DE2003945C3 - Anlage zu Elektroschlackenumschmelzen von Metallen, insbesondere von Stählen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Elektro- i^r> schlackenumschmelzen von Stählen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Beim Elektroschlackenumschme'.zen von Metallen ist meistens eine abzuschmelzende Elektrode an den einen Pol und die Bodenplatte, auf welcher der durch den Umschmelzvorgang in einer flüssigkeitsgekühlten Kokille gebildeten Metallblock aufruht, mit dem anderen Pol der verwendeten Stromquelle, z. B. der Sekundärwicklung eines Transformators mit Hilfe von elektrischen Leitungen angeschlossen. Sämtliche der bekann- 4 j ten Anlagen zum Elektroschlackenumschmelzen von Metallen haben den Nachteil, daß in ihnen die Elektroden nur mit verhältnismäßig geringen Geschwindigkeiten abgeschmolzen werden dürfen, da sonst erfahrungsgemäß die Schlackenschicht keine w befriedigende Reinigungswirkung ausübt und die Qualität des umgeschmolzenen Metalls dementsprechend schlecht ist.

Der FR-PS 15 45 017 ist eine Anlage der eingangs angeführten Art entnehmbar, in der zwei in einer flüssigkeitsgekühlten Kokille abzuschmelzende Elektroden an je ein Ende der Sekundärwicklung eines Wechselstromtransformators und die Bodenplatte, auf welcher der durch den Umschmelzvorgang gebildete erstarrte Metallblock aufliegt, mit einer Anzapfung t>o dieser Sekundärwicklung verbunden sind. Da der durch die Elektroden fließende elektrische Strom die normale Netzfrequenz von 50 bzw. 60 Hz hat, ergibt diese Anlage den Nachteil, daß die metallurgischen Eigenschaften und mechanischen Gütewerte der mit ihr h"> hergestellten Blöcke nicht besonders gut sind.

Bei einer durch die BE-PS 7 02 317 bekannten Anlage zum Elektroschlackenumschmelzen von Abschmelzelektroden in einer wassergekühlten Metallkokille wird die Amplitude des Netzwechselstroms mit Niederfrequenz moduliert Da sich hierbei die Richtung des durch die betreffende Abschmelzelektrode fließenden elektrische;: Stromes mit der noi malen Netzfrequenz von 50 bzw. 60 Hz ändert ergibt diese Anlage ebenfalls den Nachteil, daß die metallurgischen Eigenschaften und mechanischen Gütewerte der mit ihr hergestellten Blöcke nicht besonders gut sind.

Weiters ist aus der DE-AS 11 56 520 ein Vakuum-Lichtbogenschmelzverfahren bekannt, bei dem jeweils eine einzige Elektrode mit einem niederfrequenten Strom, der eine Rechteckcharakteristik aufweist, abgeschmolzen wird. Ferner ist darauf hinzuweisen, daß die Vorteile für den an sich bekannten elektrotechnischen Zusammenhang, wonach durch Einstellung einer niedrigen Frequenz die induktiven Widerstände wesentlich verringert werden können, auf den Gebieten der Walzknüppelbeheizung gemäß Siemens: »Thyristor-Handbuch«, 1965, Seiten 260 bis 264, der Widerstandsschweißung laut »BBC-Nachrichten«, 1964, Seiten 609 bis 624 und des elektrischen Hochleistungsofens gemäß DE-AS 1 "169 050 in sinnvoller Weise ausgenützt werden. Bei den zuletzt erwähnten Verfahren erfolgt jedoch kein Elektroschlackenumschmelzen von Metallen.

Die FR-PS 15 40 339 beschreibt eine Anlage der eingangs genannten Art, bei welcher durch die Einstellung der Spannung an den die Stromquelle bildenden Sekundärspulen eines Drehstromtransformators die den einzelnen Elektroden zugeführte Leistung geregelt wird. Es ist dort auch die Möglichkeit geoffenbart, eine Spannung in ihrer Phase um 180⁰C umzuschalten. Diese bekannte Anlage ermöglicht zwar eine Veränderung der Form des Schmelzesumpfes und eine Umkehrung der Badbewegung, zu einer Verbesserung der Reinigungswirkung der Schlacke auf das Material vermag sie jedoch keinen Beitrag zu leisten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die angeführten Nachteile zu vermeiden und eine Anlage zu schaffen, in der auch bei extrem hohen Abschmelzgeschwindigkeiten der Elektroden in der Schlackenschicht eine einwandfreie Reinigung des abgeschmolzenen Metalls erfolgt und die metallurgischen Eigenschaften und mechanischen Gütewerte des jeweils hergestellten Blockes besonders gut sind und in der überdies der Energieverbrauch (in kWh/t umgeschmolzenes Metall) verhältnismäßig sehr gering ist. Erfindungsgemäß wird dies bei einer Anlage der eingangs genannten Art erreicht, welche die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 aufweist.

Bei dieser Anlage ist es neben einer präzisen Leistungsverteilung im flüssigen Sumpf möglich, innerhalb einer Halbwelle ein Umspringen des Stromflusses von zwischen den Elektroden zu zwischen Elektroden und Bodenplatte zu erreichen, wodurch äußerst kleine Metalltröpfchen von den Elektroden gelöst und beim Durcheilen der Schlacke wesentlich besser gereinigt werden.

Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Anlage gehen aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels hervor, das in der Zeichnung schematisch abgebildet ist. Es zeigt

F i g. 1 die betreffende Anlage, teils in Ansicht, teils im Schnitt

F i g. 2 die zeitliche Veränderung des Momentanwertes der zwischen der Elektrode 9 bzw. 9' und der Bodenplatte 14 vorhandenen Spannung U\ bzw. Ui,

Fig.2a die zeitliche Veränderung des Momentanwertes der zwischen den beiden Elektroden 9 und 9* vorhandenen Spannung Us=Ut- Ui,

Fig.2b die zeitliche Veränderung des Momentanwertes des von den beiden Elektroden 9 und 9' zur Bodenplatte 14 fließenden elektrischen Stromes h—h +h sowie des von der Elektrode 9 zur Elektrode 9' fließenden elektrischen Stromes Je, die F i g. 3,3a, 3b, sowie 4, 4a und 4b die gleichen Größen für je eine andere Einstellung der nachstehend noch erwähnten Steuerung /.

Der durch die zu einem normalen Drehstromnetz gehörenden Leitungen R, S, T zugeführte Drehstrom (mit der normalen Netzfrequenz von z. B. 50 Hz) wird mittels zwei auf ihren Primärseiten zueinander parallel geschalteter Drehstromtransformatoren 3 und 3' auf wesentlich niedrigere Spannungen transformiert. Von der Sekundärseite jedes Drehstromtransformators 3 und 3' führen — je nach Ausführung desselben — drei oder beispielsweise sechs Hauptleiter 4 und der Sternpunktsleiter 5 zu einem in einem Thyristorschrank 6 bzw. 6' untergebrachten Thyristorsatz. Mit Hilfe der mechanisch oder elektronisch betätigten Steuerung 7 und der beiden Thyristorsätze werden die Leiterspannungen der drei- oder sechsphasigen Drehstromsysteme in zwei Einphasenwechselspannungen umgewandelt. Von je einer Ausgangsklemme der beiden Thyristorsätze führt eine elektrische Leitung 8 bzw. 8' zu einer abzuschmelzenden Elektrode 9 bzw. 9', wogegen die vorzugsweise aus Kupfer bestehende Bodenplatte 14, auf welcher der durch den Umschmelzvorgang gebildete Stahlblock 13 aufruht, durch die elektrischen Leitungen 15 und 15' mit den anderen beiden Ausgangsklemmen der Thyristorsätze verbunden sind. Die aus einem umzuschmelzenden Stahl bestehenden, sich selbst verzehrenden Elektroden 9 bzw. 9' sind exzentrisch zu der flüssigkeitsgekühlten (wassergekühlten) Kokille JO angeordnet und tauchen mit ihren unteren Enden in die auf der gebildeten Metallschmelze 12 schwimmende Schlackenschicht 11 ein. Mit Hilfe der beiden in die Zuleitungen 1 eingebauten dreipoligen Schalter 2 und 2' ist es möglich, die Stromzufuhr zu den Transformatoren 3 und 3' zu unterbrechen.

Die beiden von den Thyristoren 6 und 6' gelieferten, zwischen der Elektrode 9 bzw. 9' und der Bodenplatte 14 vorhandenen Spannungen t/_t und Ui ändern periodisch ihre Richtung, wobei die zwischen ihnen vorhandene Phasenverschiebung mit Hilfe der Steuerung 7 beliebig eingestellt werden kann.

Wenn — wie in F i g. 2 dargestellt — die beiden Spannungen U\ und Ui in Phase sind und überdies zu jedem Zeitpunkt gleiche Werte aufweisen, so ist sowohl die zwischen den beiden Elektroden 9 und 9' vorhandene Spannung Ut als auch die Stärke des von der Elektrode 9 zur Elektrode 9' fließenden Stromes /_E stets gleich null, hingegen fließt von den beiden Elektroden 9 und 9' ein periodisch seine Richtung ändernder Strom /b zu der Bodenplatte 14 (F i g. 2a bzw. 2b).

Falls — wie in F i g. 3 dargestellt — die beiden Spannungen U\ und Ui um die halbe Periodenlänge phasenverschoben sind und die gleichen Maximalwerte aufweisen, so ist die zwischen den beiden Elektroden 9 und 9' vorhandene Spannung Uz zu jedem Zeitpunkt doppelt so groß wie die Spannung U\. Infolgedessen *>"> fließt von der Elektrode 9 ein periodisch seine Richtung ändernder Strom Jt zur Elektrode 9', wogegen der von den beiden Elektroden 9 und 9* zur Bodenplatte 14 fließende Strom /_B stets null ist{F i g. 3a bzw. 3b).

Wenn — wie in F i g. 4 dargestellt — die zwischen den beiden Spannungen Ui und Ui vorhandene Phasenverschiebung kleiner als die halbe Periodenlänge ist und diese Spannungen die gleichen Maximalwerte aufweisen, so ist die zwischen den beiden Elektroden 9 und 9' vorhandene Spannung Ue und infolgedessen auch die Stärke des von der Elektrode 9 zur Elektrode 9' fließenden Stromes Je nur während jener Zeitintervalle von null verschieden, in denen sich die Richtungen der Spannungen U\ und U₂ unterscheiden. Hingegen fließt von den beiden Elektroden 9 und 9' nur während jener Zeitintervalle, in denen die Spannungen U\ und Uz gleich sind, ein Strom Jb zur Bodenplatte (Fig.4a und 4b). Wenn der Strom Je stets gleich null ist (F i g. 2 bis 2b), so bildet die flüssige Metallschmelze 12 einen verhältnismäßig sehr tiefen.und falls der Strom /b stets gleich null ist (F i g. 3 bis 3b), einen sehr flachen flüssigen Sumpf.

Somit hängt — gemäß den vorstehenden Darlegungen — die Form des von der flüssigen Metallschmelze 12 gebildeten Sumpfes letzthin wesentlich von der Phasenverschiebung zwischen den beiden Spannungen t/i und Uz ab. Überdies lassen sich — wie aus F i g. 4b hervorgeht — in der erfindungsgemäßen Anlage starke Stromstöße erzielen. Diese verursachen starke Magnetfelder, die in dem abschmelzenden, stromdurchflossenen Metall starke elektrodynamische Kraftwirkungen hervorrufen. Infolgedessen wird das abschmelzende Metall in kleine Tropfen zerrissen, die in der Schlackenschicht besonders gut gereinigt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Anlage ist es auch möglich, mehr als zwei, z. B. drei oder vier Thyristorsätze, an die je eine Elektrode oder Elektrodengruppe angeschlossen ist, vorzusehen und hierbei sämtliche Elektroden gleichzeitig in derselben Kokille abzuschmelzen. Wenn die Elektroden nacheinander in einer bestimmten Zeitfolge positive oder negative Spannungen gegenüber der Bodenplatte aufweisen, so entsteht ein elektromagnetisches Drehfeld, das eine Rührwirkung sowohl im Schlackenbad als auch in der flüssigen Metallschmelze verursacht. Durch die Steuerung kann die Folge der positiven Spannungen, die die Elektroden gegenüber der Bodenplatte aufweisen; umgekehrt werden, wodurch sich der Drehsinn des elektromagnetischen Drehfeldes und damit auch die Richtung, in der die Rührung erfolgt, ändert. Auch die Zeitdauer der Rührung in der einen und anderen Richtung ist durch die Steuerung einstellbar.

Gegenüber den bekannten Anlagen zum Elektroschlackenumschmelzen von Metallen bietet die erfindungsgemäße Anlage den sehr wesentlichen Vorteil, daß bei ihr mit wesentlich höheren Abschmelzgeschwindigkeiten gearbeitet werden kann, ohne daß hierdurch der Reinheitsgrad der durch den Umschmelzvorgang gebildeten Metallblöcke verschlechtert wird. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage besteht darin, daß bei ihr der Energieverbrauch (in kWh/t umgeschmolzenes Metall) verhältnismäßig sehr gering ist. Überdies läßt sich durch den vorstehend beschriebenen Rührvorgang ein besonders gutes Gefüge in den durch den Umschmelzvorgang gebildeten Metallblökken erzielen. Infolge der vorstehend beschriebenen Aufteilung des Schmelzstromes in zwei Teilströme /_E und /b weisen die hergestellten Metallblöcke eine besonders gute Oberflächenbeschaffenheit auf.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anlage zum Elektroschlackenumschmelzen von Stählen mit mindestens zwei in einer flüssigkeitsgekühlten Kokille unter einer Schlackenschicht abzuschmelzenden Elektroden und einer Bodenplatte, auf welcher der in der Kokille gebildete, erstarrte Stahlblock aufliegt, wobei jede der Elektroden und die Bodenplatte an eine eigene Ausgangsklemme einer Stromquelle angeschlossen sind und jede der Elektroden mit einer individuellen Spannung (Ux, U₂) gegenüber der Bodenplatte versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mittels mechanisch oder elektronisch betätigbarer Steuerung (7) von mindestens zwei jeweils die Stromquelle bildenden Thyrisiorsätzen (6, 6') die Phasenlagen der Spannungen (Ux, U₁), welche die einzelnen Elektroden (9, 9') gegenüber der Bodenplatte (14) aufweisen, gegeneinander verschiebbar und auf beliebige χ Werte einstellbar sind.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei oder mehrere Thyristorsätze vorgesehen sind, an die je eine Elektrode angeschlossen ist und daß die gleichzeitig in dieselbe Kokille einbringbaren Elektroden nacheinander in einer bestimmten Zeitfolge mit positiven oder negativen Spannungen gegenüber der Bodenplatte versorgbar sind und diese Zeitfolge und damit der Drehsinn des elektromagnetischen Drehfeldes umkehrbar ist. in