EP0207066B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Blöcken - Google Patents

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EP0207066B1
EP0207066B1 EP86890177A EP86890177A EP0207066B1 EP 0207066 B1 EP0207066 B1 EP 0207066B1 EP 86890177 A EP86890177 A EP 86890177A EP 86890177 A EP86890177 A EP 86890177A EP 0207066 B1 EP0207066 B1 EP 0207066B1
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EP
European Patent Office
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mould
electrode
cover
slag
base plate
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EP86890177A
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EP0207066A2 (de
EP0207066A3 (en
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Herbert Barg
Peter Dipl.-Ing. Machner
Wilfried Dr. Meyer
Werner Dr. Mitter
Kurt Ing. Schwarz
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Boehler GmbH
Original Assignee
Boehler GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
    • B22D27/06—Heating the top discard of ingots
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D7/00—Casting ingots, e.g. from ferrous metals
    • B22D7/06—Ingot moulds or their manufacture
    • B22D7/10—Hot tops therefor

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and to a device according to the preamble of claim 3 for the production of blocks, wherein a metallic melt, e.g. Steel melt is introduced into a one-part or multi-part mold with an attachment, whereupon the block is allowed to solidify with the addition of heat.
  • a metallic melt e.g. Steel melt
  • Typical defects are the negatively segregated bottom cone, in many cases also contaminated with non-metallic inclusions, shrinkage cavities, connected with V segregations in the block axis, in the block crest the positive segregation with enrichments of C, S and P, and finally the A or ⁇ segregations with enrichments of S and P. There is currently no generally accepted theory for the origin of these segregations.
  • a method (GB-PS-948161) is known in order to increase the discharge of blocks, in which the mold and partly the refractory-supplied attachment are filled with steel and slag is applied to the steel mirror, into which a melting electrode is immersed, the slag bath being supplied by electrical current heated and the electrode melted.
  • the melting electrode is formed with a support part made of steel and a further part containing alloying, slagging or refining agents, which are selected to obtain an essentially homogeneous block composition.
  • Block errors can be avoided with the following method of the type mentioned (FR-A-2347996).
  • a water-cooled ring is used or placed, the mold is filled with steel, and a layer of metallurgically active slag is placed on the steel, into which an electrode is immersed.
  • the slag bath is heated so strongly that the electrode melts and compensates for shrinkage cavities in the block during the solidification process.
  • the solidification can also be influenced by targeted variation of the energy supply.
  • Blocks produced by this method have no negative soil segregation with the associated disadvantages, no V segregation and hardly any shrinkage cavities. This has been demonstrated on several thousand forging blocks that were manufactured using this method.
  • Turbine manufacturers are now also attaching particular importance to very finely divided non-metallic inclusions with substitute defect sizes of around 1 mm in ultrasonic testing. Such errors could not be avoided with sufficient certainty using the above method.
  • the object of the present invention is now to provide a method and a device which also make it possible to reliably avoid substitute error sizes by 1 mm, at the same time requiring no increased or no significantly increased effort both from the energy side and for the devices should be.
  • heat is supplied to the slag with a power density of 0.4 to 2.0, in particular 0.5 to 2.0 kW / cm 2 and a current density of 8 to 25 A / cm 2 in each case Electrode.
  • a power density of 0.4 to 2.0 in particular 0.5 to 2.0 kW / cm 2 and a current density of 8 to 25 A / cm 2 in each case Electrode.
  • This can be achieved in the slag two superimposed forces occur, the thermally induced force causing a bath movement in such a way that the slag rises below the electrode, moves on the surface to the outside of the hood and then the now cooled slag comes to the surface of the molten metal and thus cools down.
  • the advantageous slag movement which is caused by the preferably larger Lorenz force, runs approximately in the opposite direction into the block, namely the hot slag sinks below the electrode to the metal surface, releases its heat to the metal mirror and then moves to the edge of the attachment , rises up there along the wall and the cooled slag moves back to the electrode on the surface of the slag level.
  • This also creates a lid made of solidified slag, which is also desirable because thermal insulation is achieved.
  • the device according to the invention for producing metallic blocks with a one-part or multi-part mold which has an attachment in which an electrode projects, which is connected to a pole of a voltage source, while a further electrode and / or the bottom region of the mold or its base plate is connected to a further pole of the voltage source, consists essentially in the fact that the upper part of the mold has thermal insulation inside the mold wall or on the outer wall thereof, which preferably extends over a third of the height of the mold without the part, and that the base plate is coolable.
  • the block has the desired solidification behavior, whereby the preferred solidification of the block base can be further promoted by a fluid-cooled base plate.
  • a fluid-cooled base plate Such a device is particularly simple and it was also not obvious to design it in such a way, since different effects appearing to be opposite to one another are achieved on a block, namely supplying heat, delayed cooling and preferential cooling.
  • the mold has a higher wall thickness in relation to its lower region, in particular to the base plate, than to its upper region.
  • the higher wall thickness in the lower area results in a higher heat absorption capacity due to the higher mass, in addition the contact area with the base plate is increased, while the lower wall thickness in the upper area results in a reduced heat absorption capacity.
  • the device for the production of blocks shown schematically in the drawing has a base plate 1, which is supplied with cooling water via water supply and discharge lines 2, 3, cooling with another fluid, e.g. Liquid metal, gases or the like can also be made.
  • a base plate On the base plate lies a lower part 4 of the mold, which has a recess 5, into which the pouring channel opens for an increasing casting.
  • the middle part 6 of the mold has a slightly conical cross section that opens upwards.
  • an upper mold part 7 is placed, which carries on its outside a thermal insulation 8, which is filled with a mineral insulation, for example mineral wool, vermiculite or asbestos, and has a sheet metal jacket for protection against mechanical damage.
  • a water-cooled attachment 9 is provided, in which a melting electrode 10 is arranged. Both the base plate 1 and the electrode 10 are connected to a voltage source 11, shown schematically.
  • the molten metal 12 does not reach the top 9, but there is a melted slag 13 between the top and the molten metal.
  • the block solidified completely after 16 hours, whereupon both the coolant supply to the base plate and to the attachment was interrupted, and at the same time no further heat was supplied via the melting electrode.
  • the block thus obtained was examined with ultrasound and showed no inclusions with substitute defect sizes of around 1 mm in the foot, in the center or in the head.
  • Example 2 The procedure was analogous to Example 1, but the device had no thermal insulation in the upper third of the mold.
  • the block did not have a negatively pitched bottom cone with partially coarse non-metallic inclusions, had hardly any lambda or shadow stripes, and there were no V segregations and hardly any shrinkage cavities, but non-metallic inclusions with substitute defect sizes of around 1 mm were found during the ultrasound test.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Auspruchs 3 zur Herstellung von Blöcken, wobei eine metallische Schmelze, z.B. Stahlschmelze in eine ein-oder mehrteilige Kokille mit Aufsatz eingebracht wird, worauf unter Wärmezufuhr der Block erstarren gelassen wird.
  • Die Erzeugung schwerer Schmiedeblöcke als Ausgangsprodukt für Schmiedestücke für den Kraftwerksbau stellt eine der größten Herausforderungen für den Stahlwerker dar. Die Anforderungen der Turbinenbauer an Reinheitsgrad und Freiheit von Seigerungen sind auch mit modernen Verfahren nur schwer einzuhalten.
  • Während Erschmelzung und Schmelzbehandlung in den letzten Jahren durch den Einsatz moderner Pfannenmetallurgieanlagen große Fortschritte erzielt haben, bleibt die Erstarrung im konventionellen Blockguß nach wie vor das am wenigsten zu beeinflussende Glied in der Erzeugungskette.
  • Typische Fehlerscheinungen sind der negativ geseigerte Bodenkegel, in vielen Fällen auch mit nichtmetallischen Einschlüssen verunreinigt, Schumpfungshohlräume, verbunden mit V-Seigerungen in der Blockachse, im Blockschopf die positive Seigerung mit Anreicherungen von C, S und P, schließlich die A- oder λ-Seigerungen mit Anreicherungen von S und P. Für die Entstehung dieser Seigerungen gibt es zurzeit noch keine allgemein anerkannte Theorie.
  • Um nichtmetallische Einschlüsse aus dem Bodenkegel zu vermeiden, müssen bei schweren Blöcken 15% und mehr vom Blockboden abgesetzt werden. Der Anteil des verlorenen Kopfes kann bei sehr schweren Blöcken 25 und mehr Prozente betragen. Eine Beeinflussung der Erstarrung ist nur in sehr beschränktem Ausmaß über Änderungen der Blockgeometrie oder der isolierenden Haubeneinsatzes möglich.
  • Zur Erhöhung des Blockausbringens ist ein Verfahren (GB-PS-948161) bekannt, bei welchem die Kokille und teilweise der feuerfest zugestellte Aufsatz mit Stahl gefüllt werden und auf den Stahlspiegel Schlacke aufgebracht wird, in welche eine Abschmelzeleketrode eintaucht, wobei durch elektrische Stromzufuhr das Schlakkenbad erhitzt und die Elektrode abgeschmolzen werden. Die Abschmelzelektrode ist dabei mit einem Trägerteil aus Stahl und einem weiteren Teil enthaltend Legierungs-, Schlackungs- oder Feinungsmittel, welche zum Erhalt einer im wesentlichen homogenen Blockzusammensetzung ausgewählt sind, gebildet.
  • Blockfehler können mit dem folgenden Verfahren der genannten Gattung (FR-A-2347996) vermieden werden. In einer herkömmlichen ein-oder mehrteiligen Schmiedeblockkokille wird ein wassergekühlter Ring eingesetzt bzw. aufgesetzt, die Kokille mit Stahl gefüllt, auf den Stahl kommt eine Schicht metallurgisch aktiver Schlacke, in die eine Elektrode eingetaucht wird. Durch Zufuhr elektrischer Energie wird das Schlackenbad so stark erhitzt, daß die Elektrode abschmilzt und während des Erstarrungsprozesses Schrumpfungshohlräume im Block ausgleicht. Durch gezielte Variation der Energiezufuhr kann auch die Erstarrung beeinflußt werden. Blöcke, die nach diesem Verfahren hergestellt werden, weisen keine negative Bodenseigerung mit den damit verbundenen Nachteilen, keine V-Seigerungen und kaum Schumpfungshohlräume auf. Dies konnte an mehreren tausend Schmiedeblöcken, die nach diesem Verfahren hergestellt wurden, bewiesen werden.
  • Von Turbinenherstellern wird nunmehr auch sehr fein verteilten nichtmetallischen Einschlüssen mit Ersatzfehlergrößen um 1 mm bei der Ultraschallprüfung besondere Bedeutung beigemessen. Derartige Fehler konnten mit dem oben angeführten Verfahren nicht mit ausreichender Sicherheit vermieden werden.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahrn und eine Vorrichtung zu schaffen, die es erlauben, auch mit Sicherheit Ersatzfehlergrößen um 1 mm zu vermeiden, wobei gleichzeitig kein erhöhter oder kein wesentlichen erhöhter Aufwand sowohl von der Energieseite als auch für die Vorrichtungen erforderlich sein soll.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Blöcken, wobei eine metallische Schmelze in eine ein- oder mehrteilige Kokille mit Aufsatz bis unterhalb des Aufsatzes eingebracht wird, worauf eine elektrisch leitende Schlacke auf den Metallspiegel aufgebracht, und über eine nicht schmelzende oder abschmelzende Elektrode der Schmelze und damit dem erstarrenden Block Wärme und gegebenenfalls weitere Schmelze zugeführt wird, besteht im wesentlichen darin, daß der Kokille in ihrem oberen Bereich und damit dem erstarrenden Block unterhalb des Aufsatzes verzögert Wärme entzogen wird, wobei der untere Teil der Kokille und/oder die Bodenplatte gekühlt wird.
  • Durch diese gezielte Wärmezufuhr und Wärmeableitung bzw. Kühlung kann erreicht werden, daß der Block schalenweise erstarrt, wobei im Blockkopf die Erstarrung so lange verhindert werden kann, daß keine flaschenhalsartigen Verengungen der bereits erstarrten Schmelze eintreten, wodurch Seigerungen oder Einschlüsse und dgl., welche den oben angeführten Fehler verursachen, vermeidbar sind. Es war nun durchaus überraschen, daß mit einer derartigen gezielten Erstarrung es auch erreicht werden kann, daß diese Fehler, welche teilweise auf nichtmetallische Einschlüsse zurückzuführen sind, durch vermutlicherweise Aufsteigen oder Aufschwimmen dieser nichtmetallischen Einschlüsse beseitigt werden können.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird der Schlacke Wärme zugeführt mit einer Leistungsdichte von 0,4 bis 2,0, insbesondere 0,5 bis 2,0 kW/cm2 und einer Stromdichte von 8 bis 25 A/cm2 jeweils an der Elektrode. Damit läßt sich erreichen, daß in der Schlacke zwei sich überlagernde Kräfte auftreten, wobei die thermisch bedingte Kraft eine Badbewegung in der Weise bewirkt, daß die Schlacke unterhalb der Elektrode aufsteigt, an der Oberfläche zur Haubenaußenseite sich bewegt und sodann die nunmehr abgekühlte Schlacke an die Oberfläche der Metallschmelze kommt und damit abkühlt. Die vorteilhafte Schlackenbewegung, welche durch die bevorzugt größere Lorenzkraft bewirkt wird, verläuft etwa gegensinnig in den Block hinein gerichtet, und zwar sinkt die heiße Schlacke unterhalb der Elektrode bis zur Metalloberfläche, gibt ihre Wärme an den Metallspiegel ab und bewegt sich hierauf zum Rand des Aufsatzes, steigt dort entlang der Wand hoch, und die abgekühlte Schlacke bewegt sich an der Oberfläche des Schlackenspiegels wieder zur Elektrode. Dadurch entsteht weiters ein Deckel aus erstarrter Schlacke, welcher ebenfalls erwünscht ist, da eine thermische Isolierung erreicht wird. Mit einer derartigen Schlackenbewegung wird weiters auch ein flaschenartiges Einschnüren des Blockes beim Erstarren vermieden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von metallischen Blöcken mit einer ein-oder mehrteiligen Kokille, die einen Aufsatz aufweist, in welchen eine Elektrode ragt, die mit einem Pol einer Spannungsquelle verbunden ist, während eine weitere Elektrode und/oder der Bodenbereich der Kokille oder deren Bodenplatte mit einem weiteren Pol der Spannungsquelle verbunden ist, besteht im wesentlichen darin, daß die Kokille in ihrem oberen Bereich unterhalb des Aufsatzes eine thermische Isolierung innerhalb der Kokillenwand oder an deren Außenwandung aufweist, die sich bevorzugt über ein Drittel der Höhe der Kokille ohne Aufsatz erstreckt, und daß die Bodenplatte kühlbar ist.
  • Durch die thermische Isolierung der Kokille unterhalb ihres gekühlten Aufsatzes kann nun erreicht werden, daß der Block das erwünschte Erstarrungsverhalten aufweist, wobei durch eine fluidgekühlte Bodenplatte das bevorzugte Erstarren des Blockfußes noch weiter gefördert werden kann. Eine derartige Einrichtung ist besonders einfach und es war auch nicht naheliegend, sie so zu konzipieren, da an einem Block unterschiedliche scheinbar zueinander entgegengesetzte Wirkungen erreicht werden, und zwar Zuführung von Wärme, verzögertes Abkühlen und bevorzugtes Abkühlen.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung weist bei einer mehrteiligen Kokille im wesentlichen der gesamte obere Teil derselben eine thermische Isolierung auf.
  • Schließlich ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform bevorzugt, und verstärkt die Effekte der unterschiedlichen Wärmeabfuhr, wenn die Kokille zu ihrem unteren, insbesondere der Bodenplatte zugeordneten Bereich ihn eine höhere Wandstärke aufweist, als zu ihrem oberen Bereich hin. Die höhere Wandstärke im unteren Bereich bewirkt infolge der höheren Masse ein höheres Wärmeaufnahmevermögen, darüber hinaus ist die Kontaktfläche mit der Bodenplatte erhöht, während die geringere Wanddicke im oberen Bereich ein vermindertes Wärmeschluckvermögen bewirkt.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beispiele und der Zeichnung, in welcher eine Kokille mit Blockkopfheizung dargestellt ist, näher erläutert.
  • Die in der Zeichnung schematisch dargestellte Vorrichtung zur Herstellung von Blöcken weist eine Bodenplatte 1 auf, die über Wasserzu- und -ableitungen 2, 3 mit Kühlwasser versorgt wird, eine Kühlung mit einem anderen Fluid z.B. Flüssigmetall, Gase od. dgl. kann ebenfalls erfolgen. Auf der Bodenplatte liegt ein unterer Teil 4 der Kokille auf, welcher eine Ausnehmung 5 besitzt, in welche der Gießkanal für einen steigenden Guß mündet. Der mittlere Teil 6 der Kokille weist einen leicht konischen nach oben sich öffnenden Querschnitt auf. Auf diesem Kokillenteil 6 ist ein oberer Kokillenteil 7 aufgesetzt, der an seiner Außenseite eine thermische Isolierung 8 trägt, die mit einer mineralischen Isolierung, beispielsweise Mineralwolle, Vermiculit oder Asbest gefüllt ist, und einen Blechmantel zum Schutz gegen mechanische Beschädigung aufweist. Weiters ist ein wassergekühlter Aufsatz 9 vorgesehen, in welchem eine abschmelzende Elektrode 10 angeordnet ist. Sowohl die Bodenplatte 1 als auch die Elektrode 10 sind mit einer schematisch dargestellten Spannungsquelle 11 verbunden. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, reicht die Metallschmelze 12 nicht bis zum Aufsatz 9, sondern es befindet sich zwischen Aufsatz und Metallschmelze eine erschmolzene Schlacke 13.
    • Beispiel 1
  • In einer Vorrichtung gemäß der Zeichnung wurden 36 t einer Schmelze folgender chemischer Zusammensetzung in Gew.-% C 0,27, S 0,001, P 0,003, Mn 0,40, Cr 1,32, Mo 0,44, Ni 2,64, V 0,05 und danach eine Elektrode mit einem Durchmesser von 300 mm eingebracht. Auf die Metallschmelze wurde sodann eine flüssige, erschmolzene Schlacke aufgebracht, worauf der Aufsatz in die Schlacke eingetaucht wurde, wobei ein Eintauchen desselben in die Metallschmelze vermieden wurde. Sodann wurde eine Elektrode mit einem Durchmesser von 300 mm in die Schlacke eingetaucht. Der Schmelze wurde sodann über die Elektrode im Laufe des Erstarrens von 10 Stunden Wärme und zwar anfänglich mit einer Leistungsdichte von 1,33 kW/cm2 und einer Stromdichte von 12 Ampere/cm2 an der Elektrode zugeführt. Der Block war nach 16 Stunden vollkommen erstarrt, worauf sowohl die Kühlmittelzufuhr zur Bodenplatte als auch zum Aufsatz unterbrochen wurde, und gleichzeitig nicht weitere Wärme über die abschmelzende Elektrode zugeführt wurde. Der so erhaltene Block wurde mit Ultraschall geprüft und wies weder im Fuß noch im Zentrum, noch im Kopf Einschlüsse mit Ersatzfehlergrößen um 1 mm auf.
    • Beispiel 2
  • Es wurde analog Beispiel 1 vorgegangen, jedoch hatte die Vorrichtung keine thermische Isolierung im oberen Drittel der Kokille. Der Block wies zwar keinen negativ geseigerten Bodenkegel mit teilweise groben nichtmetallischen Einschlüssen auf, besaß kaum Lambda- oder Schattenstreifen, und es waren keine V-Seigerungen und kaum Schwindungshohlräume vertreten, jedoch bei der Ultraschallprüfung konnten nichtmetallische Einschlüsse mit Ersatzfehlergrößen um 1 mm festgestellt werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Blöcken, wobei eine metallische Schmelze (12) in eine ein-oder mehrteilige Kokille mit Aufsatz (9) bis unterhalb des Aufsatzes eingebracht wird, worauf eine elektrisch leitende Schlacke (13) auf den Metallspiegel aufgebracht und über eine nicht schmelzende oder abschmelzende Elektrode (10) der Schmelze und damit dem erstarrenden Block Wärme und gegebenenfalls weitere Schmelze zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kokille in ihrem oberen Bereich (7) und damit dem erstarrenden Block unterhalb des Aufsatzes (9) verzögert Wärme entzogen wird, wobei der untere Teil der Kokille (4) und/oder die Bodenplatte (1) gekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssigen Schlacke (13) Wärme mit einer Leistungs-dichte von zumindest 0,4 bis 2,0 kW/cm2 und Stromdichte 8 bis 25 A/cm2 jeweils an der Elektrode eingebracht wird.
3. Vorrichtung zur Herstellung von metallischen Blöcken mit einer ein- oder mehrteiligen Kokille, die einen Aufsatz (9) aufweist, in welchen eine Elektrode (10) ragt, die mit einem Pol einer Spannungsquelle (11) verbunden ist, während eine weitere Elektrode und/oder der Bodenbereich der Kokille oder deren Bodenplatte (1) mit einem weiteren Pol der Spannungsquelle (11) verbunden ist zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille in ihrem oberen Bereich (7) unterhalb des Aufsatzes (9) eine thermische Isolierung (8) innerhalb der Kokillenwand oder an deren Außenwandung aufweist, die sich bevorzugt über ein Drittel der Höhe der Kokille ohne Aufsatz erstreckt, und daß die Bodenplatte (1) kühlbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer mehrteiligen Kokille im wesentlichen der gesamte obere Teil (7) der Kokille eine thermische Isolierung (8) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille in ihrem unteren Bereich (4) bzw. ihrem unteren Bereich (4) zugewandt, eine höhere Wandstärke aufweist als in ihrem oberen Bereich (7) bzw. ihrem oberen Bereich (7) zugewandt.
EP86890177A 1985-06-19 1986-06-17 Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Blöcken Expired - Lifetime EP0207066B1 (de)

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EP0207066A3 EP0207066A3 (en) 1989-03-29
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AT (1) AT395296B (de)
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DE (1) DE3676748D1 (de)

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