EP0276357B1

EP0276357B1 - Verfahren zur Herstellung von Blöcken aus Metallen, insbesondere aus Stählen

Info

Publication number: EP0276357B1
Application number: EP87108257A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Dr. Mont. Holzgruber; Gerhard Ing. Prokop
Original assignee: Inteco Internationale Techinsche Beratung GmbH
Current assignee: Inteco Internationale Techinsche Beratung GmbH
Priority date: 1987-01-09
Filing date: 1987-06-06
Publication date: 1990-11-07
Anticipated expiration: 2007-06-06
Also published as: EP0276357A1; DE3722166C2; ATA3087A; AT388751B; DE3722166A1; ATE58180T1; DE3766098D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Blöcken aus Metallen, insbesondere aus Stählen nach dem Prinzip des wachsenden Blokkes durch Abschmelzen verzehrbarer Elektroden in kurzen wassergekühlten Gleitkokillen durch Elektronenstrahl, Plasma, Lichtbogen oder insbesondere auch in Elektroschlackeumschmelzanlagen.
Die dabei verwendeten Gleitkokillen werden entsprechend dem nach oben wachsenden Block nach oben bewegt, bzw. es wird der wachsende Block relativ zur feststehenden Gleitkokille nach unten bewegt. Dabei kann die Bewegung der Gleitkokille oder des Blockes kontinuierlich oder schrittweise erfolgen.
Während Vakuumlichtbogenöfen mit selbstverzehrenden Elektroden ausschließlich mit Standtiegeln betrieben werden, wird bei Elektronenstrahlöfen und Plasmaumschmelzanlagen vorzugsweise mit Blockabzugsvorrichtungen gearbeitet, wobei die aufgebauten Blöcke sowohl kontinuierlich als auch schrittweise aus den Kokillen abgezogen werden.
Elektroschlacke-Umschmelzanlagen (ESU) waren ursprünglich 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-Anlagen mit kurzen Gleitkokillen, welche die Herstellung relativ langer Umschmelzblöcke, unabhängig von der Kokillenlänge ermöglichten. Im Zusammenhang damit kam es auch zur Entwicklung der Elektrodenwechseltechnik, mit Hilfe derer mehrere Abschmelzelektroden hintereinander abgeschmolzen werden konnten. Damit war die Herstellung langer ESU-Blöcke unabhängig von der Länge der Abschmelzelektrode 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 Metallund Schlackenspiegel in der kurzen Kokille auf annähernd gleichem Niveau zu halten. Eine andere, ebenfalls angewandte Möglichkeit ist es die kurze Kokille fest in die Anlagenstruktur einzubauen und die Bodenplatte mit dem darauf aufgebauten Block entsprechend der Wachstumsgeschwindigkeit 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 Bodenplattenhubs wird dabei vielfach so gewählt, daß sie möglichst genau der Blockwachstumsgeschwindigkeit des Blockes entspricht und somit mit einer annähernd gleichmäßigen und konstanten Block- oder Kokillenabzugsgeschwindigkeit 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 unterbrochen wird, bis der Schlackenspiegel wieder das ursprüngliche Niveau erreicht hat. Anschließend erfolgt ein weiterer 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 Durchmessern angewendet. Bei der Herstellung von Blöcken mit größeren Durchmessern treten jedoch fallweise Schwierigkeiten auf, welche sich in der Ausbildung schlechter und schuppiger Blockoberflächen äußern und in ungünstigen Fällen 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 martensitischen Stählen, aber auch bei niedriggekohlten Kohlenstoffstählen und niedriglegierten Stählen kommen diese Erscheinungen immer wieder vor und haben erhebliche Störungen in der Produktion zur Folge.
Vielfach behilft man sich damit die Abschmelzrate einzuschränken, was einen nachteiligen Einfluß auf die Produktionsleistung der Anlage hat. Es wurde auch vorgeschlagen die Schlackenmengen zu erhöhen, was ebenfalls eine nachteilige Auswirkung auf die Produktionskosten hat. Vielfach beschränkt man sich auch auf die Herstellung nur kurzer Blöcke oder weicht überhaupt wieder auf die herkömmlichen Standkokillen aus.
Alles in allem ist jedenfalls die Herstellung einer Reihe von Stahlqualitäten, wenn Blockdurchmesser über 700 mm benötigt werden, in kurzen Gleitkokillen mit immer wieder auftretenden, 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 Blockoberfläche auf, die eine Nachbearbeitung der Oberfläche vor der Weiterverarbeitung erforderlich macht, was zu Verzögerungen im Produktionsablauf, Verringerung des Ausbringens und zu einer Erhöhung der Herstellungskosten führt.
Grundsätzlich bestehen diese hier für das ESU-Verfahren geschilderten Schwierigkeiten auch dann, wenn die selbstverzehrbaren Elektroden im Vakuum durch Lichtbogen oder Elektronenstrahl oder aber durch einen Plasmalichtbogen abgeschmolzen und das abgeschmolzene Metall aus Gleitkokillen abgezogen wird. Die Probleme sind bei diesen Verfahren deshalb 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 geeignete Verfahrensweise die oben geschilderten Schwierigkeiten beim Arbeiten mit kurzen Gleitkokillen zu beheben. Dabei wird von der Überlegung ausgegangen, daß ein Auftreten von Lappen, Tränen und letzlich ein Auslaufen von flüssigem Metall nur dann erfolgen kann, wenn die an der Kokillenwand 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 allgemeinen im Kontakt mit der wassergekühlten Kokille wieder erstarrt. Wenn die erstarrte Randschicht jedoch aufgrund der Schrumpfung von der Kokillenwand abgehoben hat und somit ein Spalt zwischen Kokillenwand und erstarrter Randschicht besteht, kann das durch den Riß austretende Metall in diesen Spalt eindringen, wo es im günstigsten Fall unter Bildung von Lappen oder Tränen erstarrt. Ist der Spalt jedoch zu groß, was insbesondere bei Blöcken größeren Durchmessers 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 bekannten Verfahren führt der Vorschlag, daß der Metallspiegel in der Kokille durch einen Abzugsvorhub zunächst mit einer Geschwindigkeit von mindestens dem Doppelten der Blockaufbaugeschwindigkeit um mindestens 1 mm abgesenkt und darauffolgend durch einen sich unmittelbar anschließenden Rückhub, der kleiner als der Abzugsvorhub ist, mit einer Geschwindigkeit von mindestens dem Doppelten der Blockaufbaugeschwindigkeit wieder angehoben wird, und daß Abzugsvorhub und Rückhub so aufeinander abgestimmt werden, daß das Niveau der Metallschmelze in der Kokille innerhalb von zwei zulässigen Grenzbereichen gehalten wird.
Eine abgewandelte Lösung der vorbeschriebenen Aufgabe besteht weiterhin darin, daß der Metallspiegel in der Kokille-durch einen Abzugs- vorhub zunächst mit einer Geschwindigkeit von mindestens dem Doppelten der Blockaufbaugeschwindigkeit um mindestens 1 mm abgesenkt und darauffolgend durch einen sich unmittelbar anschließenden Rückhub, der kleiner als der Abzugsvorhub ist, mit einer Geschwindigkeit von mindestens dem Doppelten der Blockaufbaugeschwindigkeit wieder angehoben wird, woran sich ein kurzzeitiger Bewegungsstillstand anschließt, während welchem der Block in der Kokille wie in einer Standkokille aufgebaut wird und Abzugsvorhub, Rückhub und die Längdes Bewegungsstillstands so aufeinander abgestimmt werden, daß das Niveau der Metallschmelze in der Kokille innerhalb von zwei zulässigen Grenzbereichen gehalten wird.
Die Wirkung des raschen Abzuges der Kokille relativ im Vergleich zur Blockoberfläche kann je nach Anlagenkonzeption auf verschiedene Weise erreicht werden.
Bei Anlagen, welche mit feststehender Bodenplatte und hebbaren Kokillen ausgelegt sind, wird die Kokille rasch angehoben (Abzugshub), so daß der Metallspiegel bzw. der Schlackenspiegel abgesenkt wird, und unmittelbar daran wieder so rasch abgesenkt (Rückhub), daß der Metall- bzw.
Schlackenspiegel stärker ansteigt als es dem Anwachsen des Blockes entspricht. Daran kann eine Pause anschließen, während welcher der Block in der Kokille wie in einer Standkokille aufgebaut wird.
Daher wird eine weitere Verfahrensweise dahingehend vorgeschlagen, daß einer kontinuierlichen Relativbewegung zwischen Kokille und Block eine oszillierende Bewegung mit einem Hubschritt von mindestens 1 mm und einer Hubfrequenz von mindestens 0,01 je sec. überlagert.
Weitere wesentliche Verfahrensmerkmale bestehen noch darin, daß einer kontinuierlichen Relativbewegung zwischen Kokille und Block eine weitere Relativbewegung mit einem Hubschritt von mindestens 1 mm überlagert wird, die ebenfalls oszilliert, jedoch zwischen jedem aus Vorund Rückhub bestehenden Doppelhub einen kurzzeitigen Bewegungsstillstand einhält.
Das Verfahren kann mit feststehender Kokille und absenkbarer Bodenplatte oder aber auch mit hebbarer Kokille und feststehender Bodenplatte durchgeführt werden.
Bei feststehender Kokille wird die Bodenplatte des abgeschmolzenen- Blockes während des Umschmelzvorganges aufeinanderfolgend immer wieder um einen Schritt abgesenkt und darauf um einen kleineren Schritt angehoben oder in Abwandlung hiervon bei feststehender Kokille die Bodenplatte des abgeschmolzenen Blockes während des Umschmelzvorganges aufeinanderfolgend immer wieder um einen Schritt abgesenkt und darauf um einen kleineren Schritt angehoben werden und vor dem folgenden Absenkhub kurzzeitig stillstehen.
Weiterhin kann bei feststehender Bodenplatte des abgeschmolzenen Blockes während des Umschmelzvorganges die Kokille aufeinanderfolgend immer wieder um einen Schritt angehoben und darauf um einen kleineren Schritt abgesenkt werden.
Eine Abwandlung dieses Verfahrens besteht auch noch darin, daß bei feststehender Bodenplatte des abgeschmolzenen Blockes während des Umschmelzvorganges die Kokille aufeinanderfolgend immer wieder um einen Schritt angehoben und darauf um einen kleineren Schritt abgesenkt wird und vor dem folgenden Anheben kurzzeitig stillsteht.
Schließlich kann die Erfindung auch in der Weise ausgeführt werden, daß die Bodenplatte mit kontinuierlicher Geschwindigkeit absenkbar ist und die Kokille eine oszillierende Hubbewegung ausführt, oder aber dadurch, daß die Kokille kontinuierlich anhebbar ist und die Bodenplatte eine oszillierende Hubbewegung ausführt.
Bei Anlagen, welche mit einer in die Anlagenstruktur fest eingebauten Kokille und absenkbarer Bodenplatte ausgerüstet sind wird der Abzugshub, der ein Absenken des Metall- bzw. Schlakkenspiegels in der Kokille zur Folge hat durch ein rasches Absenken der Bodenplatte bewirkt, die unmittelbar darauf wieder so rasch angehoben wird, so 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 einen Absenkvorhubschritt folgende Rücklaufhubschritt kann bei Anlagen mit hebbarer Kokille oder absenkbarer Bodenplatte auch dadurch erreicht werden, daß entweder die Kokille mit konstanter, der Blockaufbaugeschwindigkeit entsprechenden Geschwindigkeit angehoben bzw. die Bodenplatte abgesenkt wird und der Effekt des Abzugvorhubs und Rückhubs dadurch erreicht wird, daß der gleichmäßigen Geschwindigkeit von Kokille oder Bodenplatte eine oszillierende Bewegung mit oder ohne Pause überlagert wird, wobei diese überlagerte Bewegung sowohl von der Kokille als auch von der Bodenplatte ausgeführt werden kann, wobei der Hubschritt wieder mindestens 1 mm beträgt und eine Hubfrequenz von mindestens 0,01 je sec. eingehalten wird.
Anlagentechnisch kann dies durch folgende Anordnung erreicht 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 aufund abbewegbar sein.

Bei Anlagen, die mit einer an sich feststehenden Bodenplatte und einem mit kontinuierlicher Geschwindigkeit anhebbaren Kakillentragarm ausgestattet sind, kann entweder die Bodenplatte oder die auf den Kokillentragarm aufgebaute Kokillenaufhängung durch eine geeignete Vorrichtung auf- und abbewegbar sein.
In der Zeichnung sind die Bewegungsmöglichkeiten von Gleitkokille und Bodenplatte schematisch dargestellt.
Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung nach der Erfindung,
Fig. 1a ein Weg-Zeit-Diagramm der Kokillenbewegung mit Stillstandspause,
Fig. 1b ein Weg-Zeit-Diagramm der Kokillenbewegung mit und ohne Stillstandspause,
Fig. 1c ein Weg-Zeit-Diagramm der Kokillenbewegung und gleichzeitiger Bodenplattenbewegung,
Fig. 2 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung nach der Erfindung in abgewandelter Ausführung,
Fig. 2a ein Weg-Zeit-Diagramm von Kokillen-und Bodenplatten-Bewegung mit Stillstandspause,
Fig. 2b ein Weg-Zeit-Diagramm von Kokillen-und Bodenplatten-Bewegung ohne Stillstandspause,
Fig. 2c ein Weg-Zeit-Diagramm von Kokillen-und Bodenplatten-Bewegung mit und ohne Stillstandspause.

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 Schlakkenbad 13, in welches die Elektrode 14 eintaucht. Der Block 15 steht auf der Bodenplatte 16.
Weiterhin bedeuten in den Figuren

V_B = die Block-Aufbaugeschwindigkeit "7"
V_K = Geschwindigkeit der mittleren Bewegung der Kokille "8"
Vp = Geschwindigkeit der mittleren Bewegung der Bodenplatte "9"

In dem Diagramm Fig. 1a steht die Bodenplatte 16 fest. Dies ist durch die Punktreihe in der Zeitachse angedeutet. Die Gleitkokille 11 macht bei jedem Hubspiel zuerst den Abzugs-Vorhub 1, auf den der Rückhub 2 folgt, und an den sich die kurze Stillstandszeit 3 anschließt. Dieser Verlauf ist mit dem gestrichelten Kurvenzug 8 dargestellt, dessen Gradiente der Block-Aufbaugeschwindigkeit 7 entspricht.
In dem Diagramm Fig. 1 ist dem Rückhub 2 keine Stillstandszeit nachgeschaltet.
Eine weitere Möglichkeit der Verwirklichung dieses Prinzips besteht nach Fig. 1c noch darin, daß die Gleitkokille 11 eine stetige Aufwärtsbewegung ausführt, die der Blockaufbaugeschwindigkeit entspricht, und daß die Bodenplatte 16 jeweils eine gleichgroße Vor- und Rückhubbewegung 1 und 2 ausführen, wobei sich an jeden Rückhub 2 eine kurze Stillstandszeit 3 anschließt.
Eine weitere Variante diese Abwandlung ist in Fig. 1c -rechte Hälfte- dargestellt. Diese entspricht in ihrer Charakteristik der Funktionsweise gemäß Fig. 1b, also ohne Stillstandspause nach dem Rückhub. Dementsprechend entfällt auch hier die Stillstandspause nach dem Rückhub 2 der Bodenplatte.
Diesselbe Bewegungs-Charakteristik der Figuren 1a und 1b ist aus den Figuren 2a und 2b ersichtlich, jedoch mit stillstehender Gleitkokille 11 und oszillierender Bodenplatte 16, wie aus dem punktiert dargestellten Geschwindigkeitsverlauf 9 ersichtlich ist. In Fig. 2a und 2b ist der Blockaufbau-Verlauf wieder mit 7 und die stillstehende Gleitkokille 11 mit 8 (in der Zeitachse liegend) bezeichnet. Die Bodenplatte 16 führt in Fig. 2a nach jedem Abzugs-Vorhub 01 und anschließendem Rückhub 02 einen kurzen Stillstand 03 aus, wie aus dem punktiert dargestellten Geschwindigkeitsverlauf 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 gleichgroßen Vor- und Rückhubbewegung 1 und 2; der Rückhubbewegung 2 kann eine kurze Stillstandszeit 3 nachgeschaltet sein, wie aus der linken Hälfte des Diagramms ersichtlich ist.

Claims

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 insbesondere auch in Elektroschlackeumschmelzanlagen,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Metallspiegel in der Kokille durch einen Abzugsvorhub zunächst mit einer Geschwindigkeit von mindestens dem Doppelten der Blockaufbaugeschwindigkeit um mindestens 1 mm abgesenkt und darauffolgend durch einen sich unmittelbar anschließenden Rückhub, der kleiner als der Abzugsvorhub ist, mit einer Geschwindigkeit von mindestens dem Doppelten der Blockaufbau- geschwindigkeit wieder angehoben wird, und daß Abzugsvorhub und Rückhub so aufeinander abgestimmt werden, daß das Niveau der Metallschmelze in der Kokille innerhalb von zwei zulässigen Grenzbereichen gehalten wird.

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

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei feststehender Kokille die Bodenplatte des abgeschmolzenen Blockes während des Umschmelzvorganges aufeinanderfolgend immer wieder um einen Schritt abgesenkt und darauf um einen kleineren Schritt abgehoben wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei feststehender Bodenplatte des abgeschmolzenen Blockes während des Umschmelzvorganges die Kokille aufeinanderfolgend immer wieder um einen Schritt angehoben und darauf um einen kleineren Schritt abgesenkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte mit kontinuierlicher Geschwindigkeit absenkbar ist und die Kokille eine oszillierende Hubbewegung ausführt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille kontinuierlich anhebbar ist und die Bodenplatte eine oszillierende Hubbewegung ausführt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Rückhub ein kurzzeitiger Bewegungsstillstand anschließt, während welchem der Block in der Kokille wie in einer Standkokille aufgebaut wird, und Abzugsvorhub Rückhub und Bewegungsstillstandsdauer so aufeinenander abgestimmt werden, daß das Niveau der Metallschmelze in der Kokille innerhalb von zwei zulässigen Grenzbereichen gehalten wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei feststehender Kokille auf eine mit kontinuierlicher Geschwindigkeit absenkbare Senkbühne eine Bodenplatte aufgebaut ist, die eine oszillierende Bewegung ausführt.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfehrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei feststehender Bodenplatte auf einen mit kontinuierlicher Geschwindigkeit hebbaren Tragarm eine Kokille aufgesetzt ist, die eine oszillierende Bewegung ausführt.