DE3722166C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Blöcken aus Metallen, insbesondere aus Stählen, nach dem Prinzip des wachsenden Blockes durch Abschmel­ zen verzehrbarer Elektroden in kurzen wassergekühlten Gleitkokillen durch Elektronenstrahl, Plasma, Lichtbo­ gen oder Elektroschlackeumschmelzen.

Die dabei verwendeten Gleitkokillen werden entspre­ chend dem nach oben wachsenden Block nach oben bewegt, bzw. es wird der wachsende Block relativ zur festste­ henden Gleitkokille nach unten bewegt. Dabei kann die Bewegung der Gleitkokille oder des Blockes kontinuier­ lich oder schrittweise erfolgen.

Während Vakuumlichtbogenöfen mit selbstverzehrenden Elektroden ausschließlich mit Standtiegeln betrieben werden, wird bei Elektronenstrahlöfen und Plasmaum­ schmelzanlagen vorzugsweise mit Blockabzugsvorrichtun­ gen gearbeitet, wobei die aufgebauten Blöcke sowohl kontinuierlich als auch schrittweise aus den Kokillen abgezogen werden.

Elektroschlacke-Umschmelzanlagen (ESU) waren ursprüng­ lich mit Standkokillen ausgerüstet, bei welchen die maximale Blocklänge durch die Kokillenlänge begrenzt war. Die Beschränkung und die hohen Kosten für die langen Standkokillen führten bald zur Entwicklung von ESU-Anla­ gen mit kurzen Gleitkokillen, welche die Herstellung re­ lativ langer Umschmelzblöcke, unabhängig von der Kokil­ lenlänge ermöglichten. Im Zusammenhang damit kann es auch zur Entwicklung der Elektrodenwechseltechnik, mit Hilfe derer mehrere Abschmelzelektroden hintereinander abge­ schmolzen werden könnten. Damit war die Herstellung lan­ ger ESU-Blöcke unabhängig von der Länge der Abschmelz­ elektrode und der Länge der Kokille möglich geworden.

Um lange ESU-Blöcke herzustellen, muß nun entweder bei feststehender Bodenplatte die wassergekühlte Kokille in dem Maße nach oben bewegt werden, wie der Block durch Abschmelzen der Elektrode aufgebaut wird, um den Metall- und Schlackenspiegel in der kurzen Kokille auf annähernd gleichem Niveau zu halten. Eine andere, ebenfalls ange­ wandte Möglichkeit ist es, die kurze Kokille fest in die Anlagenstruktur einzubauen und die Bodenplatte mit dem darauf aufgebauten Block entsprechend der Wachstumsge­ schwindigkeit des Blockes abzusenken, so daß wieder das Niveau von Schlacke und Metall in der Kokille annähernd konstant gehalten wird.

Die mittlere Geschwindigkeit des Kokillen- oder Boden­ plattenhubs wird dabei vielfach so gewählt, daß sie mög­ lichst genau der Blockwachstumsgeschwindigkeit des Bloc­ kes entspricht und somit mit einer annähernd gleichmäßi­ gen und konstanten Block- oder Kokillenabzugsgeschwin­ digkeit gearbeitet wird.

Bei anderen Verfahrensweisen werden Kokillen bzw. Block schrittweise mit einer höheren Geschwindigkeit abgezogen als es der Blockaufbaugeschwindigkeit entspricht, so daß die Kokille dem Niveau des Schlacken- bzw. Metallspiegels vorauseilt, worauf anschließend die Bewegung solange unter­ brochen wird, bis der Schlackenspiegel wieder das ursprüng­ liche Niveau erreicht hat. Anschließend erfolgt ein weite­ rer Abzugsschritt, der wieder von einer Pause gefolgt wird.

Diese Verfahrensvarianten bringen bei der Herstellung von Blöcken im Durchmesserbereich bis etwa 700 mm relativ gute Ergebnisse und werden auch für Blöcke mit größeren Durch­ messern angewendet. Bei der Herstellung von Blöcken mit größeren Durchmessern treten jedoch fallweise Schwierig­ keiten auf, welche sich in der Ausbildung schlechter und schuppiger Blockoberflächen äußern und in ungünstigen Fäl­ len auch zum Auslaufen von Metall und Schlacke führen.

Diese Probleme werden bei der Herstellung von mittel- und hochlegierten Werkzeugstählen relativ selten beobachtet. Bei niedriggekohlten austenitischen, ferritischen und mar­ tensitischen Stählen, aber auch bei niedriggekohlten Kohlen­ stoffstählen und niedriglegierten Stählen kommen diese Er­ scheinungen immer wieder vor und haben erhebliche Störungen in der Produktion zur Folge.

Vielfach behilft man sich damit, die Abschmelzrate einzu­ schränken, was einen nachteiligen Einfluß auf die Produk­ tionsleistung der Anlage hat. Es wurde auch vorgeschlagen, die Schlackenmengen zu erhöhen, was ebenfalls eine nachtei­ lige Auswirkung auf die Produktionskosten hat. Vielfach be­ schränkt man sich auch auf die Herstellung nur kurzer Blöc­ ke oder weicht überhaupt wieder auf die herkömmlichen Stand­ kokillen aus.

Alles in allem ist jedenfalls die Herstellung einer Reihe von Stahlqualitäten, wenn Blockdurchmesser über 700 mm be­ nötigt werden, in kurzen Gleitkokillen mit immer wieder auf­ tretenden, unvermeidlichen Schwierigkeiten verbunden, die eine ständige genaue Überwachung erforderlich machen, ohne daß damit dieses Problem sicher gelöst werden kann. Selbst wenn es gelingt einen Ausbruch von Metall und Schlacke zu vermeiden, so weisen die so hergestellten Blöcke aufgrund von Tränen und Überlappungen, unter denen oft noch Schlacke eingeschlossen sein kann, stets eine sehr schlechte Block­ oberfläche auf, die eine Nachbearbeitung der Oberfläche vor der Weiterverarbeitung erforderlich macht, was zu Verzöge­ rungen im Produktionsablauf, Verringerung des Ausbringens und zu einer Erhöhung der Herstellungskosten führt.

Grundsätzlich bestehen diese hier für das ESU-Verfahren ge­ schilderten Schwierigkeiten auch dann, wenn die selbstver­ zehrbaren Elektroden im Vakuum durch Lichtbogen oder Elek­ tronenstrahl oder aber durch einen Plasmalichtbogen abge­ schmolzen und das abgeschmolzene Metall aus Gleitkokillen abgezogen wird. Die Probleme sind bei diesen Verfahren des­ halb nicht so auffällig, weil diese in der Regel nur für kleinere Blöcke eingesetzt werden. Legierungen, bei denen die oben angeführten Schwierigkeiten auftreten, werden meist nicht nach den hier angeführten Verfahren umgeschmolzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine geeig­ nete Verfahrensweise die oben geschilderten Schwierigkei­ ten beim Arbeiten mit kurzen Gleitkokillen zu beheben. Da­ bei wird von der Überlegung ausgegangen, daß ein Auftreten von Lappen, Tränen und letzlich ein Auslaufen von flüssi­ gem Metall nur dann erfolgen kann, wenn die an der Kokil­ lenwand bereits erstarrte Randschicht des Blockes oder der Schlacke beim Abzughub an der Kokillenwand hängen bleibt und aufreißt. Wenn dieser Riß ausreichend groß ist, kann flüssiges Metall in diesen eindringen, wobei es im allge­ meinen im Kontakt mit der wassergekühlten Kokille wieder erstarrt. Wenn die erstarrte Randschicht jedoch aufgrund der Schrumpfung von der Kokillenwand abgehoben hat und so­ mit ein Spalt zwischen Kokillenwand und erstarrter Rand­ schicht besteht, kann das durch den Riß austretende Metall in diesen Spalt eindringen, wo es im günstigsten Fall un­ ter Bildung von Lappen oder Tränen erstarrt. Ist der Spalt jedoch zu groß, was insbesondere bei Blöcken größeren Durch­ messers der Fall ist, so kann es vorkommen, daß das Metall im Spalt nicht mehr erstarrt und es kommt zum Auslaufen von Metall und Schlacke und damit zu einer Unterbrechung des Umschmelzvorganges.

Zur Lösung dieser Aufgabe bei dem eingangs angegebenen be­ kannten Verfahren führt der Vorschlag, daß der Metallspie­ gel in der Kokille zunächst mit einer Geschwindigkeit von mindestens dem Doppelten der Blockaufbaugeschwindigkeit um mindestens 1 mm abgesenkt und anschließend mit einer Geschwindigkeit von mindestens dem Doppelten der Blockauf­ baugeschwindigkeit um eine kleinere Strecke, wieder angehoben wird, und daß das Absenken und Anheben so aufeinander abgestimmt werden, daß das Niveau der Metallschmelze in der Kokille innerhalb von zwei zulässigen Grenzen gehalten wird.

Eine abgewandelte Lösung der vorbeschriebenen Aufgabe be­ steht weiterhin darin, daß der Metallspiegel in der Kokil­ le zunächst mit einer Geschwindig­ keit von mindestens dem Doppelten der Blockaufbaugeschwin­ digkeit um mindestens 1 mm abgesenkt und anschließend mit einer Geschwindig­ keit von mindestens dem Doppelten der Blockaubaugeschwin­ digkeit um eine kleinere Strecke, wieder angehoben wird, woran sich ein kurzzeitiger Stillstand anschließt, während welchem der Block in der Kokille wie in einer Standkokille aufgebaut wird, und Absenken, Anheben und Still­ stand so aufeinander abgestimmt werden, daß das Niveau der Metallschmelze in der Kokille innerhalb von zwei zuläs­ sigen Grenzen gehalten wird.

Die Wirkung des raschen Abzuges der Kokille relativ im Ver­ gleich zur Blockoberfläche kann je nach Anlagenkonzeption auf verschiedene Weise erreicht werden.

Bei Anlagen, welche mit feststehender Bodenplatte und heb­ baren Kokillen ausgelegt sind, wird die Kokille rasch an­ gehoben, so daß der Metallspiegel bzw. der Schlackenspiegel abgesenkt wird, und unmittelbar daran wie­ der so rasch abgesenkt, daß der Metall- bzw. Schlackenspiegel stärker ansteigt als es dem Anwachsen des Blockes entspricht. Daran kann eine Pause anschließen, wäh­ rend welcher der Block in der Kokille wie in einer Stand­ kokille aufgebaut wird.

Daher wird eine weitere Verfahrensweise dahingehend vorge­ schlagen, daß einer kontinuierlichen Relativbewegung zwi­ schen Kokille und Block eine oszillierende Bewegung mit ei­ ner Hubhöhe von mindestens 1 mm und einer Hubfrequenz von mindestens 0,01 je sec. überlagert wird.

Weitere wesentliche Verfahrensmerkmale bestehen noch darin, daß einer kontinuierlichen Relativbewegung zwischen Kokille und Block eine weitere Relativbewegung mit einer Hubhöhe von mindestens 1 mm überlagert wird, die ebenfalls oszilliert, bei der jedoch zwischen jedem aus auf und ab bestehenden Dop­ pelhub ein kurzzeitiger Stillstand erfolgt.

Das Verfahren kann mit feststehender Kokille und absenkba­ rer Bodenplatte oder aber auch mit hebbarer Kokille und feststehender Bodenplatte durchgeführt werden.

Bei feststehender Kokille wird die Bodenplatte des abge­ schmolzenen Blockes während des Umschmelzvorganges aufein­ anderfolgend immer wieder um eine Strecke abgesenkt und darauf um eine kleinere Strecke angehoben, oder in Abwand­ lung hiervon bei feststehender Kokille die Bodenplatte des abgeschmolzenen Blockes während des Umschmelzvorganges aufeinanderfolgend immer wieder um eine Strecke abgesenkt und darauf um eine kleinere Strecke angehoben und vor dem folgenden Absenkhub kurzzeitig stillstehen gelassen.

Weiterhin kann bei feststehender Bodenplatte des abge­ schmolzenen Blockes während des Umschmelzvorganges die Ko­ kille aufeinanderfolgend immer wieder um eine Strecke an­ gehoben und darauf um eine kleinere Strecke abgesenkt werden.

Eine Abwandlung dieses Verfahrens besteht auch noch darin, daß bei feststehender Bodenplatte des abgeschmolzenen Bloc­ kes während des Umschmelzvorganges die Kokille aufeinander­ folgend immer wieder um eine Strecke angehoben und darauf um eine kleinere Strecke abgesenkt wird und vor dem fol­ enden Anheben kurzzeitig stillstehen gelassen wird.

Schließlich kann die Erfindung auch in der Weise ausgeführt werden, daß die Bodenplatte mit kontinuierlicher Geschwin­ digkeit abgesenkt wird und von der Kokille eine oszillierende Hubbewegung ausgeführt wird oder aber dadurch, daß die Kokille mit kontinuierlicher Geschwindigkeit angehoben wird und von der Bodenplatte eine os­ zillierende Hubbewegung ausgeführt wird.

Bei Anlagen, welche mit fest eingebauter Kokille und absenkbarer Bodenplatte ausgerüstet sind, wird das Absenken des Metall- bzw. Schlackenspiegels in der Kokille durch ein rasches Absenken der Bodenplatte bewirkt, die unmittelbar darauf wieder so rasch angehoben wird, daß der Metall- bzw. Schlackenspiegel in der Kokille stärker ansteigt als es dem Anwachsen des Blockes in der Kokille entspricht. Daran kann sich ebenfalls wieder eine Pause anschließen, während welcher der Block in der Kokille wie in einer Standkokille aufgebaut wird.

Der erfindungsgemäße Zweck des raschen unmittelbar auf ein Absenken folgenden Anhebens kann bei Anlagen mit hebbarer Kokille oder absenkbarer Boden­ platte auch dadurch erreicht werden, daß enweder die Ko­ kille mit konstanter, der Blockaufbaugeschwindigkeit ent­ sprechenden Geschwindigkeit angehoben bzw. die Bodenplatte abgesenkt wird und der Effekt des auf und ab dadurch erreicht wird, daß der gleichmäßigen Geschwin­ digkeit von Kokille oder Bodenplatte eine oszillierende Be­ wegung mit oder ohne Pause überlagert wird, wobei diese überlagerte Bewegung sowohl von der Kokille als auch von der Bodenplatte ausgeführt werden kann, wobei die Hubhöhe wieder mindestens 1 mm beträgt und eine Hubfrequenz von mindestens 0,01 je sec. eingehalten wird.

Anlagentechnisch kann dies durch folgende Anordnung er­ reicht werden:

Bei Anlagen, die mit einer Senkbühne ausgestattet sind, die mit kontinuierlicher Geschwindigkeit absenkbar ist, kann entweder die darauf aufgebaute Bodenplatte oder die Kokillenaufhängung durch eine geeignete Vorrichtung auf- und abbewegbar sein.

Bei Anlagen, die mit einer an sich feststehenden Boden­ platte und einem mit kontinuierlicher Geschwindigkeit anhebbaren Kokillentragarm ausgestattet sind, kann ent­ weder die Bodenplatte oder die auf den Kokillentragarm aufgebaute Kokillenaufhängung durch eine geeignete Vor­ richtung auf- und aubbewegbar sein.

In der Zeichnung sind die Bewegungsmöglichkeiten von Gleitkokille und Bodenplatte schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 1a ein Weg-Zeit-Diagramm der Kokillenbewegung mit Stillstand,

Fig. 1b ein Weg-Zeit-Diagramm der Kokillenbewegung ohne Stillstand,

Fig. 1c ein Weg-Zeit-Diagramm der Kokillenbewegung und gleichzeitiger Bodenplattenbewegung, mit und ohne Stillstand,

Fig. 2 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung nach der Erfindung in abgewandelter Ausführung,

Fig. 2a ein Weg-Zeit-Diagramm von Kokillen- und Boden­ platten-Bewegung mit Stillstand,

Fig. 2b ein Weg-Zeit-Diagramm von Kokillen- und Boden­ platten-Bewegung ohne Stillstand,

Fig. 2c ein Weg-Zeit-Diagramm von Kokillen- und Boden­ platten-Bewegung mit und ohne Stillstand.

In den Figuren ist die Gleitkokille mit 11 und der Sumpf mit 12 bezeichnet. Über dem Sumpf 12 befindet sich in der Gleitkokille 11 das Schlackenbad 13, in welches die Elek­ trode 14 eintaucht. Der Block 15 steht auf der Bodenplat­ te 16.

Weiterhin bedeuten in den Figuren

V _B = die Block-Aufbaugeschwindigkeit "7"
V _K = Geschwindigkeit "8" der mittleren Bewegung der Kokille
V _p = Geschwindigkeit "9" der mittleren Bewegung der Bodenplatte.

In dem Diagramm Fig. 1a steht die Bodenplatte 16 fest. Dies ist durch die Punktreihe in der Zeitachse angedeutet. Die Gleitkokille 11 wird bei jedem Hubspiel zuerst angehoben (1), dann abgesenkt (2), worauf sich der Stillstand (3) anschließt. Dieser Ver­ lauf ist mit dem gestrichelten Kurvenzug 8 dargestellt, dessen Gradient der Block-Aufbaugeschwindigkeit 7 ent­ spricht.

In dem Diagramm Fig. 1b ist dem Absenken (2) kein Still­ stand nachgeschaltet.

Eine weitere Möglichkeit der Verwirklichung dieses Prin­ zips besteht nach Fig. 1c darin, daß die Gleitkokil­ le 11 eine stetige Aufwärtsbewegung ausführt, die der Block­ aufbaugeschwindigkeit entspricht, und daß die Bodenplatte 16 jeweils eine gleichgroße Bewegung (1) und (2) ausführt, wobei sich an jede Bewegung (2) ein kurzer Stillstand (3) anschließt.

Eine weitere Variante dieser Abwandlung ist in Fig. 1c - rechte Hälfte - dargestellt. Diese entspricht in ihrer Charakteristik der Funktionsweise gemäß Fig. 1b, also ohne Stillstand nach dem Absenken. Dementsprechend entfällt auch hier der Stillstand nach dem Absenken (2) der Bodenplatte.

Diesselbe Bewegungs-Charakteristik der Fig. 1a und 1b ist aus den Fig. 2a und 2b ersichtlich, jedoch mit stillstehender Gleitkokille 11 und oszillierender Boden­ platte 16, wie aus dem punktiert dargestellten Geschwin­ digkeitsverlauf 9 ersichtlich ist. In Fig. 2a und 2b ist der Blockaufbau-Verlauf wieder mit 7 und die stillstehen­ de Gleitkokille 11 mit 8 (in der Zeitachse liegend) be­ zeichnet. Die Bodenplatte 16 führt in Fig. 2a nach jedem Absenken (02) und anschließendem Anheben (01) einen kurzen Stillstand (03) aus, wie aus dem punktiert dargestellten Ge­ schwindigkeitsverlauf 9 ersichtlich ist. Der Stillstand 3 fällt bei der Funktions-Charakteristik gem. Fig. 2b weg, woraus sich der sinusähnliche Geschwindigkeitsverlauf 9 ergibt.

Die weitere Möglichkeit der Verwirklichung dieses Prinzips nach Fig. 2 ist in dem Diagramm Fig. 2c dargestellt. Dort führt die Bodenplatte 16 eine stetige Abwärtsbewegung 9 aus, die der Blockaufbau-Geschwindigkeit 7 entspricht. Jedoch bewegt sich die Gleitkokille 11 mit je einer gleich großen Aufwärts- und Abwärtsbewegung (1) und (2); der Bewegung (2) kann ein kurzer Stillstand (3) nachge­ schaltet sein, wie aus der linken Hälfte desDiagramms ersichtlich ist.

Der Stilltand kann dabei, wie aus den Fig. 1c und 2c ersichtlich, entweder am Ende der Bewegung (2) liegen oder in der Mitte der Bewegung (1) statt­ finden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Blöcken aus Metallen, insbesondere aus Stählen, nach dem Prinzip des wachsenden Blockes durch Abschmelzen verzehrbarer Elektroden in kurzen wassergekühlten Gleitkokillen durch Elektronenstrahl, Plasma, Lichtbogen oder Elektroschlackeumschmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallspiegel in der Kokille zunächst mit einer Geschwindigkeit von mindestens dem Doppelten der Blockaufbaugeschwindigkeit um mindestens 1 mm abgesenkt und unmittelbar anschließend mit einer Geschwindigkeit von mindestens dem Doppelten der Blockaufbaugeschwindigkeit um eine kleinere Strecke wieder angehoben wird, und daß das Absenken und Anheben so aufeinander abgestimmt wird, daß das Niveau der Metallschmelze in der Kokille innerhalb von zwei zulässigen Grenzen gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer kontinuierlichen Relativbewegung zwischen Kokille und Block eine oszillierende Bewegung mit einer Hubhöhe von mindestens 1 mm und einer Hubfrequenz von mindestens 0,01 je sec. überlagert wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei feststehender Kokille die Bodenplatte des abgeschmolzenen Blockes während des Umschmelzvorganges aufeinanderfolgend immer wieder um eine Strecke abgesenkt und darauf um eine kleinere Strecke angehoben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei feststehender Bodenplatte des abgeschmolzenen Blockes während des Umschmelzvorganges die Kokille aufeinanderfolgend immer wieder um eine Strecke angehoben und darauf um eine kleinere Strecke abgesenkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte mit kontinuierlicher Geschwindigkeit abgesenkt wird und von der Kokille eine oszillierende Hubbewegung ausgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille mit kontinuierlicher Geschwindigkeit angehoben wird und von der Bodenplatte eine oszillierende Hubbewegung ausgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an das Anheben ein kurzzeitiger Stillstand anschließt, während welchem der Block in der Kokille wie in einer Standkokille aufgebaut wird, und Absenken, Anheben und Stillstand so aufeinander abgestimmt werden, daß das Niveau der Metallschmelze in der Kokille innerhalb von zwei zulässigen Grenzen gehalten wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei fest­ stehender Kokille (11) auf eine mit kontinuierlicher Geschwindigkeit absenkbare Senkbühne eine Boden­ platte (16) aufgebaut ist, die eine oszillierende Bewegung ausführt.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei fest­ stehender Bodenplatte (16) auf einen mit kontinuierlicher Geschwindigkeit hebbaren Tragarm eine Kokille (11) aufgesetzt ist, die eine oszillierende Bewegung ausführt.