WO2001058622A1

WO2001058622A1 - Verfahren und anordnung zum herstellen von gusskörpern aus metall

Info

Publication number: WO2001058622A1
Application number: PCT/EP2000/004963
Authority: WO
Inventors: Harald Holzgruber; Wolfgang Holzgruber
Original assignee: Inteco Internationale Technische Beratung Ges.M.B.H.
Priority date: 2000-02-07
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2001-08-16
Also published as: JP2003522028A; EP1253986A1; DE50002947D1; US6758259B1; EP1253986B1; ATA1822000A; DE10026816A1; AT409233B

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen von weitgehend seigerungs- und insbesondere freckelfreien Gusskörpern aus Metall -- insbesondere aus hochlegierten Stählen sowie Ni- und Co- Basislegierungen grosser Abmessung nach einem Elektroschlacke Schmelz- oder Giessverfahren -- unter Verwendung einer kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille (10), in deren Wand nicht direkt wassergekühlte Stromleitelemente (16) elektrisch isoliert gegenüber dem den Gusskörper formenden Teil der Kokille (10) eingebaut sind, wird ein weitgehend seigerungs- und freckelfreier Vorblock (24) eines Flächenquerschnitts, der höchstens 90% des den Gusskörper formenden Teils der Kokille (10) beträgt, in dieser angeordnet und unter Verwendung eines durch den Stromdurchgang erhitzten, sich im Bereich der Stromleitelemente (16) befindlichen Schlackenbades (31) durch fortgesetztes dosiertes Eingiessen flüssigen Metalls (34) -- oder durch die Zufuhr von im heissen Schlackenbad (31) aufschmelzendem festem Metall in Form von beispeilsweise Granalien oder Stangen -- mit dem zugeführten Metall verbunden wird. Durch eine Relativbewegung zwischen Kokille (10) und Block (24) wird das Niveau des Schlackenspiegels (32) in der Kokille (10) annähernd solange konstant gehalten, bis der Vorblock (24) in der gewünschten Länge radial aufgedoppelt ist. Dieser Vorgang wird mit dem aufgedoppelten Vorblock (24) mit einer Kokille (10) grösserer Abmessung einmal oder mehrmals solange wiederholt, bis die gewünschte Endabmessung des Gusskörpers erreicht ist.

Description

BESCHREIBUNG

Verfahren und Anordnung zum Herstellen von Gußkorpern aus

Metall

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zum Herstellen von Gußkorpern nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Im Energiemaschinenbau besteht heute ein Trend zum Einsatz stationärer Gasturbinen mit hoher spezifischer Leistung als Alternative zu den aus Umweltgrunden vielfach abgelehnten Atomkraftwerken, bei welchen mit Dampfturbinen das Auslangen gefunden werden konnte. Die höheren Arbeitstemperaturen von Gasturbinen verlangen den Einsatz von hochlegierten Eisen- und insbesondere Nickelbasislegierungen, die zur Erzielung der geforderten Eigenschaften erhebliche Gehalte an Ti, AI, B, Nb, Ta, W etc. aufweisen. Bisher wurden Gasturbinen vorzugsweise als Triebwerke für Flugzeuge eingesetzt, für die mit vergleichsweise kleinen Turbinenwellen das Auslangen gefunden werden konnte. Für deren Herstellung wurden relativ kleine Blocke mit Durchmessern von 500 mm und darunter benotigt, die mittels Umschmelzverfahren mit selbstverzehrbaren Elektroden mit einem ausreichenden Qualitätsstandard hergestellt werden konnten. Unter ausreichendem Qualitatsstandard wird insbesondere ein Rohblock verstanden, der weitgehend frei ist von makroskopischen Ge- fuge- und Strukturinhomogenitaten, wie Seigerungen und anderen Fehlererscheinungen, die als "Freckles" und "White Spots" bekannt sind.

White Spots sind Fehlstellen, die im Vergleich zum übrigen Material an Legierungselementen verarmt sind. Diese Fehlererscheingung ist nur vom Vakuumlichtbogen-Verfahren mit selbstverzehrenden Elektroden her bekannt und es wird angenommen, dass diese Fehlererscheinung durch von der Elektrodenspitze herabfallende, im Schmelzsumpf nicht aufgeschmolzene Dendritenaste hervorgerufen wird. Beim Elek- troschlacke-Umschmelzverfahren mit selbstverzehrbaren Elektroden wurde diese Fehlererscheinung bisher nicht beob- achtet .

Bei Freckles handelt es sich um vereinzelt auftretende punkt- oder fleckenformige Entmischungen, die bei der Erstarrung hochlegierter Blocke entlang der Dendriten auftre- ten können, wenn die Legierung Elemente enthalt, deren Dichte sich erheblich von der Dichte der Grundlegierung unterscheidet. Sohin sind Eisen- oder Nickelbasislegierungen, die hohe Gehalte an spezifisch leichten Elementen, wie Ti oder AI, aber auch spezifisch schwere Elemente, wie W, Nb, Ta, enthalten, besonders anfällig für diese Fehlererscheinung. Wahrend bei Blocken kleinerer Abmessungen bis etwa 400 bis 500 mm Blockdurchmesser dieser Fehler nur vereinzelt und nur bei ungünstigen Umschmelzbedingungen auftritt, ist die Herstellung von fehlerfreien Blocken mit größerem Durchmesser auch bei bester Kontrolle der Umschmelzbedingungen so gut wie unmöglich. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die bei der Herstellung großer Um- schmelzblocke unvermeidlichen langen Erstarrungszeiten und großen sumpfvolumina einerseits eine grobe Erstar- rungsstruktur zur Folge haben und andererseits Entmischungsvorgange begünstigen.

Nun werden aber für den Bau stationärer Gasturbinen mit ausreichend hoher spezifischer Leistung große Turbinenwel- len benotigt, für deren Herstellung wieder entsprechend große Rohblocke mit Durchmessern von wesentlich über 500 mm, vorzugsweise bis zu 1000 mm, erforderlich sind. Nach dem heutigen Stand der Technik des Umschmelzens mit selbst^¬ verzehrbaren Elektroden können ausreichend fehlerfreie Roh- blocke aus den dafür benotigten Legierungen nicht hergestellt werden. In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, ein technisch gut durchfuhrbares Verfahren zum Herstellen von weitgehend seigerungs- und insbesondere freckelfreien Gußkorpern aus Metall, insbesondere aus hochlegierten Stahlen sowie Ni- und Co-Basislegierungen großer Abmessung nach einem Elektroschlacke Schmelz- oder Gießverfahren unter Verwendung einer an sich bekannten kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille, zu schaffen, in deren Wand stromleitende, nicht direkt wasserge- kühlte Elemente elektrisch isoliert gegenüber dem den Guß- korper formenden Teil der Kokille eingebaut sind.

Zur Losung dieser Aufgabe fuhrt die Lehre des unabhängigen Anspruches; die Unteranspruche geben gunstige Weiterbildun- gen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale.

Erfindungsgemaß wird ein weitgehend seigerungs- und freckelfreier Vorblock, dessen Flachenquerschnitt höchstens 90 % des den Gußkorper formenden Teils der Kokille betragt, in dieser angeordnet und unter Verwendung eines durch den Stromdurchgang erhitzten, sich im Bereich der stromleiten- den Elemente der Kokille befindlichen Schlackenbades durch fortgesetztes dosiertes Eingießen flussigen Metalls -- oder die Zufuhr von im heißen Schlackenbad aufschmelzendem festen Metall in Form von beispielsweise Granalien oder Stangen -- mit dem zugefuhrten Metall verbunden; durch eine Relativbewegung zwischen Kokille und Block wird das Niveau des Schlackenspiegels in der Kokille annähernd solange konstant gehalten, bis der Vorblock in der gewünschten Lange radial aufgedoppelt ist, wobei dieser Vorgang mit dem aufgedoppelten Vorblock mit einer Kokille größerer Abmessung einmal oder mehrmals solange wiederholt zu werden ver- mag, bis die gewünschte Endabmessung des Gußkorpers erreicht ist. Das Verfahren ist grundsätzlich für beliebige Querschnittsformen geeignet. Werden jedoch Rohblocke beno- tigt, die durch Schmieden weiterverarbeitet werden, so werden am zweckmäßigsten Rundblocke hergestellt.

Bei der Durchführung des Verfahrens ist es wichtig, dass die Gieß- respektive Schmelzgeschwindigkeit so eingestellt wird, dass die daraus resultierende Sumpftiefe eine nach oben gerichtete seigerungsfreie Erstarrung ermöglicht. Als gunstig hat es sich erwiesen, die durchschnittliche Gießoder Schmelzgeschwindigkeit in kg/Std. so einzustellen, dass sie zwischen dem 0,25-fachen und 5-fachen der Summe aus äquivalentem Vorblockdurchmesser und Kokillendurchmesser in mm betragt, wobei der äquivalente Durchmesser für von Rundquerschnitten abweichende Formen durch den Quotienten Umfang/π bestimmt wird. Bei überaus seigerungsempfind- lichen Legierungen werden die besten Ergebnisse erzielt, wenn die Gieß- bzw. Schmelzgeschwindigkeit im Bereich zwischen dem 0,8 und 1,5-fachen der Summe der äquivalenten Durchmesser entsprechend dem o.a. Zusammenhang eingestellt wird.

Der für die Durchfuhrung des Verfahrens benotigte Vorblock wird vorzugsweise durch ein Umschmelzverfahren mit selbst- verzehrbarer Elektrode hergestellt, wobei hier eine Blockabmessung gewählt wird, die ein feinkorniges Gefuge gewährleistet und bei der mit Sicherheit ein Auftreten von Freckeln und Seigerungen vermieden werden kann. Grundsätzlich kann der Vorblock auch durch ein Elektroschlacke- oder sonstiges Gießverfahren hergestellt werden, solange eine ausreichende Freckel- und Seigerungsfreiheit sichergestellt ist .

Bei rißempfindlichen Legierungen -- und auch für eine gute und fehlerfreie Bindung zwischen dem Vorblock und der aufgedoppelten Schicht -- kann es zweckmäßig sein, den Vorblock auf eine Temperatur von bis zu 800°C vorzuwärmen. Für das Herstellen von homogenen freckel- und seigerungsfreien Blocken und Gußkörpern für das Erzeugen von Schmiedestücken od.dgl. wird der Vorblock mit einer Legierung aufgedoppelt , welche die gleiche chemische Zusammensetzung wie der Vorblock aufweist. Für besondere Anwendungszwecke -- beispielsweise die Herstellung von Verbundwalzen, die einen zähen Kern und eine verschleißfeste Oberflache aufweisen müssen -- kann der Vorblock auch mit einer Legierung völlig unterschiedlicher Zusammensetzung aufgedoppelt werden.

Für die Durchfuhrung des Verfahrens ist es erforderlich, dass das flüssige Schlackenbad immer in der Hohe der in die Kokillenwand eingebauten, nicht direkt wassergekühlten und gegen den Rest der Kokille elektrisch isolierten stromleitenden Elemente sich befindet, da über diese eine Stromzu- leitung in das Schlackenbad ermöglicht wird. Die Ruckleitung des Stroms erfolgt dann über den Vorblock bzw. die Bodenplatte, auf welcher der Vorblock ruht. Durch den Stromdurchgang wird das Schlackenbad in flussigem Zustand gehalten und soweit erhitzt, dass einerseits das Metall des Vorblocks oberflächlich angeschmolzen wird und dass andererseits auch bei langsamen Zugießen flussigen Metalls zum Zweck des Aufdoppeins eine vorzeitige Erstarrung an der Stelle, wo der Meniskus des flussigen Metallspiegels mit der wassergekühlten Wand der Kokille in Kontakt ist, ver- mieden wird.

Für das Anfahren des Prozesses wird der vorbereitete Vorblock auf einen -- in die lichte Kokillenoffnung passenden -- Stuhl aufgesetzt, der entweder wassergekühlt -- und so- mit wiederverwendbar -- sein oder auch aus dem gleichen Material wie der Vorblock bestehen kann. Der Stuhl mit dem darauf aufsitzenden Vorblock wird zunächst so in der Kokille positioniert, dass seine Oberkante gerade mit der Oberkante des unteren, wassergekühlten, die neue Blockober- flache bildenden Teils der Kokille abschließt. Nun wird Spannung angelegt, wobei aber zunächst noch kein Strom fließt, da keine leitende Verbindung zwischen den stromleitenden Elementen und dem Vorblock bzw. der Bodenplatte besteht. Anschließend wird eine vorgeschmolzene Schlacke der gewünschten Zusammensetzung in den Spalt zwischen Vorblock und Kokillenwand eingegossen, womit ein Strom zu fließen beginnt, sobald der Schlackenspiegel in den Bereich der stromleitenden Elemente in der Kokillenwand kommt. Nun wir die gewünschte elektrische Leistung, entsprechend den Abmessungen von Voroloc und Kokille eingestellt und nach kurzer Zeit, die ausreicht um die dem Schlackenbad ausgesetzte Oberfläche des Vorblockes anzuschmelzen, mit dem Eingießen des aufzudoppenden Metalls begonnen. Um den Schlackenspiegel immer im Bereich der stromleitenden Elemente zu halten, wird entsprechend der Anlagenkonfiguration -- beispielsweise bei feststehendem Stuhl -- die Kokille kontinuierlich oder in Schritten in etwa in der Weise ange- hoben, wie durch die Zufuhr von Metall der Schlackenspiegel ansteigt. Verfugt die Anlage dagegen über eine feststehende Kokille, so wird der Stuhl in entsprechender Weise aus der Kokille nach unten abgezogen um so wieder ein annähernd konstantes Niveau des Schlackenspiegels in Bezug auf die stromleitenden Elemente sicherzustellen. Das Eingießen von flussigem Metall kann dabei entsprechend der gewünschten Aufbaugeschwindigkeit kontinuierlich oder diskontinuierlich in Schritten erfolgen. Bei einer schrittweisen Zufuhr darf aber das Volumen der Metallmenge eines einzelnen Schrittes das Volumen des Schlackenbades nicht überschreiten. Sowohl bei kontinuierlicher als auch bei schrittweiser Metallzufuhr ist jedoch darauf Bedacht zu nehmen, dass die o.a. mittlere Gießrate nicht überschritten wird.

Das Anheben der Kokille bzw. das Absenken der Bodenplatte mit dem Stuhl kann in an sich bekannter Weise wieder kontinuierlich oder in Schritten erfolgen, wobei die mittlere Hub- bzw. Abzugsgeschwindigkeit wieder entsprechend auf die Metallzufuhrgeschwindigkeit abgestimmt sein muss. Bei schrittweiser Arbeitsweise ist darauf zu achten, dass der Einzelschritt nicht großer sein darf als die Höhe der in die Kokillenwand eingebauten stromleitenden Elemente. An jeden Hubschritt schließt eine Pause an solange bis der Schlackenspiegel wieder annähernd das ursprungliche Niveau erreicht hat. Bei schrittweiser Arbeitsweise kann weiters zwischen Abzugshubschritt und Pause ein Ruckhub eingeschaltet werden, wobei dann Abzugshub, Ruckhub und Pause so auf- einander abgestimmt werden müssen, dass sie der mittleren MetallZufuhrgeschwindigkeit entsprechen.

Wird hingegen mit einer kontinuierlichen Abzugsgeschwindig- keit gearbeitet, so kann es für die Ausbildung einer guten Oberflache hilfreich sein, wenn die Kokille, wie vom Stranggießen her bekannt, eine oszillierende Bewegung ausführt .

Als weitere wesentliche Maßgabe ist anzusehen, dass der auf einer absenkbaren Bodenplatte ruhende Gußkorper in der Weise aus der fest eingebauten Kokille abgezogen wird, dass das Niveau des Schlackenbads in der Kokille annähernd konstant bleibt. Zudem erfolgt das Eingießen des flussigen Metalls oder das Aufschmelzen der zugesetzten festen Metallteile bevorzugt unter einer Schutzgasatmosphare kontrollierter Zusammensetzung und kontrollierten Drucks; der kontrollierte Unterdruck wird im Bereich zwischen 1 und 600 mbar eingestellt, im Falle eines Überdrucks werden mehr als 2 bar bevorzugt.

Anstelle des Eingießens von flussigem Metall kann auch festes Metall in Form von Stäben, Spanen oder Granalien in das Schlackenbad eingebracht und in diesem zum Aufschmelzen gebracht werden. Die Metallzufuhr in den Spalt zwischen Vorblock und Kokille wird in der oben beschriebenen Weise solange fortgesetzt, bis der gesamte Vorblock aufgedoppelt ist. Dann wird die Energiezufuhr zum Schlackenbad abgeschaltet und der aufgedoppelte Vorblock nach vollständiger Erstarrung der aufgedoppelten Schicht aus der Anlage entfernt .

Grundsätzlich kann das Verfahren an offener Luft durchgeführt werden, da das flussige Schlackenbad den darunter liegenden Metallspiegel gegen den Luftsauerstoff schützt. Für die Herstellung hochwertiger Legierungen empfiehlt es sich dennoch, das Verfahren unter einer kontrollierten Schutzgasatmosphare durchzufuhren, wobei in diesem Fall je nach den Anforderungen auch unter Unter- oder Überdruck gearbeitet werden kann.

Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Herstellen seigerungs- und insbesondere freckelarmer Gußkörper aus Metall -- insbesondere aus Stählen sowie Ni- und Co- Basislegierungen nach einem Elektroschlacke Schmelz- oder Gießverfahren -- mit einer kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille, in deren Wand nicht direkt wassergekühlte Stromleitelemente elektrisch isoliert gegenüber dem den Gußkörper formenden Teil der Kokille eingebaut sind und die mit einer der Kokille nach unten hin zugeordneten Bodenplatte versehen ist, wird zum Durchfuhren des beschriebenen Verfahrens ein Gießspalt zur Aufnahme flussigen Metalls durch einen auf die Bodenplatte gestellten Vorblock und die Kokille begrenzt. Bevorzugt werden zwei hintereinander geschaltete Kokillen; der Innendurchmesser der nachgeschalteten Kokille soll dabei großer sein als jener der voraufgehenden Kokille.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in ihren drei Figuren jeweils einen Längsschnitt durch eine Gießeinrichtung mit Kokille.

In eine wassergekühlte Kokille 10 mit ringförmigem Hohlkörper 12 ist gemäß Fig. 1 von unten her eine -- ihrerseits hohle -- Bodenplatte 20 eingeschoben, die Teil eines Stuh- les 22 ist. Der Außendurchmesser dieser Bodenplatte 20 ist geringfügig kurzer als der Innendurchmesser d der Kokille 10; die Bodenplatte 16 kann zum Anfahren der Anlage soweit in die Kokillenoffnung bzw. den Kokilleninnenraum 11 der Hohe h eingeschoben werden, bis sie unmittelbar unterhalb der Oberkante 13 des Kokillenhohlkorpers 12 angeordnet ist.

Auf der Oberkante 13 ruht ein ringartiges Isolierelement 14 und auf diesem e n -- ebenfalls ringartig ausgebildetes -- Stromleitelement 16; letzteres ist nach oben hα n durch ein oberes Isolierelement 14_a von einem seinerseits wassergekühlten Hohlring 18 getrennt.

Ein beispielsweise durch ein Umschmelzverfahren mit selbst- verzehrbarer Elektrode hergestellter Vorblock 24 ruht auf der Bodenplatte 20 des Stuhles 22, die m eine Position nahe der Oberkante 12 des unteren wassergekühlten Teils der Kokille 10 für den Startvorgang gebracht wurde. Der Vorblock 24 begrenzt mit der Kokille 10 einen Gießspalt 25 der Weite b.

Das Stromleitelement 16 sowie der Stuhl 22 sind über Hochstromleitungen 26, 26a mit e einem Pol einer Gleich- oder Wechselstromquelle 28 verbunden. Um den Prozess zu starten, wird aus einem Gefäß flussige Schlacke m den von der Kokille 10 und dem Vorblock 24 begrenzten Kokillenspalt gegossen, bis ein Schlackenspiegel 32 eines entstehenden Schlackenbades 31 der Hohe e etwa die Oberkante des Stromleitelements 16 erreicht hat. Anschließend wird -- wie in Fig. 2 schematisch dargestellt -- fortlaufend flüssiges Metall 34 durch das Schlackenbad 31 mit der vorgesehenen Gießgeschwindigkeit gegossen, wobei letzteres einerseits mit dem Vorblock 24 verschweißt und anderseits im Kontakt mit diesem sowie dem unteren wassergekühlten Teil der Kokille 10 erstarrt und eine mit dem Vorblock 24 fest verbundene aufgedoppelte Mantelschicht 36 bildet.

In Fig. 3 wird schematisch das nochmalige radiale Aufdoppeln eines bereits einmal aufgedoppelten Vorblocks 24 durch Aufbringen einer weiteren aufgedoppelten Schicht 38_a in einer Kokille 10 größeren Innendurchmessers d dargestellt.

Die Wirksamkeit des erfindungsgemaßen Verfahrens soll an^¬ hand des nachfolgenden Beispiels veranschaulicht werden:

Die hochwarmfeste Ni- Basislegierung Inconel 718 enthalt neben den Legierungselementen Cr und Mo noch je 0,9 % Ti und AI sowie über 5 % Nb und auch B. Die Legierung ist äußerst freckelempfindlich, so dass qualitativ einwandfreie Blocke sowohl nach dem Elektroschlacke- als auch nach dem Vakuumlichtbogen-Umschmelzverfahren nur bis zu Blockdurch- messern von etwa 450 mm mit Sicherheit herstellbar sind. Für den Bau stationärer Gasturbinen wurden jedoch Blocke aus dieser Legierung mit 12 bis 18 t Gewicht und einem Blockdurchmesser von 900 bis 1000 mm benotigt.

Für die Herstellung eines Rohblocks mit 16,5 t Gewicht bei einem Blockdurchmesser von 950 mm wurde in einer Elektro- schlackeumschmelzanalge mit Standtiegel eine Abschmelzelek^¬ trode mit 340 mm Durchmesser und einer Länge von 4 m in einer Standkokille mit 420 mm Innendurchmesser mit einer Schmelzrate von 350 kg/h zu einem Block mit 2,6 m Lange umgeschmolzen. Die chemische Zusammensetzung der Abschmelzelektrode betrug 0,03 % C, 0,18 % Si, 0,21 % Mn, 19,15 % Cr, 2,97 % Mo, 52,83 % Ni, 0,89 % Ti, 0,92 % AI, 5,26 % Nb, 0,0042 % B und 17,85 % Fe . Für das Umschmelzen wurde eine Schlacke mit 70 % CaF und j e 15 % A1₂0₃ und CaO verwendet. Die Schlackenbadhohe e wurde auf 14 cm eingestellt und die Leistungszufuhr zum Schlackenbad 31 im Bereich von 350 bis 380 kW bei einem Schmelzstrom zwischen 9,0 und 10,0 kA gehalten. Die Umschmelzdauer betrug knapp 10 h, wovon etwa 25 min. für das Anfahren, etwa 8 h 45 mm. für den Blockaufbau und knapp 50 mm. für das Hottopping anfielen. Nach dem Umschmelzen wurde der Block abgekühlt und aus der Kokille entnommen. Der Block wies eine glatte Oberflache auf und hatte im kalten Zustand einen Durchmesser von 404 mm. Das Gewicht betrug 3060 kg.

Dieser so hergestellte Vorblock 24 wurde anschließend in einer Elektroschlacke-Umschmelzanlage mit absenkbarer Bodenplatte 20 auf den wassergekühlten Bodenplattenstuhl 22 einer stromleitenden Kokille 10 mit einem Innendurchmesser d von 700 mm aufgesetzt und die Oberkante des Stuhls 22 bis knapp unter die Oberkante des unteren wassergekühlten Teils 12 der in der Arbeitsbuhne fest eingebauten Kokille 10 hochgefahren. Anschließend wurde der Hauptschalter der Stromversorgung eingeschaltet und die Spannung auf 70 V eingestellt, wobei noch kein Strom gemessen wurde. Es wurden dann etwa 70 kg flussige Schlacke der Zusammenset- zung 70 % CaF₂ und e 15 % A1₂0₃ und CaO den Spalt zwischen Vorblock 24 und Kokille 10 eingegossen, worauf ein Strom von zunächst etwa 2,5 bis 3,0 kA zu fließen begann, der dann innerhalb von etwa 10 Minuten auf 9,0 bis 9,8 kA anstieg, womit auch eine Leistung von etwa 690 kW erreicht wurde. Es wurde nun eine erste Portion flussigen Metalls 34 in den Spalt zwischen Vorblock 24 und Kokille 20 eingegossen, welches in einem Vakuuminduktionsofen mit 6 t Fassungsvermögen aus Cast Sticks erschmolzen worden war, die der gleichen Schmelze wie die Abschmelzelektrode des Vor- blocks 24 entstammten und damit die gleiche chemische Zusammensetzung aufwiesen. Die Menge der ersten Portion betrug 15 kg, wodurch der Schlackenspiegel 32 um nicht ganz 7 mm anstieg. Dadurch wurde ein erster Abzugsschritt im Aus- maß von 3,5 mm ausgelöst, dem nach 30 sec. Pause ein weiterer Abzugsschritt von ebenfalls 3,5 mm folgte. Eine Minute nach der ersten Portion wurde eine weitere Portion von 15 kg eingegossen, wobei durch das Ansteigen des Bad- spiegeis wieder ein Abzugsschritt von 3,5 mm ausgelöst wurde, dem ein weiterer nach 30 sec. folgte. Dieser Vorgang wurde bei Aufrechterhaltung der elektrischen Leistung fortgesetzt, bis das obere Ende des Vorblocks 24 nach 6 h und 25 min. erreicht war. Nach einer Nachkuhlzeit von 25 min. wurde der aufgedoppelte Vorblock 24 aus der Anlage genommen. Dieser wies eine einwandfreie, glatte Oberflache mit geringen Schlackenanhaftungen auf und hatte nun ein Gewicht von 8810 kg bei einem Durchmesser von 690 mm.

Dieser aufgedoppelte Vorblock 24 wurde anschließend in eine stromleitende Kokille 10 mit einem Arbeitsdurchmesser von 965 mm eingesetzt und der oben beschriebene Vorgang des Aufdoppeins oder Aufpanzerns (Cladding) abermals wiederholt, wobei folgende Parameter eingestellt wurden. Es wurden 95 kg flussige Schlacke gleicher Zusammensetzung verwendet. Bei einer Spannung von 60 V stieg der Strom nach dem Eingießen der Schlacke innerhalb von 12 min. von 3,5 kA auf 17,0 kA an, wobei sich eine Leistung von 1020 kW einstellte. Jede Minute wurden wieder Portionen flussigen Me- talls 34 der gleichen chemischen Zusammensetzung von je 24 kg eingegossen, das Absenken erfolgte wieder alle 30 sec, wobei die einzelnen Hubschritte 3,9 mm betrugen. Dieser Vorgang wurde wieder fortgesetzt bis -- nach 5 h 35 min. -- die gesamte Länge aufgedoppelt war. Nach einer Nachkuhlzeit von wieder 25 min. wurde der Block aus der Anlage gehoben. Er wies einen Durchmesser von knapp über 9050 mm auf und hatte ein Gewicht von 16740 kg. Die Blockoberflache war ausreichend, um den Block durch Schmieden direkt weiterverarbeiten zu können. Der Block wurde daher in einem Herdwagenofen auf Schmiedetemperatur erwärmt und anschließend auf einer 4500 t - Schmiedepresse auf einen Durchmesser von 600 mm vorgeschmiedet. Bei dieser Abmessung wurde der Schmiederohling erkalten gelassen und überdreht. Bei einer Ultraschallprüfung nach dem Überdrehen konnten keine Fehleranzeigen festgestellt werden. Die Ultraschallprüfung ergab allerdings Hinweise auf Grobkorn, was aber die Verwendung nicht beeinträchtigte, da eine weitere Warmverformung vorgesehen war.

Der Stab wurde anschließend in zwei annähernd gleich lange Stucke geteilt, so dass sich die Möglichkeit ergab, aus der Blockmitte eine Scheibe für weitere Untersuchungen zu entnehmen. Diese Scheibe wurde geschliffen und einer Heißatz- prufung unterzogen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Scheibe über den gesamten Blockquerschnitt hinweg frei war von Blockseigerungen und insbesondere Freckelseigerungen . Die Bindung der aufgedoppelten Schichten war an allen Stellen einwandfrei. Das Gefüge in den aufgedoppelten Schichten war deutlich feiner als jenes im ursprunglichen Vorblock. Alles in allem zeigte eine Scheibe eine ausgezeichnete Gefugestruktur und erschien für einen Einsatz für rotierende Turbinenteile großer Abmessungen durchaus geeig^¬ net .

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Herstellen von seigerungs- und insbesondere freckelarmen Gußkorpern aus Metall, insbesondere aus Stahlen sowie Ni- und Co-Basislegierungen nach einem Elektroschlacke Schmelz- oder Gießverfahren unter Verwendung einer kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille, in deren Wand nicht direkt wassergekühlte Stromleitelemente elektrisch isoliert gegenüber dem den Gußkorper formenden Teil der Kokille eingebaut sind,

dadurch gekennzeichnet,

dass ein weitgehend seigerungs- und freckelfreier Vorblock eines Flachenquerschnitts von höchstens 90 % des den Gußkorper formenden Teils der Kokille in dieser unter Verwendung eines durch den Stromdurchgang er- hitzten, sich im Bereich der Stromleitelemente der Kokille befindlichen Schlackenbades durch fortgesetztes dosiertes Eingießen flussigen Metalls oder die Zufuhr von im heißen Schlackenbad aufschmelzendem festem Metall in Form von Granalien oder Stangen mit dem zuge- führten Metall verbunden wird, und dass durch eine Relativbewegung zwischen Kokille und Block das Niveau des Schlackenspiegels in der Kokille annähernd konstant gehalten wird, bis der Vorblock in der gewünschten Lange aufgedoppelt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens ein Wiederholen des Verfahrens mit dem aufgedoppelten Vorblock in einer Kokille größeren Durchmessers bis zum Erreichen des vorgegebenen Enddurchmessers des Gußkorpers.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Gieß- oder Schmelzgeschwindigkeit in kg/Std. so eingestellt wird, dass sie zwischen dem 0,20-fachen und 5-fachen der Summe aus äquivalentem Vorblockdurchmesser und Kokillendurchmesser in mm beträgt, wobei der äquivalente Durchmesser durch den Quotienten Umfang/π bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Gieß- oder Schmelzgeschwindigkeit in kg/Std. zwischen dem 0,80-fachen und 1,5-fachen der Summe aus äquivalentem Vorblockdurchmesser und Kokillendurchmesser.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der weitgehend seigerungsarme und freckelfreie Vorblock durch ein Umschmelzverfahren mit selbstverzehrbarer Elektrode hergestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der weitgehend seigerungsarme und freckelfreie Vorblock durch eiektroschlackegießen hergestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der aufzudoppelnde Vorblock auf eine Temperatur von höchstens 800°C vorgewärmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Kreise mit konzentrischer Anordnung als geometrische Form der Querschnitte von Vorblock und Kokille/n.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Form von Vor- block und Kokillen polygon, insbesondere rechteckig oder quadratisch, sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung des Vorblocks und die chemische Zusammensetzung der einen oder mehreren aufgedoppelten Schichten einander ent- sprechen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die chemischen Zusammensetzungen des Vorblocks und der einen oder mehreren aufgedoppel- ten Schichten verschieden sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Anheben der Kokille entsprechend dem Austrag des Schlackenspiegels entlang des auf einer feststehenden Bodenplatte ruhenden Guß- korpers die Relativbewegung zwischen Gußkorper und Kokille hergestellt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der auf einer absenkbaren Bodenplatte ruhende Gußkorper in der Weise aus der fest eingebauten Kokille abgezogen wird, dass das Niveau des Schlackenbads in der Kokille annähernd konstant bleibt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingießen des flussigen Metalls oder das Aufschmelzen der zugesetzten festen Metallteile unter einer Schutzgasatmosphare kontrollier- ter Zusammensetzung und kontrollierten Drucks durchge^¬ führt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der kontrollierte Druck im Bereich zwischen 1 und 600 mbar eingestellt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der kontrollierte Druck im Bereich über 2 bar eingestellt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Anheben der Kokille oder Absenken der Bodenplatte in einzelnen Schritten mit anschließender Pause erfolgt, wobei bevorzugt zwischen Schritt und Pause ein kleinerer Gegenschritt durchge- fuhrt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleichmaßiger Relativbewegung zwischen Gußkorper und Kokille diese oszillierend be- wegt wird.

19. Anordnung zum Herstellen von seigerungs- und insbesondere freckelarmen Gußkorpern aus Metall, insbesondere aus Stahlen sowie Ni- und Co-Basislegierungen nach einem Elektroschlacke Schmelz- oder Gießverfahren, mit einer kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille (10), in deren Wand nicht direkt wassergekühlte Stromleitelemente (16) elektrisch isoliert gegenüber dem den Gußkorper formenden Teil (12) der Kokille (10) eingebaut sind, sowie mit einer der Kokille nach unten hin zugeordneten Bodenplatte (20), zur Durchfuhrung des Verfahrens nach wenigstens einem der voraufgehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen auf die Bodenplatte (20) gestellten Vor- block (24) und die Kokille (10) ein Gießspalt (25) zur Aufnahme flussigen Metalls (34) begrenzt ist.

20. Anordnung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch wenigstens zwei hintereinander geschaltete Kokillen (10), wobei der Innendurchmesser (d) der nachgeschalteten Kokille großer ist als jener der voraufgehenden Kokille.