EP0080994A1 - Vorrichtung zum Elektroschlacke-Umschmelzen von Legierungen, insbesondere von Stahl - Google Patents

Vorrichtung zum Elektroschlacke-Umschmelzen von Legierungen, insbesondere von Stahl Download PDF

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EP0080994A1 EP82890166A EP82890166A EP0080994A1 EP 0080994 A1 EP0080994 A1 EP 0080994A1 EP 82890166 A EP82890166 A EP 82890166A EP 82890166 A EP82890166 A EP 82890166A EP 0080994 A1 EP0080994 A1 EP 0080994A1
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/16—Remelting metals
    • C22B9/18—Electroslag remelting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D23/00—Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00
    • B22D23/06—Melting-down metal, e.g. metal particles, in the mould
    • B22D23/10—Electroslag casting

Definitions

  • the invention relates to a device for electroslag remelting alloys, in particular steel.
  • the electrode immersed therein is melted by resistance heating a slag arranged in a mold.
  • a block builds up continuously on the base plate arranged below the mold.
  • This process can be used to obtain particularly high-quality steels from a metallurgical point of view, since the cleaning effect of the slag is particularly great for the slowly dripping melt.
  • the melt which solidifies can thus have a particularly high degree of purity, as a result of which segregations and impurities can be avoided.
  • Another prerequisite for a particularly homogeneous block is a specifically targeted solidification of the molten metal. This targeted, uniform solidification of the melt is not only due to a uniformly cooled mold, but there are also additional effects.
  • the electrode (s) can melt asymmetrically and, on the other hand, asymmetrical crystallization of the block can also occur.
  • this effect is not only due to the increased heat supply from the electrode directly to the slag and the metal melt in this area, but also to an uneven speed of movement of the slag in the mold, the slag preferably being cooled where the speed is low or is zero and thus also solidifies to a greater extent, so that a thicker one in this area There is a deposit of solidified slag than in the other wall areas.
  • the present invention has set itself the goal of providing a device for electro-slag remelting of alloys, in particular steel, which is preferably used in low-frequency systems, e.g. with 3 to 10 Hz, and a particularly large block diameter of over 1 m, in particular over 2 m, enables a completely uniform solidification of the block already in the base thereof.
  • a device for electroslag remelting with a base plate of high electrical conductivity, e.g. Made of copper, which carries the building block and with at least one melting electrode arranged centrally in a liquid-cooled mold with at least one electrical connection of a power source to the base plate, the connection (s) being arranged outside the mold axis and being essentially symmetrical with respect to one Plane of symmetry lies in which the mold axis lies, that the electrical conductor (s) connecting the power source to the base plate (s) is led from an edge region of the base plate to the normal plane of symmetry, which are Normal plane lies in the area of the mold axis.
  • a base plate of high electrical conductivity e.g. Made of copper, which carries the building block and with at least one melting electrode arranged centrally in a liquid-cooled mold with at least one electrical connection of a power source to the base plate, the connection (s) being arranged outside the mold axis and being essentially symmetrical with respect to one Plane of symmetry lies
  • the electrical conductor (s) are led at least to the normal plane deeper than, in particular below, the base plate. It is advantageous if the distance of the conductor (s) to the base plate increases from the connection to the base plate to the normal plane.
  • the connections can be adapted to the local conditions, e.g. Consideration of the shielding effects of plant parts and. Like. Be achieved.
  • the conductor (s) is led at least down to the normal plane and in particular below the base plate, the electromagnetic fields which arise from the currents in the base plate can be compensated for in a space-saving manner in the region of the foot of the block to be melted.
  • a mold 1 is located on a base plate 2, which is arranged on a carriage 3.
  • a melting electrode 7 is immersed in the liquid slag 6. This is electrically conductively connected to the current source 8, a transformer.
  • Both the mold 1 and the electrode 7 are carried by two mutually independent, not shown holding devices, the mold 1 being raised in accordance with the block growth, whereas the electrode 7 is slowly being lowered in accordance with the melting and the slowly rising melt level.
  • the base plate 2 has a connection 9 arranged in the edge region, which is connected via an electrical conductor 10 which is guided below the base plate 1 in such a way that it crosses the normal plane 14 in the region of the mold axis 11 and is electrically conductively connected to the transformer 8.
  • the electrical conductor 10 is guided up to the normal plane 14 lying in the area of the mold axis 11 on the hypothetical plane of symmetry 13 (corresponding to the single connection 9).
  • the electrical conductor 10 is thus carried out starting from the transformer 8 under the base plate 2 and connected to the end of the base plate 2 opposite the transformer.
  • Flg. 3 shows a base plate 2 'which has two connections 9'. Accordingly, two electrical conductors 10 'are provided, which are below the base plate are guided to the normal plane 14 on the plane of symmetry 13, are united there and from there are connected with an electrical conductor 12 to the power source.
  • the schematic view according to FIG. 4 shows the connection 9 "of a base plate 2", which is connected to a conductor 10 ", the distance of which increases from the base plate 2" to the mold axis 11 and then approximately parallel to outside of the base plate 2 " is led.
  • the electrical conductor 10 is not routed below the base plate, but e.g. above or at the same height, then the electrical conductor must be led beyond the normal plane 14, which goes through the mold axis and which is normal to the resultant of the current direction in the base plate.
  • the electrical conductor was not passed under the base plate, but the connection was arranged so that it was immediately adjacent to the transformer, the slag moved asymmetrically, resulting in different cooling rates within the block.

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Abstract

Beim Elektroschlacke-Umschmelzen von Legierungen, insbesondere von Stahl, ist die Anordnung des elektrischen Anschlusses zur Bodenplatte von großer Bedeutung. Besonders gute Ergebnisse beim Elektroschlacke-Umschmelzen können dann erreicht werden, wenn eine Vorrichtung verwendet wird, die mit einer Bodenplatte hoher elektrischer Leitfähigkeit (2), welche den sich aufbauenden Block (4) trägt, ausgestattet ist und mit zumindest einer zentrisch in einer flüssigkeitsgekühlten Kokille (1) angeordneten Abschmelzelektrode (7) mit zumindest einem elektrischen Anschluß einer Stromquelle (8) an die Bodenplatte (2), wobei der Anschluß (9) außerhalb der Kokillenachse (11) angeordnet ist und im wesentlichen symmetrisch bezogen auf eine Symmetrieebane liegt, in der die Kokillenachse (1) liegt, und daß der elektrischen Leiter (10) welcher die Stromquelle (8) mit der Bodenplatte (2) verbindet, von einem Randbereich der Bodenplatte (2) bis über eine Normalebene auf die Symmetrieebene geführt ist welche Normalebene im Bereich der Kokillenachse (11) liegt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Elektroschlacke-Umschmelzen von Legierungen, insbesondere von Stahl.
  • Bei den Anlagen zum Elektroschlacke-Umschmelzen wird durch Widerstandserhitzung einer in einer Kokille angeordneten Schlacke die darin eintauchende Elektrode abgeschmolzen. Hierbei baut sich auf der unterhalb der Kokille angeordneten Bodenplatte kontinuierlich ein Block auf. Nach diesem Verfahren können metallurgisch besonders hochwertige Stähle erhalten werden, da der Reinigungseffekt der Schlacke für die langsam hindurchtropfende Schmelze besonders groß ist. Die zur Erstarrung gelangende Schmelze kann somit einen besonders hohen Reinheitsgrad aufweisen, wodurch Seigerungen und Verunreinigungen vermeidbar sind. Eine weitere Voraussetzung für einen besonders homogenen Block ist nun eine besonders gezielt gleichmäßige Erstarrung der Metallschmelze. Diese gezielte gleichmäßige Erstarrung der Schmelze ist nicht nur durch eine gleichmäßig gekühlte Kokille bedingt, sondern es treten noch zusätzlich weitere Effekte auf.
  • Ist beispielsweise die abschmelzende Elektrode nicht genau zentrisch bzw. sind diese nicht symmetrisch bezogen auf die Kokillenachse angeordnet, so kann oder können einerseits die Elektrode(n) unsymmetrisch abschmelzen und es kann andererseits auch zu einer unsymmetrischen Kristallisation des Blockes kommen. Dieser Effekt ist jedoch nicht nur auf die erhöhte Wärmezufuhr von der Elektrode direkt auf die Schlacke und auf die Metallschmelze in diesem Bereich zurückzuführen, sondern auch auf eine ungleichmäßige Bewegungsgeschwindigkeit der Schlacke in der Kokille, wobei die Schlacke dort bevorzugt abgekühlt wird, wo die Geschwindigkeit gering oder Null ist und damit auch in höherem Maße erstarrt, sodaß in diesem Bereich ein dickerer Belag an erstarrter Schlacke vorliegt, als in den übrigen Wandbereichen.
  • Aus diesen Ausführungen ist zu erkennen, welche Bedeutung der Bewegung der Schlacke zukommt. Die Schlacke und auch die Schmelze sind an sich paramagnetisch. Jedoch dient die Schlacke als elektrischer Leiter und wird als solcher von dem aufgebauten elektromagnetischen Feld beaufschlagt, wodurch eine Rührbewegung in der Schlacke entsteht. Diese Komponente der Rührbewegung in der Schlacke ist nun davon unabhängig, ob ein Gleichstrom bzw. ob niederfrequenter oder hochfrequenter Wechselstrom verwendet wird. Es konnte nun beobachtet werden, daß bei besonders großen Blockdurchmessern, insbesondere bei Verwendung von ni-ederfrequentem Wechselstrom z.B. mit 3 bis 10 Hz, eine asymmetrische Bewegung der Schlacke in der Kokille erfolgt. Es wurde sogar bereits angenommen, daß eine der Ursachen für diese asymmetrische Bewegung die Coriolis-Kraft ist. Weiters wurde versucht, durch eine möglichst symmetrische Anordnung der elektrischen Leiter zu erreichen, daß sich die elektromagnetischen Felder aufheben.
  • Derartige oben angeführte Störungen dürften bei höherfrequenten Wechselströmen auf Grund des Skin-Effektes und der Abschirmung durch die Kokille geringer sein. Eine exakte wissenschaftliche Erklärung für die oben angeführten Phänomene konnte bislang noch nicht gefunden werden, da die hier auftretenden Effekte sich vielfach überlagern. Die Bewegung der Schlacke erfolgt nicht nur durch Stromkräfte, sondern es sind auch noch Wirkungen vorhanden, die z.B. auf den Temperaturgradienten in der Schlacke zurückzuführen sind. Welters können die elektromagnetischen Felder durch in einem Stahlwerk immer vorhandene ferromagnetische Anlagenteile abgeschirmt bzw. beeinflußt werden. Derartige Abschirmungen von elektromagnetischen Feldern können zwar Störeinflüsse beseitigen bzw. verringern, jedoch kann dadurch der Gesamtenergieverbrauch pro umzuschmelzende Legierungseinheit wesentlich erhöht werden.
  • Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine Vorrichtung zum Elektroschlacke-Umschmelzen von Legierungen, insbesondere von Stahl, zu schaffen, die vorzugsweise bei niederfrequenten Anlagen, z.B. mit 3 bis 10 Hz, und einem besonders großen Blockdurchmesser von über 1 m, insbesondere über 2 m, ein vollkommen gleichmäßiges Erstarren des Blockes bereits im Fußtell desselben ermöglicht.
  • Es wurde nun vollkommen überraschend gefunden, daß dies erreicht wird mit einer Vorrichtung zum Elektroschlacke-Umschmelzen mit einer Bodenplatte hoher elektrischer Leitfähigkeit, z.B. aus Kupfer, welche den sich aufbauenden Block trägt und mit zumindest einer zentrisch in einer flüssigkeitsgekühlten Kokille angeordneten Abschmelzelektrode mit zumindest einem elektrischen Anschluß einer Stromquelle an die Bodenplatte, wobei der/die Anschlüsse außerhalb der Kokillenachse angeordnet ist/sind und im wesentlichen symmetrisch bezogen auf eine Symmetrieebene liegt(en), in der die Kokillenachse liegt, daß der/die elektrischen Leiter welche(r) die Stromquelle mit der Bodenplatte verbindet(n), von einem Randbereich der Bodenplatte bis über eine Normalebene auf die Symmetrieebene geführt ist/sind, welche Normalebene im Bereich der Kokillenachse liegt.
  • Durch eine derartige Anordnung wird zwar keine Symmetrierung der elektromagnetischen Kräfte erreicht, jedoch hat sich ergeben, daß bei einem erfindungsgemäßen Anschluß der Stromquelle an die Bodenplatte die Bewegung der Schlacke und damit die Abkühlung des Stahles in der Kokille in vollkommen gleichmäßiger Form erreichbar ist, selbst bei einem niederfrequenten Wechselstrom mit 3 bis 10 Hz und bei Blöcken mit besonders großem Durchmesser.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung 1st/ sind der/die elektrischen Leiter zumindest bis zur Normalebene tiefer als, insbesondere unterhalb der Bodenplatte geführt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Abstand der/des Leiter(s) zur Bodenplatte vom Anschluß an die Bodenplatte bis zur Normalebene zunimmt.
  • Durch eine derartige Anordnung kann je nach Neigung der elektrischen Leiter zur Bodenplatte eine Anpassung der Anschlüsse an die örtlichen Gegebenheiten z.B. Berücksichtigung der Abschirmeffekte von Anlagenteilen u. dgl. erreicht werden.
  • Sind der/die Leiter zumindest bis zur Normalebene tiefer und insbesondere unterhalb der Bodenplatte geführt, so kann auf besonders einfache Art und Weise die elektromagnetischen Felder, welche aus den Strömen in der Bodenplatte erwachsen, platzsparend im Bereich des Fußes des zu erschmelzenden Blockes kompensiert werden.
  • Sind zumindest zwei Anschlüsse an die Bodenplatte vorgesehen, welche im Bereich der Kokillenachse bzw. der Normalebene mit einem einzigen Leiter verbunden sind, so kann auch bei Bodenplatten, die eine geringere elektrische Leitfähigkeit haben bzw. bei besonders großen Blockdurchmessern eine gleichmäßige elektrische Ableitung aus dem Block bzw. im Anfangsstadium aus der Schlacke erfolgen, wobei gleichzeitig die unerwünschten Effekte der unsymmetrischen Rührbewegung in der Schlacke vermieden sind.
  • Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert:
    • Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anlage zum Elektroschlacke-Umschmelzen teilweise im Schnitt, Fig. 2 die Anlage gemäß Fig. 1 in Draufsicht und die Fig. 3 bzw. 4 verschiedene weitere erfindungsgemäße Anschlußmöglichkeiten an eine Bodenplatte.
  • Bei der schematischen Darstellung gemäß Fig. 1 befindet sich eine Kokille 1 auf einer Bodenplatte 2, die auf einem Wagen 3 angeordnet ist. In der mit Wasser gekühlten Kokille befindet sich bereits erstarrte Metallschmelze 4, oberhalb welcher sich noch flüssige Schmelze 5 und die flüssige Schlacke 6 befindet. In die flüssige Schlacke 6 taucht eine Abschmelzelektrode 7 ein. Diese Ist mit der Stromquelle 8, einem Transformator, elektrisch leitend verbunden. Sowohl die Kokille 1 als auch die Elektrode 7 werden von zwei voneinander unabhängigen, nicht dargestellten Halteeinrichtungen getragen, wobei die Kokille 1 entsprechend dem Blockwachstum gehoben wird, wohingegen die Elektrode 7 entsprechend dem Abschmelzen und dem langsam steigenden Schmelzenspiegel langsam abgesenkt wird. Die Bodenplatte 2 weist einen im Randbereich angeordneten Anschluß 9 auf, welcher über einen elektrischen Leiter 10, der unterhalb der Bodenplatte 1 so geführt ist, daß er die Normalebene 14 im Bereich der Kokillenachse 11 quert und mit dem Transformator 8 elektrisch leitend verbunden ist. Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, Ist der elektrische Leiter 10 bis über die im Bereich der Kokillenachse 11 liegende Normalebene 14 auf der hypothetischen Symmetrieebene 13 (entsprechend dem einzigen Anschluß 9) geführt.
  • Der elektrische Leiter 10 Ist also vom Transformator 8 ausgehend unter der Bodenplatte 2 durchgeführt und an dem dem Transformator gegenüberliegenden Ende der Bodenplatte 2 angeschlossen.
  • In Flg. 3 ist eine Bodenplatte 2' dargestellt, die zwei Anschlüsse 9' aufweist. Es sind dementsprechend zwei elektrische Leiter 10' vorgesehen, die unter der Bodenplatte bis zur Normalebene 14 auf die Symmetrieebene 13 geführt sind, dort vereinigt werden und von dort an mit einem elektrischen Leiter 12 mit der Stromquelle verbunden sind.
  • Die schematische Ansicht gemäß Fig. 4 zeigt den Anschluß 9" einer Bodenplatte 2", welcher mit einem Leiter 10" verbunden ist, dessen Abstand von der Bodenplatte 2" bis hin zur Kokillenachse 11 zunimmt und dann etwa parallel weiter bis außerhalb der Bodenplatte 2" geführt ist.
  • Wird der elektrische Leiter 10 nicht unterhalb der Bodenplatte geführt, sondern z.B. oberhalb oder in gleicher Höhe, dann muß der elektrische Leiter über die Normalebene 14 hinausgeführt werden, welche durch die Kokillenachse geht und die normal zur Resultierenden der Stromrichtung in der Bodenplatte verläuft.
  • Mit einer Anlage gemäß Fig. 1 wurde ein Block mit einem Durchmesser von 1,5 m erschmolzen, wobei ein niederfrequenter Wechselstrom mit 5 Hz zur Anwendung gelangte. Die Bewegung der Schlacke war bereits zu Beginn des Umschmelzvorganges vollkommen symmetrisch bezogen auf die Kokillenachse.
  • Wurde bei derselben Anlage der elektrische Leiter nicht unter der Bodenplatte hindurchgeführt, sondern der Anschluß so angeordnet, daß er dem Transformator unmittelbar benachbart war, so trat eine unsymmetrische Bewegung der Schlacke auf, sodaß es zu unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten innerhalb des Blockes kam.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Elektroschlacke-Umschmelzen mit einer Bodenplatte hoher elektrischer Leitfähigkeit (2, 2' , 2"), z.B. aus Kupfer, welche den sich aufbauenden Block (4) trägt und mit zumindest einer zentrisch in einer flüssigkeitsgekühlten Kokille (1) angeordneten Abschmelzelektrode (7) mit zumindest einem elektrischen Anschluß einer Stromquelle (8) an die Bodenplatte (2, 2', 2"), wobei der/ die Anschlüsse (9, 9', 9") außerhalb der Kokillenachse (11) angeordnet ist/sind und im wesentlichen symmetrisch bezogen auf eine Symmetrieebene (13) liegt(en), in der die Kokillenachse (11) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der/die elektrischen Leiter (10, 10', 10"), welche(r) die Stromquelle (8) mit der Bodenplatte (2, 2', 2") verbindet(n), von einem Randbereich der Bodenplatte (2, 2', 2") bis über eine Normalebene (14) auf die Symmetrieebene (13) geführt ist/sind, welche Normalebene (14) im Bereich der Kokillenachse (11) liegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der/die elektrischen Leiter zumindest bis zur Noramlebene (14) tiefer als,insbesondere unterhalb der Bodenplatte (2, 2' , 2") geführt ist/sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der/des Leiter(s) (10") zur Boden- . platte (2") vom Anschluß (9") an die Bodenplatte (2") bis zur Normalebene (14) zunimmt.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von der Stromquelle (8) ein elektrischer Leiter (12) bis zur Normalebene (14) führt und von diesem Bereich an eine Leiterteilung zu zumindest zwei Anschlüssen (9') an die Bodenplatte (2') führt.
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