DE69213502T2

DE69213502T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Halterung einer Abschmelzelektrode in einem Vakuum-Lichtbogenofen

Info

Publication number: DE69213502T2
Application number: DE69213502T
Authority: DE
Inventors: Eldon Ray Poulsen
Original assignee: Titanium Metals Corp
Current assignee: Titanium Metals Corp
Priority date: 1991-02-12
Filing date: 1992-01-31
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2012-02-01
Also published as: DE499389T1; GR3021308T3; JPH04354834A; EP0499389B1; DK0499389T3; ATE142708T1; EP0499389A1; US5127468A; GR920300123T1; ES2033654T1; DE69213502D1; ES2033654T3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Elektrodenanordnung für das Abbrandelektroden-Vakuumlichtbogenschmelzen von Metallen und Legierungen, insbesondere von reaktionsfähigen Metallen und Legierungen von Titan.

Beschreibung des Stands der Technik

Für die Herstellung von Metallen und Legierungen, insbesondere von reaktionsfähigen Metallen und Legierungen von Titan&sub1; ist es bekannt, diese durch Abschmelz- bzw. Abbrandelektroden-Vakuumlichtbogenschmelzen zu erzeugen.
Gemäß dieser Praxis wird eine Elektrode aus dem zu schmelzenden und zu feinenden Werkstoff hergestellt. Die Elektrode wird in eine wassergekühlte, evakuierte Form eingesetzt; durch die Elektrode und die Form wird elektrischer Strom geleitet, um zwischen der Elektrode und der Form einen Lichtbogen zu erzeugen und damit ein progressives bzw. fortlaufendes Abschmelzen des Elektrodenwerkstoffs in die Form herbeizuführen. In diesem Vorgang wird die Form kontinuierlich evakuiert, um die während des Schmelzbetriebs als gasförmige Reaktionsprodukte freigesetzten Verunreinigungen zu entfernen. Beim Abschmelzen der Elektrode erstarrt sie (ihr Werkstoff) fortlaufend in der Form, so daß in dieser ein erstarrter Gieß-Block entsteht.
Wenn sich das Abschmelzen der Elektrode dem Abschluß nähert, wird gemäß herkömmlicher Praxis ein Teil der Elektrode un(ab)geschmolzen gelassen. Anderenfalls könnte der Elektrodenhalter unter Verunreinigung der Legierung des Blocks schmelzen. Dieser ungeschmolzene Werkstoff wird dann für weitere Elektrodenherstellung und anschließendes Schmelzen wiederverwertet. Dies führt zu einer beträchtlichen Produktionskostenerhöhung als Folge des erforderlichen Umschmelzens. Beispielsweise wiegt in einem herkömmlichen Dreifach-Vakuumlichtbogenschmelzvorgang für eine herkömmliche Ti-6Al-4V-Legierung der ungeschmolzene Elektrodenteil von der zweiten und letzten Schmelze typischerweise jeweils 136 - 227 kg (300 - 500 pounds), woraus sich ein wiederverwertetes Werkstoffgewicht von 272 - 454 kg (600 - 1000 pounds) ergibt.

ABRISS DER ERFINDUNG

Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist damit die Bereitstellung einer Praxis zum genauen Bestimmen des Endes des Schmelzens in einem Abbrandelektroden-Vakuumlichtbogenschmelzvorgang, um damit wiederum die Menge an ungeschmolzenem, wiederzuverwertendem bzw. auf zubereitendem Werkstoff zu verringern.
Eine spezifischere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens für das Abbrandelektroden- Vakuumlichtbogenschmelzen, bei dem eine Sichtanzeige (bzw. -überwachung) der Elektrode für die Bestimmung des Endes des Schmelzvorgangs gewährleistet werden kann.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren für das Abbrandelektroden-Vakuumlichtbogenschmelzen von Metallen und Legierungen wird eine Anordnung aus einer Elektrode des (der) zu schmelzenden Metalls oder Legierung geformt. Ein langgestreckter Ring, der aus Metall oder Legierung geformt ist, ist an seinem einen Ende mit einer Stirnfläche der Elektrode und an seinem anderen Ende mit einem Elektrodenhalter verbunden, der an eine elektrische Potentialquelle angeschlossen ist. Der Außendurchmesser des Rings ist kleiner als der Außendurchmesser der Elektrode, so daß an der Stirnfläche der Elektrode ein ringformiger Randbereich entsteht, der durch den Ring und den Umfang der Stirnfläche der Elektrode definiert bzw. festgelegt ist. Diese Anordnung wird in einer auch an eine elektrische Potentialquelle angeschlossenen, gekühlten Form aus leitfähigem Werkstoff positioniert. Zwischen der Elektrode und der Form wird ein elektrischer Strom erzeugt (geleitet), um am Ende der Elektrode einen Lichtbogen zum kontinuierlichen Schmelzen bzw. Abschmelzen des Metalls oder der Legierung von der Elektrode und in die Form (hinein) zwecks fortlaufenden Erstarrens desselben bzw. derselben zur Bildung eines Gieß- Blocks zu erzeugen. Die Form wird während des Schmelzvorgangs evakuiert, um die gasförmigen Reaktionsprodukte aus der Form zu entfernen. Das Schmelzen wird fortgesetzt, bis der ringförmige Randbereich zumindest zu schmelzen beginnt, und das Schmelzen wird beendet, bevor der Randbereich vollständig abschmilzt. Auf diese Weise kann der Schmelzvorgang vor dem vollständigen Abschmelzen der Elektrode, was zu einer Verunreinigung des Blocks durch Abschmelzen von Werkstoff vom Ring oder Elektrodenhalter führen würde, beendet werden. Das Abschmelzen des Randbereichs der Elektrode kann während des Endes des Schmelzvorgangs ohne weiteres bzw. einfach beobachtet werden.
Vorzugsweise besitzt der ringförmige Randbereich an der Stirnfläche der Elektrode eine Breite bzw. Weite von mindestens 10 cm (4 Zoll); vorzugsweise liegt der Elektrodendurchmesser im Bereich von 58 - 74 cm (23 - 29 Zoll).
Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung für das Abbrandelektroden-Lichtbogenschmelzen von Metallen und Legierungen umfaßt eine Elektrode aus dem (der) zu schmelzenden Metall oder Legierung und einen langgestreckten Ring, dessen eines Ende mit einer Stirnfläche der Elektrode, sein anderes Ende mit einem Elektrodenhalter verbunden ist. Der Ring weist einen Außendurchmesser auf, der kleiner ist als ein Außendurchmesser der Elektrode, so daß an der Stirnfläche der Elektrode ein ringförmiger Randbereich entsteht, der durch den Ring und den Umfang der Stirnfläche der Elektrode festgelegt ist.
Bevorzugt besitzen der ringförmige Randbereich an der Stirnfläche der Elektrode eine Breite oder Weite von mindestens 10 cm (4 Zoll) und die Elektrode einen Durchmesser im Bereich von 58 - 74 cm (23 - 29 Zoll).

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine teilweise im Schnitt gehaltene schematische Seitenansicht einer Abbrandelektroden- Vakuumlichtbogenschmelzvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Teil der Vorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine der Fig. 2 ähnliche Draufsicht zur Darstellung des Zustands der Elektrode am Ende des Schmelzvorgangs,
Fig. 4 eine im lotrechten Schnitt gehaltene Ansicht der Elektrode und des zugeordneten langgestreckten Rings kurz vor dem Ende des Schmelzvorgangs und
Fig. 5 eine der Fig. 4 ähnliche Darstellung der Elektrode am Ende des Schmelzvorgangs.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

In den Zeichnungen und speziell in Fig. 1 ist eine Form 10 dargestellt, die vorzugsweise aus Kupfer geformt und mit (nicht dargestellten) Einrichtungen für Wasserkühlung versehen ist. Die Form 10 weist eine(n) Auslaßöffnung(sstutzen) 12 für Anschluß an eine (nicht dargestellte) Vakuumpumpe zum Evakuieren des Inneren der Form auf. An der Außenseite der Form ist eine Magnetspule 14 zur Erzeugung eines Magnetfelds zum Steuern oder Kontrollieren von Konfiguration (Form) und Richtung des während des Schmelzvorgangs erzeugten Lichtbogens und zur Hervorbringung einer Rühr- oder Umwälzwirkung an der Metallschmelze vor deren Erstarrung in der Form angeordnet. Innerhalb der Form ist eine Elektrodenanordnung 16 vorgesehen. Diese Vorrichtung ist von herkömmlicher, an sich bekannter Konstruktion. Die Anordnung 16 umfaßt einen mit einer (nicht dargestellten) elektrischen Potentialquelle und (nicht dargestellten) Mitteln zum Hoch- und Herabfahren einer zugeordneten Elektrode 20 beim Abschmelzen derselben verbundenen Elektrodenhalter 18. Ein langgestreckter Ring 22 ist an seinen gegenüberliegenden Enden mit dem Elektrodenhalter 18 bzw. der Elektrode 20 verbunden. Der Außendurchmesser des Rings 22 ist kleiner als der Durchmesser der Elektrode 20, so daß zwischen dem Ring 22 und dem Umfang der Elektrode ein ringförmiger Randbereich 24 vorhanden ist. Die Kupfer-Form 10 ist ebenfalls an eine (nicht dargestellte) elektrische Potentialquelle angeschlossen.
Gemäß herkömmlicher Praxis wird Strom durch die Elektrode und die Form zugespeist bzw. geleitet, so daß am Ende der Elektrode ein Lichtbogen 26 entsteht, durch den Metall 28 von der Elektrode unter Bildung einer Schmelzlache 30 des Metalls in der Form 10 abgeschmolzen wird. Das flüssige Metall 30 erstarrt fortlaufend unter Bildung eines erstarrten Gieß-Blocks 32.
Vor dem Ende des Schmelzvorgangs besitzen der Ring 22 und die Elektrode 20 den in Fig. 2 dargestellten Zustand, wobei der ringförmige Randbereich 24 ungeschmolzen ist und die Konfiguration nach Fig. 2 aufweist. Nahe dem Abschluß oder Ende des Schmelzvorgangs schmilzt der Mittelteil der Elektrode 20 gemäß Fig. 4 einwärts ab. Wenn der Schmelzvorgang abgeschlossen ist, beginnt der Randbereich, wie in den Fig. 3 und 5 gezeigt, weg- oder abzuschmelzen. Infolgedessen kann die Konfiguration des Randbereichs 24 bei seiner Änderung aus dem Zustand gemäß Fig. 2, in welchem dieser Randbereich ungeschmolzen ist, zur Konfiguration gemäß Fig. 3, wobei dieser Randbereich 24 teilweise (ab)geschmolzen ist, beobachtet werden. Diese Sichtanzeige liefert der Bedienungsperson eine Meldung, daß das Ende des Schmelzvorgangs erreicht ist und der Schmelzvorgang unterbrochen werden sollte, um das Schmelzen des Rings und des Elektrodenhalters, wodurch der Block 32 verunreinigt werden würde, zu vermeiden.
Gemäß der Praxis nach der Erfindung verbleibt nur ein(e) vergleichsweise kleiner Abschnitt oder Scheibe (wafer) des Blocks im ungeschmolzenen Zustand; hierdurch wird ein erheblicher Beitrag zur Gesamt-Schmelzleistung geleistet. Diesbezüglich bietet die Erfindung besondere Vorteile bei der Herstellung oder Erzeugung von Titan und Legierungen auf Titanbasis.
Die Überwachung des Zustands des Randbereichs 24 des Blocks kann visuell über in der Form vorgesehene Öffnungen oder Zulässe oder mit Hilfe von Fernsehkameras erfolgen.

Claims

1. Verfahren zum Abbrandelektroden-Lichtbogenschmelzen von Metallen und Legierungen, wobei das Verfahren umfaßt:

Ausbilden einer Anordnung aus einer Elektrode des zu schmelzenden Metalls oder der zu schmelzenden Legierung, (und) einem langgestreckten Ring, dessen eines Ende mit der einen Stirnfläche der Elektrode verbunden ist und der einen Außendurchmesser aufweist, welcher kleiner ist als ein Außendurchmesser der Elektrode, um an der Stirnfläche der Elektrode einen durch den Ring und den Umfang der Stirnfläche definierten ringförmigen Randbereich zu bilden, wobei ein anderes Ende des langgestreckten Rings mit einem an eine Quelle elektrischen Potentials angeschlossenen Elektrodenhalter verbunden ist,

Positionieren der Anordnung innerhalb einer an eine Quelle elektrischen Potentials angeschlossenen gekühlten Form aus leitfähigem Werkstoff,

Erzeugen elektrischen Stroms zwischen der Elektrode und der Form zwecks Erzeugung eines Lichtbogens von einer anderen Stirnfläche der Elektrode zum kontinuierlichen Schmelzen des Metalls oder der Legierung von der Elektrode (her) zwecks fortlaufenden Erstarrens in die Form (hinein), um darin einen Block zu erzeugen, während die Form evakuiert wird,

Beobachten des ringförmigen Randbereichs und

Fortsetzen des Schmelzens, bis der ringförmige Randbereich zumindest zu schmelzen beginnt, und Beenden des Schmelzens, bevor der Randbereich vollständig abschmilzt und keinerlei Schmelzen des langgestreckten Rings auftritt, so daß damit eine Verunreinigung des Blocks durch Abschmelzen von Werkstoff vom Ring oder Elektrodenhalter in den Block vermieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der ringförmige Randbereich an der Stirnfläche der Elektrode eine Breite von mindestens 10 cm (4 Zoll) aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die eine Stirnfläche der Elektrode einen Durchmesser im Bereich von 58 - 74 cm (23 - 29 Zoll) aufweist.