DE2138662A1 - Verfahren zum Verhindern von Schwindungshohlräumen und'Lunkern in Stahlblöcken - Google Patents

Description

Dr. Ing. E. BERKENFELD · DipL-lng. H. BERKENFELD, Patentanwälte, Köln Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom VA// Name d. Anm. HEPPENSTALL COMPANY

Verfahren zum Verhindern von Schwindungshohlräumen und Lunkern

in Stahlblöcken

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Erzeugen großer Stahlblöcke und insbesondere auf ein Verfahren zum Erzeugen großer Stahlblöcke mit verbrauchbaren Vakuumlichtbogen-Wärmhauben, um einen großen festen Block zu erhalten, der frei von einem mittleren Hohlraum oder Trichterlunker ist, was ein allgemein bekanntes Problem beim Gießen großer Blöcke darstellt·

Bei der Erzeugung von Stahlblöcken für spätere Schmiede- oder Walzvorgänge besteht das übliche Verfahren darin, daß der flüssige Stahl in gekühlte Eisenformen mit der gewünschten Querschnittsfläche und Höhe abgegossen wird, die den flüssigen Stahl aufnehmen, und daß ein fester Stahlblock erzeugt wird, der für den Schmiede- oder Walzvorgang erhitzt und gehandhabt werden kann.

Die Volumensänderung von Stahl beim Übergang aus dem flüssigen in den festen Zustand ist bekannt als die Folge von Schwindungshohlräumen und Lunkern in den Stahlblöcken. Bei vollständig desoxydierten und beruhigten Stählen ist es notwendig, einen Behälter oder eine Wärmehaube mit zusätzlichem flüssigen Stahl am oberen Ende des Blocks anzuordnen, um ein flüssiges Schmelzbad während eines Zeitraumes aufrecht zu erhalten,, der erforderlich ist, um dem flüssigen Stahl zu ermöglichen* in den Block zu fließen, während derselbe erstarrt und in seinem Volumen schrumpft. Wie den Erzeugern von Stahlblock©« in peinlicher Weise bekannt ist, ist diese Anstrengungc, fehlerfrei® Stahlblöcke ohne Schwindungshohlräume zu erzeugen* nicht immer

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erfolgreich, selbst wenn die feuerfeste isolierte Wärmhaube am oberen Ende der Gußeisenform, die den Stahlblock enthält, bis zu 25 oder 30 % des gesamten abgegossenen Blockgewichts ausmacht. Dies gilt insbesondere, wenn das Gewicht und der Querschnitt des Blocks vergrößert und die für die vollständige Erstarrung erforderlichen ^iten entsprechend verlängert werden.

Es werden verschiedene Verfahren angewendet, um den Stahl im Behälter während der verlängerten Erstarrungsperiode genügend heiß/ti und flüssig zu halten. Diese Verfahren umfassen isolierende Deckel über dem oberen Ende der Wärmhaube, exothermische Pulver und/oder exothermische Auskleidungen in der Wärmhaube zwecks Einführung zusätzlicher Hitze, um den flüssigen Zustand aufrecht zu erhalten, elektrische Induktion rund um die Wärmhaube, einen elektrischen Lichtbogen am oberen Ende des flüssigen Stahls oder elektrischen Strom, der durch die flüssige Schlacke am oberen Ende des flüssigen Stahls hindurchgeht (Elektroschlakke).

Diese Verfahren sind in unterschiedlichem Grade wirksam, indem sie flüssigen Stahl in den erstarrenden Block während des erforderlichen Zeitraumes einführen· Alle angewandten Verfahren haben jedoch einige schädliche Eigenschaften gemeinsam. Die erste besteht darin, daß bei Aufrechterhaltung des flüssigen Zustandes im Behälter derselbe der Oxydation und chemischen Veränderung unterworfen ist. Dies gilt mit oder ohne die flüssige Schlackenschicht und wird besonders bedenklich, wenn progressiv größere Blöcke die Verfügbarkeit eines Behälters mit flüssigem Stahl während zehn Stunden, zwanzig Stunden ©des* langer erfordern.

Ein zweiter Hauptnachteil der üblichen Wänahaubenverfahren besteht darin, daß das flüssige Metall für das Volumen der Wärmhaube als Teil des flüssigen Stahls vorgesehen werden muß, der für das Produkt geschmolzen und abgegossen wird. Dies gilt auch;, obwohl es bekannt ist, daß das Produkt nur aus dem Block erhalten wird und daß das für das Volumen der Wärmhaube vorgesehene Metall vom gesamten Blockgewicht abgeschnitten und als Ausschuß-

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stahl vieggeworfen wird.

Die nachstehend beschriebene Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer verbrauchbaren Stahlelektrode mit der gleichen Zusammensetzung wie der abgegossene Block, die im Vakuum durch einen Lichtbogen zwischen dem unteren Ende der Elektrode und der oberen flüssigen Oberfläche des abgegossenen Blocks geschmolzen wird. Die Schmelzgeschwindigkeit wird durch die Spannung des durch die Elektrode hindurchgehenden Stromes geregelt und wird derart sein, daß das Schrumpfen des Blocks durch den flüssigen Stahl, der von der verbrauchbaren Elektrode abgeschmolzen wird, vollständig kompensiert wird.

Der Druck in der Kammer, welche den Block, die Elektrode und den Lichtbogen über dem flüssigen Schmelzbad im Block enthält, wird genügend niedrig sein, um einen stabilen Lichtbogen zum Schmelzen der verbrauchbaren Elektrode zu ^ermöglichen, vorzugsweise unterhalb eines Drucks von 0,6 mm Quecksilbersäule, entsprechend iem bekannten Verfahren des Vakuumlichtbogenabschmelzens. In der gleichen Weise wird der Druck genügend hoch sein, um den Verlust von Mangan und anderen gewünschten Elementen mit hohem Dampfdruck aus dem flüssigen Stahl auf ein Minimum herabzusetzen, vorzugsweise mindestens ein Druck von 0,3 mm Quecksilbersäule. Erforderlichenfalls kann der Druck durch Einführung eines inerten Gases, wie zum Beispiel Argon, in das Vakuumsystem nach oben geregelt werden, anschließend an den gewünschten Anfangsdruckbereich von 0,3 bis 0,6 mm Quecksilbersäule. Im Laufe des Vakuumlichtflb°bogen-Wärmhaubenzyklus kann dieser Druck auf mehrere Millimeter Quecksilbersäule bis zu 10 um oder sogar mehr erhöht werden, je nach der Schmelzgeschwindigkeit und der Stabilität des Lichtbogens,

Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zum Verhindern von Schwindungshohlräumen und Lunkern in Stahlblöcken, welches gekennzeichnet ist durch die Schritte der Bildung eines Körpers entgasten geschmolzenen Stahls in einer Blockform und die kontinuierliche Zuführung geschmolzenen Stahls durch Vakuumlichtbogen-

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abschmelzen einer Elektrode in den Körper geschmolzenen Stahls mit einer geregelten Geschwindigkeit, die im wesentlichen gleich ist dem Volumenverlust durch Schrumpfung bei der Abkühlung, bisder Stahlkörper erstarrt ist.

In der vorstehenden allgemeinen Beschreibung der Erfindung sind bestimmte Probleme des Bekannten und bestimmte Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung relativ zu diesen Problemen angegeben. Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in welcher zeigt:

fe Fig. 1 einen senkrechten Längsschnitt durch eine Blockform und Vakuumkammer mit einer Gießpfanne zum Gießen eines Blocks gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen senkrechten Längsschnitt durch die Form und Kammer der Fig. 1 mit einer verbrauchbaren Elektrode anstelle der Gießpfanne.

In der Zeichnung ist ein typisches Erzeugungsverfahren gemäß der Erfindung dargestellt. Eine Gußeisenform 10 ist auf einer Gußeisenplatte 11 innerhalb eines Gehäuses 12 angeordnet, das eine Kammer rund um die Form 10 bildet. Das Gehäuse 12 ist mit einer Öffnung 13 versehen, die mit einer Vakuumpumpe von üblicher Form P verbunden ist, welche beim Vakuumströmungsentgasen verwendet wird und daher nicht dargestellt ist. Ein Deckel 14 wird auf dem Gehäuse 12 abgedichtet angeordnet und eine Pfanne 15, welche in die Form 10 zu gießendes geschmolzenes Metall enthält, wird auf den Deckel aufgesetzt. Die Kammer innerhalb des Gehäuses 12 wird auf einen gewünschten niedrigen Druck evakuiert und flüssiger Stahl 16 wird in die Gußeisenform 10 abgegossen nach dem bekannten Vakuumströmungsentgasungsverfahren. Die Vakuumströmungsentgasung ist ein bekanntes Verfahren und wird hier verwendet, um eines der Verfahren zum Gießen eines großen Blocks aus im Vakuum entgastem flüssigen Stahl zu veranschaulichen.

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Nachdem das Abgießen des Stahls 16 in die Form 10 beendet ist, wird in der Kammer innerhalb des Gehäuses 12 der atmosphärische Druck wieder hergestellt und die Pfanne 15 entfernt. Ein Ofenkörper 17, der einen vakuumdichten Druckkolben 18 und einen Halter 19 für eine Elektrode 20 tragen kann, wird auf den Deckel aufgesetzt. Die Elektrode 20 besteht aus dem gleichen Material wie der Stahl 16. Der Druck im Gehäuse 12 wird wieder auf den gewünschten Ausgangsbereich reduziert (zum Beispiel auf einen Druck von 0,3 bis 0,6 mm Quecksilbersäule), die Elektrode 20 wird auf die Oberfläche des Stahls 22 in der Form 10 gesenkt und der Lichtbogen wird erzeugt, der Stahl vom unteren Ende der Elektrode abschmilzt, welcher in den Körper flüssigen Stahls fällt, der den Block 22 bildet. Das Abschmelzen der Elektrode 20 wird während der ganzen Zeit bis zur vollständigen Erstarrung des Blocks 22 mit einer g Geschwindigkeit ν fortgesetzt, die erforderlich ist, um das Schrumpfen im Blockkörper zu kompensieren. Das Niveau des flüssigen Stahlschmelzbades am oberen Ende des Blockkörpers wird durch entsprechende Sichtöffnungen 23 oder durch Fernsehkameras und Bildschirme überwacht. Der Strom, welcher der verbrauchbaren Elektrode 20 zugeführt wird, ist der gleiche, wie er gewöhnlich für verbrauchbares Lichtbogenabschmelzen verwendet wird, nämlich Gleichstrom mit gerader Polarität (Elektrode negativ) von 25 bis 65 V. Es ist auch möglich, daß die Polarität in umgekehrte Polarität (Elektrode positiv) verändeaprt wird, um zusätzliche Hitze im flüssigen Stahlschmelzbad zu erzeugen. Der Durchmesser der Elektrode beträgt vorzugsweise etwa 25 bis 35 % des Durchmessers des Blockkörpers und dieselbe ist oberhalb des Blockkörpers zentriert, um das flüssige Schmelzbad in der mittleren axialen Zone des Blockkörpers zu halten, welche zuletzt erstarrt. Beispielsweise würde ein Blockkörper mit einem Durchmesser von 2,55 m (in einer runden gewellten Gußeisenform), der 157,644 t wiegt, vorzugsweise eine Elektrode mit einem Durchmesser von 6,25 bis 8,75 cm verwenden. Eine solche Elektrode würde mindestens 7,882 t wiegen (5 % des Gewichts des abgegossenen Blockkörpers), um genügend Metall zum Kompensieren der Schrumpfung des erstarrenden Blocks zu liefern. Diese Elektrode mit einem Durchmesser von 6,25 bis 8,75 cm wür-

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de elektrische Energie in Form von Gleichstrom mit 25 bis 50 V und 15.000 bis 25.000 A erfordern entsprechend dem bekannten verbrauchbaren Vakuumlichtbogenabschmelzverfahren, wobei gegen Ende des Zyklus eine Stromverringerung eintritt. Am Ende der Erstarrungsperiode, wenn im Blockkörper kein Stahl mehr benötigt wird_s wird der Vorgang zum Stillstand gebracht und innerhalb des Gehäuses 12 der atmosphärische Druck wieder hergestellt. Der Ofenkörper 17 wird entfernt, der Deckel 14 wird entfernt und der Block 22 aus der Form 10 herausgenommen. Die nachfolgende Behandlung des Blocks 22 richtet sich nach dem besonderen erzeugten Stahl und dem gewünschten Endprodukt.

ψ Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird ein Ofenkörper 17 auf das obere Ende des Deckels 14 und auf das Gehäuse 12 aufgesetzt. Der Ofenkörper 17 mit einer Anpassungsplatte oder ein besonders ausgebildeter Ofenkörper könnte auch direkt auf das obere Ende - der Form 10 aufgesetzt und evakuiert werden, worauf die Elektrode 20 in der oben beschriebenen Weise geschmolzen wird.

Der obige Überblick beschreibt die Verwendung der verbrauchbaren Vakuumlichtbogen-Wärmehaube bei einem Stahlblock, der entgast ist und aach dem Vakuumströmungsentgasungsverfahren abgegossen wird. Es können auch andere Entgasungsverfahren verwendet werden,, wie zum Beispiel die Anzapf entgasung, die Vakuumk pfannenentgasung, die Entgasung von Pfanne zu Pfanne oder andere, einschließlich der Entgasung des in die Blockform abgegossenen Stahls während des Abpumpzyklus über dem oberen Ende der Form vor dem verbrauchbaren S Vakuumlichtbogen-Wärmhaubenvorgang. Dieses letztere Eniaasungsverfahren eines soiEt unentgasten Stahls in der Blockform ergibt eine rasche und gewöhnlich heftige Entwicklung von Gasen aus dem flüssigen Stahl und erfordert einen hohen freien Randbereich der Blockform, damit dieselbe den ganzen aktiv bewegten flüssigen Stahl während des Entgasens festhalten kann.

Durch das beschriebene Wärmhaubenverfahren gemäß der Erfindung werden zwei Hauptvorteile erzielt. Der erste und wichtigste Vor-

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teil besteht darin, daß der Stahlblock unter optimalen Bedingungen für mittlere Fehlerlosigkeit und ein Minimum chemischer Seigerung erstarren kann. Infolge des Vakuumlichtbogenabschmelzens der verbrauchbaren Elektrode ist es möglich zu gewährleisten, daß der Behälter flüssigen Stahls während der ganzen Zeitperiode, die für die vollständige Erstarrung des Blockkörpers erforderlich ist, aufrecht erhalten wird. Die Aufrechterhältung dieses flüssigen Schmelzbades am oberen Ende des Blockkörpers stellt sicher, daß keine dazwischenliegende Erstarrung oder Brückenbildung im Blockkörper selbst erfolgt. Infolgedessen können sekundäre Trichterlunker oder Schwindungshohlräume eliminiert werden«,

Ein zweiter wichtiger Vorteil dieses Wärmhaubenverfahrens besteht darin, daß bei der Erzeugung von Blöcken von maximaler Größe, welche gewöhnlich die ganze Schmelz- und Raffinationskapazität einer Schmelzanlage ausnützen, der Größenbereich der erhältlichen Blöcke erhöht werden kann. Wenn beispielsweise eine besondere Schmelzanlage mit mehreren Öfen so programmiert werden kann, daß sie insgesamt 181,2 t Stahl erzeugt, welche durch normales Abgießen und Wärmhaubeneinrichtungen zu einem Block kombiniert werden können, der 181,2 t wiegt, würde der Blockkörper ungefähr 135,9 t wiegen. Der Rest befände sich in der Wärmhaube. Ein resultierendes Schmiedestück würde ein Verhältnisanteil dieses Blockkörpers von 135,9 t sein. Durch die beschriebene Erfindung kann jedoch die ganze Kapazität der Schmelzteanlage von 181,2 t in eine Gußeisenform abgegossen werden, um den Blockkörper zu bilden, und der von der verbrauchbaren Elektrode abgeschmolzene Stahl wird dazu verwendet, die normale Schrumpfung in diesem Blockkörper zu kompensieren. Auf diese Weise wird der ganze Stahl der Schmelzanlage dazu verwendet, den nutzbaren Körper des Blocks zu erzeugen, und das resultierende Schmiedestück, das aus diesem Blockkörper erhältlich ist, würde ein entsprechend größeres Gewicht aufweisen· Die Produktionskapazität einer Anlage kann daher um etwa 25 bis 30 % erhöht werden, ohne die Größe der Ausrüstung zu verändern, die zum Erzeugen des geschmolzenen Stahls verwendet wird. Dies ist ein sehr wichtiger

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Vorteil.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen beispielsweisen Ausführungsformen beschränkt, die verschiedene Abänderungen erfahren können, ohne den Rannen der Erfindung zu verlassen.

Patentansprüche ;

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Claims (7)

Dr. Ing. E. BERKENFELD · Dipl.-lng. H. BERKEN FELD, Patentanwälte, Köln Anlage Aktenzeichen zur Eingabe vom VA// Name d. Anm. HEPPENSTALL COMPANY P A TENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Verhindern von Schwindungshohlräumen und Lunkern in Stahlblöcken, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

(a) die Bildung eines Körpers entgasten geschmolzenen Stahls in einer Blockform und

(b) die kontinuierliche Zuführung geschmolzenen Stahls durch Vakuumlichtbogenabschmelzen einer Elektrode in den Körper geschmolzenen Stahls mit einer geregelten Geschwindigkeit, die im wesentlichen gleich ist dem Volumenverlust durch Schrumpfung bei der Abkühlung, bis der Stahlkörper erstarrt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper entgasten geschmolzenen Stahls in einer Blockform innerhalb einer Vakuumkammer durch Vakuumströmungsentgasung gebildet wird und daß geschmolzener Stahl aus einem auf der Kammer angeordneten Ofen durch Vakuumlichtbogenabschmelzen einer Elektrode kontinuierlich in den Stahlkörper eingeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ganze verfügbare geschmolzene Stahl mit einer besonderen Zusammensetzung in eine Blockform gegossen wird, welche eine Wärmhaube aufweist, und daß geschmolzener Stahl durch Vakuumlichtbogenabschmelzen einer Elektrode kontinuierlich zugeführt wird, welche im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung aufweist.

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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Elektrode etwa 25 bis 35 % des Durchmessers des Blockkörpers beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode im wesentlichen oberhalb des Schmelzbades aus geschmolzenem Stahl in der Form zentriert ist.

6. Verfahren zum Verhindern von Schwindungshohlräumen und Lunkern in Stahlblöcken nach Anspruch 1, bei welchem gleichzeitig die normale Seigerung chemischer Elemente in der mittleren Zone der Stahlbläke überwunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß der ganze verfügbare geschmolzene Stahl mit einer besonderen Zusammensetzung in eine Blockform gegossen wird, welche keine Wärmhaube aufweist, und daß geschmolzener Stahl durch Vakuumlichtbogenabschmelzen einer Elektrode mit einer entsprechenden anderen Zusammensetzung kontinuierlich zugeführt wird, um die heterogenen Wirkungen des wahlweisen Erstarrens zu kompensieren.

7. Verfahren zum Erzeugen von Stahlblöcken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Zone des Blocks im wesentlichen die gleichen Erstarrungseigenschaften wie verbrauchbare, durch Vakuumlichtbogen abgeschmolzene Blöcke aufweist.

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