der Blöcke.
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Des Gas wurde ins Scblackenbad im erläuterten Beispiel
durch
Jeweils zwei Düsen für Jede xbschmelzelektrode eingeblasen, wodurch das Vorhandensein
eines Strahles für be 100 mm der Elektrodenbreite gewährleistet wurde.
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Das Einblasen von Gas nur durch eine Düse führte zur Verschlechterung
der Oberflächenbeschaffenheit der Blöcke und zur Herabsetzung des Nutzeffektes des
Verfahrens.
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L e e r s e i t e