DE4140724A1 - Umschmelzanlage und verfahren zum betreiben einer solchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Umschmelzanlage zum Umschmel­ zen einer Elektrode in einem Tiegel, welcher ein von ei­ ner elektrischen Heizung beheiztes Schmelzbad enthält und in seinem Boden einen von einer elektrischen Spule umge­ benen Auslaß hat, durch den hindurch das umgeschmolzene Metall kontinuierlich als Strahl abfließt und bei der die Spule zum steuerbaren Erzeugen eines die Ausflußgeschwin­ digkeit des Strahles verzögernden Magnetfeldes ausgelegt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Umschmelzanlage.

Die in Vakuum-Induktionsöfen erzeugten und in Form zylin­ drischer Blöcke abgegossenen Elektroden werden durch Um­ schmelzen von schädlichen Bestandteilen befreit. Hierzu dient das Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren (ESU), bei dem in einem Tiegel die Elektrode geringfügig in ein Schlackebad eintaucht, welches eine höhere Temperatur aufweist als es der Schmelztemperatur der Elektrode ent­ spricht. Die abschmelzenden Metalltröpfchen wandern durch die Schlacke hindurch und werden dabei insbesondere von keramischen Bestandteilen befreit. Am Ende des Umschmelz­ vorganges, wenn die Elektrode ganz abgeschmolzen ist, läßt man das im Tiegel angesammelte Metallbad erstarren, um einen neuen Metallblock zu erhalten.

Wenn man schon während des Abschmelzens des Metalls von der Elektrode das flüssige Metall aus dem Tiegel mit ei­ nem Metallstrahl abfließen lassen will, dann ist es er­ forderlich, die abfließende Metallmenge genau zu regeln. Hierzu kann man den Auslaß durch eine Spule hindurch füh­ ren und mittels der Spule ausreichende magnetische Halte­ kräfte erzeugen, wenn der Metallauslaß aus keramischem Material besteht. Wenn es jedoch darauf ankommt, ein mög­ lichst keramikfreies Metall zu erzeugen, dann muß man auf einen Auslaß aus Keramik verzichten und den Auslaß aus Metall, insbesondere Kupfer ausbilden, wodurch das magne­ tische Feld abgeschirmt wird. Um dennoch ein magnetisches Feld auf den ausfließenden Metallstrahl wirken lassen zu können, kann man den Auslaß aus jeweils einen geringen Zwischenraum zueinander freilassenden Palisaden bilden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß dann die magnetischen Kräfte oftmals nicht mehr ausreichen, um die Austritts­ geschwindigkeit des Metallstrahls regeln und um den Me­ tallstrahl ganz stoppen zu können. Weiterhin ist eine solche Regelung durch Magnetkräfte unerwünscht träge.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Umschmelz­ anlage der eingangs genannten Art so auszubilden, daß der aus ihrem Metallauslaß austretende Metallstrahl möglichst weitgehend und trägheitsarm hinsichtlich seiner Aus­ trittsgeschwindigkeit bis hin zu einem vollständigen Stoppen geregelt werden kann. Weiterhin soll ein Verfah­ ren zum Betreiben einer solchen Umschmelzanlage entwickelt werden, welches eine optimale Regelung des austre­ tenden Metallstrahles ermöglicht.

Das erstgenannte Problem wird erfindungsgemäß dadurch ge­ löst, daß auf dem Tiegel oberhalb des Schmelzbades ein Druckbehälter angeordnet und zum Regeln der Ausflußmenge des Metalls aus dem Auslaß zusätzlich zum Strom der Spule des Auslasses ein den Druck im Druckbehälter verstellen­ der Regler vorgesehen ist. Im Druckbehälter kann in Ab­ hängigkeit davon, ob man die Ausflußgeschwindigkeit erhö­ hen oder erniedrigen will, Überdruck oder Unterdruck ein­ gestellt werden.

Durch diese Gestaltung einer Umschmelzanlage kann man die Ausflußgeschwindigkeit des Metallstrahles durch Verändern des Druckes im Druckbehälter sehr rasch und bis zu einem Stoppen des Ausflusses verändern. Dadurch ist eine opti­ male Regelung des Ausflusses und damit des Niveaus des Schmelzbades im Tiegel möglich, ohne daß hohe Magnet­ kräfte mittels der den Metallauslaß umgebenden Spule er­ zeugt werden müssen.

Größere Niveauschwankungen des Schmelzbades im Tiegel, welche ohne Ausflußregelung zu unterschiedlichen Ausfluß­ geschwindigkeiten führen würden und deshalb durch die Ausflußregelung kompensiert werden müßten, lassen sich auf einfache Weise durch eine Niveauerfassungsvorrichtung zum Ermitteln des Niveaus des Schmelzbades im Tiegel und einen Stromregler zum Regeln der Leistung der Heizung des Schmelzbades in Abhängigkeit von diesem Niveau verhin­ dern.

Bei Prozeßbeginn kann man den Auslaß zunächst unabhängig von den magnetischen Haltekräften und den Haltekräften durch einen Unterdruck im Druckbehälter verschließen, wenn gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung der Auslaß einen mechanischen, keramikfreien, induktiv be­ heizten, aus einer den Auslaß vollständig sperrenden Stellung in eine ihn freigebende Stellung bewegbaren Ver­ schluß aufweist. Dieser Verschluß verhindert, daß während der Startphase Luft durch den Metallauslaß nach oben durch das Schmelzbad in den unter Unterdruck stehenden Druckbehälter gelangen kann.

Der Wärmeverlust der Umschmelzanlage läßt sich dadurch verringern, daß die Mantelfläche des Tiegels aus Keramik besteht. Hierdurch kann die Abschmelzleistung der Elek­ trode erhöht werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß ke­ ramische Bestandteile in die Metallschmelze gelangen, weil in diesem Bereich stets ein Skull entsteht, der ein Zutritt von Keramik in die Metallschmelze verhindert.

Die Gefahr eines Einschlusses von Schlacke in den aus­ fließenden Metallstrahl kann auf sehr einfache Weise da­ durch verhindert werden, daß die Achse des Auslasses zur Achse der Elektrode seitlich versetzt ist.

Zu einer noch besseren Abtrennung der Schlacke kommt man, wenn im Tiegel Schlackebarrieren vorgesehen sind.

Das zweitgenannte Problem, nämlich die Schaffung eines Verfahrens zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Um­ schmelzanlage, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Regeln der Ausflußgeschwindigkeit des Metallstrahles aus dem Ausfluß des Tiegels zusätzlich zum Strom der Spule des Auslasses der Druck im Druckbehälter oberhalb des Schmelzbades geregelt wird.

Durch diese Verfahrensweise kann man den Ausfluß der Me­ tallschmelze durch Verändern des Druckes im Druckbehälter rasch und bis zu einem Stoppen verändern. Das den Metall­ auslaß umgebende Spulensystem braucht deshalb weniger starke, auf den Metallstrahl wirkende Magnetkräfte zu er­ zeugen, so daß die Verwirklichung eines keramikfreien Me­ tallauslasses weniger Probleme hervorruft, als wenn der Ausfluß ausschließlich durch Magnetkräfte gestoppt werden müßte.

Vorteilhaft ist es auch, wenn zum Regeln der elektrischen Leistung der Heizung des Schmelzbades das Niveau des Schmelzbades im Tiegel erfaßt und berücksichtigt wird. Hierdurch läßt sich die Abschmelzgeschwindigkeit der Elektrode exakt regeln, so daß sich ein konstantes Schmelzbadniveau und damit konstanter Schmelzbaddruck am Metallauslaß ergibt.

Den Prozeß beendet man vorteilhafterweise dadurch, daß zunächst die Leistung der Heizung des Schmelzbades redu­ ziert oder abgeschaltet wird und der austretende, flüs­ sige Metallstrahl durch Erhöhung der von der Spule im Ausfluß erzeugten elektromagnetischen Kräften und/oder Erhöhung eines Unterdruckes im Druckbehälter gestoppt und danach der Ausfluß mittels des Verschlusses mechanisch versperrt wird.

Ein Austritt von Schlacke bei Prozeßbeginn kann dadurch vermieden werden, daß bei Prozeßbeginn zunächst der sich im Ausfluß gebildete Metallstopfen im Bereich des elek­ tromagnetischen Führungssystems aufgeschmolzen und erst danach die Heizung des Schmelzbades bestromt wird. Durch diese Verfahrensweise ist sichergestellt, daß der Auslaß von flüssiger Metallschmelze gefüllt ist, bevor die Schlacke schmilzt, so daß diese auf der Metallschmelze schwimmt und deshalb nicht mit ausfließen kann.

Um bei einem Kaltstart mit einem Skull im Tiegel einen elektrischen Kurzschluß zwischen der Mantelfläche der Elektrode über den Rand des Skulls zur Wand des Tiegels zu verhindern, kann man gemäß einer vorteilhaften Weiter­ bildung des Verfahrens bei Prozeßstart mit einem vorhan­ denen Skull eine Elektrode mit einem im Durchmesser redu­ zierten, unteren Ende verwenden. Hierdurch ergeben sich größere radiale Abstände zwischen der Elektrode und dem Skull.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind in der Zeichnung zwei Umschmelzanlagen nach der Erfindung darge­ stellt und werden nachfolgend beschrieben. In ihr zeigen die

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Um­ schmelzanlage nach der Erfindung,

Fig. 2 einen gegenüber Fig. 1 im Maßstab vergrö­ ßerten Schnitt durch ein Strahlführungs­ system der Umschmelzanlage,

Fig. 3 eine Prinzipskizze eines gegenüber Fig. 1 abgewandelten, unteren Bereiches einer Um­ schmelzanlage.

In Fig. 1 ist der obere Bereich eines Gestells 1 darge­ stellt, welches einen Tiegel 2 aus Kupfer abstützt. Die­ ser Tiegel 2 hat einen Boden 3 mit einem Strahlführungs­ system 4, welches einen Auslaß 5 hat. Im Inneren des Tie­ gels erkennt man eine umzuschmelzende Elektrode 6, welche mit ihrem unteren Ende in ein Schmelzbad 7 eintaucht. Die für das Umschmelzverfahren erforderliche Umschmelzenergie wird der Umschmelzanlage über eine Stromzuführung 8 zuge­ führt, welche aus zwei koaxialen Stromführungsrohren be­ steht.

Wichtig für die Erfindung ist ein Druckbehälter 9, wel­ cher auf dem Tiegel 2 aufgesetzt ist und die Elektrode 6 druckdicht umschließt. Aus diesem Druckbehälter 9 wird Abgas von einem Gebläse 10 über einen Auslaßstutzen 11 abgesaugt. Ein Regler 12 ermöglicht es, den Druck im Druckbehälter 9 zu verändern, insbesondere in ihm Unter­ druck zu erzeugen. Da dieser Unterdruck auf die Oberflä­ che des Schmelzbades 7 wirkt, wird durch ihn der Metall­ ausfluß am Auslaß 5 verzögert oder verhindert. Umgekehrt kann man den Metallausfluß durch Überdruck im Druckbehäl­ ter erhöhen.

Am Tiegel 2 ist eine Niveauerfassungsvorrichtung 13 ange­ ordnet, welche das Niveau des Schmelzbades 7 zu erfassen und danach mittels eines Stromreglers 14 die elektrische Energie für den Umschmelzprozeß zu regeln vermag.

In Fig. 2 ist das Strahlführungssystem 4 gegenüber Fig. 1 stark vergrößert im linken Bildteil im Schnitt und im rechten Bildteil in Seitenansicht dargestellt. Man er­ kennt, daß der Auslaß 5 trichterförmig ausgebildet ist und aus einzelnen Palisaden 15, 16 besteht. Der Auslaß 5 ist von einer Spule 17 umgeben, welche bei Bestromung durch magnetische Kräfte den ausfließenden Metallstrahl mehr oder weniger abbremst. Im unteren Ende des Auslasses 5 erkennt man einen mechanischen, induktiv beheizbaren Verschluß 18, welcher den Auslaß 5 mechanisch absperrt, beim Arbeiten der Umschmelzanlage jedoch in eine den Aus­ laß 5 freigebende Stellung bewegt werden kann.

Die Ausführungsform nach Fig. 3 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen dadurch, daß die Achsen der Elek­ trode 6 und des Auslasses 5 seitlich zueinander versetzt sind. Dadurch kann man im Schmelzbad 7 Schlackebarrieren 19, 20 anordnen, die zusätzliche Sicherheit geben, daß keine Schlacke in den Auslaß 5 gelangt.

Es sei abschließend bemerkt, daß die einzelnen bean­ spruchten Merkmale und Verfahrensmaßnahmen auch unabhän­ gig von den übrigen sinnvoll und vorteilhaft sind. Es ist beispielsweise denkbar, bei einer Umschmelzanlage die ESU-Energie über das Niveau des Schmelzbades zu regeln, ohne daß zum Zurückhalten des Metallstrahles mit einem Druckbehälter gearbeitet wird.

Bezugszeichenliste

 1 Gestell
 2 Tiegel
 3 Boden
 4 Strahlführungssystem
 5 Auslaß
 6 Elektrode
 7 Schmelzbad
 8 Stromzuführung
 9 Druckbehälter
10 Gebläse
11 Auslaßstutzen
12 Regler
13 Niveauerfassungsvorrichtung
14 Stromregler
15 Palisade
16 Palisade
17 Spule
18 Verschluß
19 Schlackebarriere
20 Schlackebarriere

Claims (11)

1. Umschmelzanlage zum Umschmelzen einer Elektrode (6) in einem Tiegel (2), welcher ein von einer elektrischen Hei­ zung beheiztes Schmelzbad (7) enthält und in seinem Boden (3) einen von einer elektrischen Spule umgebenen Auslaß (5) hat, durch den hindurch das umgeschmolzene Metall kontinuierlich als Strahl abfließt und bei der die Spule zum steuerbaren Erzeugen eines die Ausflußgeschwindigkeit des Strahles verzögernden Magnetfeldes ausgelegt ist, da­ durch gekennzeichnet, daß auf dem Tiegel (2) oberhalb des Schmelzbades (7) ein Druckbehälter (9) angeordnet und zum Regeln der Ausflußmenge des Metalls aus dem Auslaß (5) zusätzlich zum Strom der Spule des Auslasses (5) ein den Druck im Druckbehälter (9) verstellender Regler (12) vor­ gesehen ist.

2. Umschmelzanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Niveauerfassungsvorrichtung (13) zum Ermitteln des Niveaus des Schmelzbades (7) im Tiegel (2) und einem Stromregler (14) zum Regeln der Leistung der Heizung des Schmelzbades (7) in Abhängigkeit von diesem Niveau.

3. Umschmelzanlage nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (5) einen mechanischen, keramikfreien, induktiv beheizten, aus einer den Auslaß (5) vollständig sperrenden Stellung in eine ihn freige­ bende Stellung bewegbaren Verschluß (18) aufweist.

4. Umschmelzanlage nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des Tiegels (2) aus Keramik besteht.

5. Umschmelzanlage nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Auslasses (5) zur Achse der Elektrode (2) seitlich ver­ setzt ist.

6. Umschmelzanlage nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Tiegel (2) Schlackebarrieren (19, 20) vorgesehen sind.

7. Verfahren zum Betreiben einer Umschmelzanlage nach zu­ mindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Regeln der Ausflußgeschwindigkeit des Metallstrahles aus dem Ausfluß des Tiegels zusätzlich zum Strom der Spule des Auslasses der Druck im Druckbe­ hälter oberhalb des Schmelzbades geregelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Regeln der elektrischen Leistung der Heizung des Schmelzbades das Niveau des Schmelzbades im Tiegel erfaßt und berücksichtigt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Prozeßende zunächst die Leistung der Heizung des Schmelzbades reduziert oder abgeschaltet wird und der austretende, flüssige Metallstrahl durch Erhöhung der von der Spule im Ausfluß erzeugten elektromagnetischen Kräf­ ten und/oder Erhöhung eines Unterdruckes im Druckbehälter gestoppt und danach der Ausfluß mittels des Verschlusses mechanisch versperrt wird.

10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Prozeßbeginn zunächst der sich im Ausfluß gebildete Metallstopfen im Bereich des elektromagnetischen Führungssystems aufgeschmolzen und erst danach die Heizung des Schmelzbades bestromt wird.

11. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Prozeßstart mit einem vorhandenen Skull eine Elektrode mit einem im Durchmesser reduzierten unteren Ende verwendet wird.