DE2420141B2 - Verfahren und vorrichtung zum elektroschlacke-umschmelzen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Elektroschlacke-Umschmelzen, bei dem die Kokille einen ersten Formabschnitt /um Aufnehmer! vmi geschmolzenem Metall und Schlacke sow ie mehrere in direkter Verbindung mit dem ersten l-ormabschnitt stehende Blockformen aufweist, und wobei die Querschnittsfläche des ersten Formabschnitts größer als die gesamte Querschnittsfläche der damit in Verbindung stehenden Blockformen ist, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei der Herstellung von Blöcken nach irgendeinem der verschiedenen bekannten Elektroschlacke-Umschmelzverfahren wird allgemein eine Elektrode abgeschmolzen und zu einem Block verarbeitet, dessen Querschnitt größer als der Querschnitt der Elektrode ist. Bei den bis jetzt gebräuchlichen Verfahren beträgt das Verhältnis zwischen dem Querschnitt der Elektrode und dem Querschnitt des Blockes bis zu etwa 80%. I_n manchen Fällen ist es erwünscht, daß das Verhältnis zwischen dem Querschnitt der Elektrode und dem Querschnitt des Blocks 100% oder mehr beträgt, d. h. es ist häufig erwünscht, einen Block herzustellen, der einen kleineren Querschnitt aufweist als die Elektrode. Es bestehen jedoch bestimmte metallurgische und wirtschaftliche Schwierigkeiten, die dazu führen, daß es schwierig ist, mit einem derartigen Querschnittsverhältnis zu arbeiten.

Die Kosten der Herstellung von Blöcken nach dem Elektroschlacke-Umschmelzverfahren oder mit Hilfe anderer Verfahren, bei denen mit abschmelzenden Elektroden gearbeitet wird, richten sich zum Teil nach der Schmelzgeschwindigkeit, die ihrerseits von der Querschnittsfläche des Blockes abhängt, je kleiner die Querschnittsfläche des Blockes ist, desto kleiner wird die je Minute vergießbare Werksloffmenge. Die zulässige Erstarrungsgeschwindigkeit ist bei einer vorgegebenen Legierung eine Funktion der metallurgischen Eigenschaften und der einzuhaltenden Güte. Die zulässige Erstarrungsgeschwindigkeit nimmt mit abnehmender Querschnittsfläche der Blöcke ab. Daher führt eine niedrige Schmelzgeschwindigkeit zu einer schlechten Ausnutzung des Schmelzofens, so daß sich die Einheitskosten beim Herstellen von Blöcken erhöhen, wenn das Elektroschlacke-Umschmelzverfahren oder andere mit abschmelzenden Elektroden arbeitende Verfahren angewendet werden.

Es ist bereits ein Verfahren bekannt (deutsche Offenlegungsschrift 2113 521), bei dem aus einer einzigen abschmelzenden Elektrode mehrere Blöcke mit kleinerem Querschnitt als der Elektrode verschmolzen werden. Zu diesem Zweck sind ringförmig um eine Kokille mehrere Blockformen angeordnet und das von der Elektrode abschmelzende Metall sammelt sich zunächst in der Kokille und fließt dann aus dieser Kokille in die einzelnen tiefer gelegenen Blockformen Bei diesem bekannten Verfahren befindet sich jedoch oberhalb der Blockformen eine Schlackenschicht, die das Abziehen der einzelnen Blöcke erschwert und weiterhin die Gefahr von Schlackeneinschlüssen in den Blöcken hervorruft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem bzw. bei der sich keine Schlackendecke über den Blockformen befinde^ und bei dem bzw. bei der die Geschwindigkeit, mit dei ein Block gegossen wird, nicht in einer völlig fester Beziehung zu der Geschwindigkeit steht, mit der den Schmelzbad von der Elektrode Metall zugeführt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß durch das Schmelzen der Elektrode unter dei geschmolzenen Schlacke in dem ersten Formabschnit ein Schmelzbad aus geschmolzenem Metall aufrechter halten wird, das von der geschmolzenen Schlackt

fberdeckt ist und über den ganzen Querschnitt des ersten Formabschnitts hinweg in inniger Berührung mit jämtlichen Blockformen gehallen wird, daß das geschmolzene Metall in den verschiedenen Blockformen durch Kühlen dieser Blockformen zum Erstarren gebracht wird, daß die Wärmeabgabe des Schmelzbades J_n dem ersten Formabschnitt an der Trennfläche ^wischen dem ersten Formabschnitt und den Blockformen durch eine Wärmeisolierung der oberen Enden der Blockformen und nur des Bodens des ersten Formabschnittes verringert wird und daß die oberen Teile des ersten Formabschnittes in einem Bereich gekühlt werden, der von einem Punkt unter der Trennfläche zwischen der geschmolzenen Schlacke und dem geschmolzenen Metall und einem Punkt, der mindestens flber die Oberfläche der geschmolzenen Schlacke liegt, reicht.

Durch diese Ausgestaltung des Verfahrens ist es möglich, gleichzeitig mehrere Blöcke in Blockformen zu gießen, wobei alle Blöcke mit dem Schmelzbad in dem ersten Formabschnitt in direkter Verbindung stehen, so daß das Eindringen von Schlacke in die Blockformen und weiterhin eine zu schnelle Abkühlung des Metalls in den Blockformen verhindert wird. Hierdurch können die Elektroden relativ schnell abgeschmol/en weiden. währerd die Blöcke gleichzeitig bei einer \ crgleichswei $e geringeren Geschwindigkeit gegossen werden, so daß die Geschwindigkeit, mit der ein Block gegossen wird, nicht in einer völlig festen Beziehung /i- der Geschwindigkeit steht, mit der die Elektrode abschmüzt. Eine Abkühlung des MeJaIIs in den Blockformen am oberen Ende der Blockformen wird durch die Wärmeisolierung der oberen Enden der Blockformen sowie des Bodens des ersten Formabschnittes sicher verhindert, so daß ein Reißen der Blöcke beim Abziehen vermieden wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der erste Formabschnitt mit Wärmeisolierungseinrichmngen versehen ist, die in Erstarren des geschmolzenen Metalls in dem ersten Formabschnitt an der Trennflache zwischen dem ersten Formabschnitt und den Blockformen verhindern, daß die Wärmeisolierungseinrichtungen an den oberen Enden der Blockformen sowie am Boden des ersten Formabschnitts befestigt und vollständig unter der Oberfläche des Schmelzbades, angeordnet sind, und daß der erste Formabschnitt einen flüssigkeitsgekühlten Metallmantel aufweist, der sich über den Wärmeisolierungseinrichtungen nach oben erstreckt und das geschmolzene Metall und die dieses überdekkende geschmolzene Schlacke enthält.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Vorrichtung ist vorgesehen, daß zusätzlich zu den Wärmeisolierungseinrichtungen am oberen Bereich der Blockformen ein Ringteil aus Graphit vorgesehen ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Wärmeisolierungseinrichtungen aus Zirkonerde.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausfiihrungsform der Vorrichtung zur Durchführung des Elektroschlacke-Umschmelzverf ahrens,

F i g. 2 einen Grundriß der Vorrichtung gemäß F i g. 1,

Fig. 3 einen Teilschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung.

Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Ausfühmngsform der Vorrichtung ermöglicht es, gleichzeitig menrere Blöcke mit kleinerem Querschnitt ausgehend von einer Elektrode 54 herzustellen. Wie es in den F i g. 1 und 2 gezeigt ist, weist die Vorrichtung einen äußeren Mantel 32 auf, in dem sich ein oberer wassergekühlter Metallmantel 34 befindet, der dazu dient, das geschmolzene Metall 36 und die geschmolzene Schlacke 38 aufzunehmen. Der erste Formabschiitt 30 ist mit einem feuerfesten Boden 40 versehen, der z. B. drei Öffnungen aufweist, die zu den zugehörigen wassergekühlten Blockformen 48, 50 und 52 führen. An den Kopfenden aller Blockformen sind ringförmige Wärmeisolierungseinrichtungen in Form von Einsatzteilen 42, 44 und 46 aus feuerfestem Material angeordnet. Diese ringförmigen Einsatzteile können erneuen werden, sobald sie abgenutzt sind. Der einen Teil der Wärmeisolierungseinrichtungen bildende leuerfcitc Boden 40 und die Einsatzteile 42, 44 und 46 bestehen vorzugsweise aus Zirkonerde, doch können auch andere Materialien verwendet werden, um die erl"iderliche Wärmeisolierung zu erreichen.

In den F i g. 1 und 2 ist eine Vorrichtung mit drei zylindrischen Blockformen dargestellt, doch ist ohne weiteres verständlich, daß auch zwei oder vier oder mehr Blockformen verwendet werden können. Außerdem können selbstverständlich anstelle />lmdnscher Blockformen auch Blockformen mit einer anderen Querschnntsform verwendet w erden.

In Fig.¹ ist lediglich eine Elektrode 54 gezeigt, die während des Betriebs der Vorrichtung so angeordnet ist. daß ihr unteres Ende in die geschmolzene Schlacke 38 eintaucht. Die Elektrode 54 kann durch eine beliebige Einrichtung bekannter Art gehaltert sein, muteis der sich die Elektrode 54 heben und senken läßt. Die Querschnittsfläche der Elektrode 54 ist erheblich größer als die Querschniitsl'läche der einzelnen Blockformen 48, 50 und 52. Unter bestimmten Umstanden kann es jedoch vorteilhaft sein, mehrere Elektroden 54 von beliebiger zweckmäiger Querschnittsform zu verwenden, die gleichzeitig unter der Schlacke 36 zum Schmelzen gebracht werden, um das Schmelzbad aus geschmolzenem Metall 36 zu erzeugen.

Die Querschnittsfläche des ersten Formabschnitts 30 innerhalb des flüssigkeitsgekühlten Metallmantels 34 ist größer als diejenige der Blockformen. In diesem erweiterten ersten Formabschnitt wird die Trennfläche zwischen der geschmolzenen Schlacke und dem geschmolzenen Metall in ihrer Lage gehalten, wobei sich ein Schmelzbad aus geschmolzenem Metall bildet. Der feuerfeste Boden 40 bewirkt zusammen mit den ringförmigen Einsatzteilen 42, 44 und 46 eine Wärmeisolierung derart, daß das Schmelzbad aus geschmolzenem Metall 36 im geschmolzenen Zustand verbleibt. Sollte irgendein Teil des Schmelzbades, der sich oberhalb des feuerfesten Bodens 40 befindet, erstarren, so wurden die Blöcke entweder in den Blockformen festgehalten oder es würde ein Abreißen an der Fläche der einzelnen Blöcke eintreten oder es würde unmöglich sein, die Blöcke herauszuziehen. Der feuerfeste Boden 40 sowie die Einsatzteile 42, 44 und 46 bewirken eine ausreichende Isolierung des Schmelzbades gegenüber der Kühlwirkung der Blockformen 48, 50 und 52 und des Metallmantels 34, so daß ein Erstarren des Schmelzbades an der Trennfläche zwischen den Blockformen und dem ersten Formabschnitt oder in der Nähe dieser Treniifläche verhindert wird. Da somit das geschmolzene Metall 36 in dem ersten Formabschnitt nicht erstarren kann, ist es möglich, in dem ersten

Formabschnitt sowohl ein Schmelzbad aus geschmolzenem Metall 36 aufrechtzuerhalten als auch gleichzeitig dafür zu sorgen, daß die Trennfläche zwischen dem geschmolzenen Metall und der geschmolzenen Schlacke 38 in dem ersten Formabschnitt verbleibt. Die Verwendung von Zirkonerde (ZrC^) für die Wärmeisolierungseinrichtungen 40, 42, 44, 46 ist vorteilhaft, weil dieses Material lange Zeit hindurch in Berührung mit geschmolzenem Stahl bleiben kann und hierbei nur eine minimale Neigung zum Auftreten von Reaktionen aufweist. Außerdem hält Zirkonerdc bei minimaler Erosion bzw. minimalem lnlösunggehen den Beanspruchungen stand, denen das Material beim anfänglichen Erzeugen der geschmolzenen Schlacke und dem Entstehen eines Schmelzbades ausgesetzt ist. jedoch müssen die Wärmeisolicrungseinrichtungcn nicht unbedingt aus Zirkonerde bestehen, sondern es können auch andere feuerfeste Materialien verwendet werden, die die gleiche Aufgabe erfüllen. Es können in der Praxis sogar nichtfeuerfeste Materialien verwendet werden, die das geschmolzene Metall hinreichend isolieren, um es im geschmolzenen Zustand zu erhalten.

Wenn die Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 in Betrieb gesetzt werden soll, um das Elektroschock«; Umschmelzverfahren durchzuführen, werden Stopfen 56 in die verschiedenen Blockformen 48, 50 und 52 so eingesetzt, daß ihre oberen Enden annähernd auf gleicher Höhe mit den oberen Enden der feuerfesten ringförmigen Einsatzteile 42, 44 und 46 liegen. Eine der Aufgaben der Stopfen 56 besteht darin, die feuerfesten Einsatzteile während der Inbetriebsetzung der Vorrich tung gegen die geschmolzene Schlacke 38 zu schützen. Gemäß F i g. I weist jeder Stopfen einen einem Tisch ähnelnden Abschnitt auf, der sich in einer Aussparung 58 nach oben erstreckt. Diese Ansätze dienen dazu, eine gute Verbindung zwischen den Stopfen und den zugehörigen Blöcken herzustellen, die gegenüber dem Schmelzbad nach unten gezogen werden.

Die Elektrode 54 wird darauffolgend in einem Abstand von 75 bis 100 mm von den Stopfen angeordnet und eingeschaltet. Daraufhin wird geschmolzene Schlacke in den ersten Formabschnitt 30 gegossen, daß die Oberfläche der Schlacke das untere Ende der Elektrode erreicht. Nunmehr wird mit dem Schmelzen begonnen. Gegebenenfalls kann der feuerfeste Boden 40 sowie die feuerfesten Einsatzteile 42, 44 und 46 z. B. mit Hilfe eines Brenners vorgewärmt werden, bevor die geschmolzene Schlacke in den oberen Formabschnitt gegossen wird.

Während der ersten wenigen Minuten schmilzt die Elektrode 54 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit ab. so daß der feuerfeste Boden 40 des ersten Formabschnitts und die Stopfen 56 mit geschmolzenem Metall bedeckt werden. Sobald ein Schmelzbad vorhanden ist, wird mit dem Herausziehen der Blöcke begonnen, wobei die entstehenden Blöcke mit einer Geschwindigkeit nach unten gezogen werden, die sich nach der Abschmelzgeschwindigkeit der Elektrode 54 und den gewünschten Eigenschaften der herzustellenden Legierung richtet. Um die Blöcke aus der Form herauszuziehen, kann eine beliebige Einrichtung bekannter Art verwendet werden. Beispielsweise können die Blöcke gegenüber den ortsfest angeordneten Blockformen nach unten bewegt werden oder diese Blockformen werden gegenüber den Stopfen 56 angehoben.

Die Regelung der Entstehungsgeschwindigkeit der Blöcke richtet sich mindestens teilweise nach der Lage der Trennfläche zwischen der geschmolzenen Schlacke 38 und dem geschmolzenen Metall 36. Da gemäß F i g. 1 nur eine einzige Trennfläche vorhanden ist, läßt sich die Lage der Tfinnflache auf erheblich einfachere Weise regeln als bei einer Vorrichtung, bei der versucht werden müßte, gesonderte Trennflächen zwischen geschmolzenem Metall und geschmolzener Schlacke in jeder der Blockformen in der gewünschten Lage zu erhalten. Da hier jedoch nur eine Trennfläche

ίο vorhanden ist, kann die Lage der Trennfläche mit Hilfe bekannter Einrichtungen aufrechterhalten werden.

Nach der Beendigung des Schmelzvorganges wird die Zufuhr von elektrischer Energie ve.ringert oder unterbrochen während die Blöcke weiter aus der Blockform herausgezogen werden, um das geschmolzene Metall aus dem oberen Fonnabschnitt zu entfernen. Die geschmolzene Schlacke kann in der gleichen Weise oder mit Hilfe eines anderen Verfahrens, z. B. durch Absaugen entfernt werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Erstarrung des geschmolzenen Metalls ausschließlich in den Blockformen 48, 50 und 52 erfolgt. Versuche haben gezeigt. ΛιΒ eine anfängliche Erstarrung des Metalls dort staltfindet. wo die feuerfesten ringförmigen Einsatzlcile 42, 44, 46 in Berührung mit den wassergekühlten Blockformen 48, 50,52 stehen.

In Fig. 3 ist ein Teilschnitt durch die Verbindung zwischen einer wassergekühlten Blockform 60 und dem Boden eines ersten Formabschniltes zum Aufnehmen von geschmolzenem Metall gezeigt. Ebenso wie bei der Vorrichtung nach den F i g. 1 und 2 ist ein ringförmiges feuerfestes Ansatzteil 62 und ein feuerfester Boden 64 vorgesehen. Außerdem ist ein Ringteil 66 aus Graphit in die Wand der Blockform 60 so eingebaut, daß es in Berührung mit dem feuerfesten Ringteil 62 sieht.

Das Ringteil 66 aus Graphit wird verwende!, weil seine geringe Reibung Vorteile bietet. Ist ein solches Ringteil aus Graphit vorhanden, so verbessert sich die Oberflächengüte des in der Blockform 60 entstehenden Blocks. Das Ringteil 66 muß jedoch gekühlt werden, denn in dem Stahl würde sich Kohlenstoff lösen, wenn zugelassen würde, daß das Ringteil zu heiß würde. Im Hinblick hierauf hat das Ringteil 66 nur eine rclati\ geringe Wandstärke und es ist in einer Bohrungscrweitcrung der Wand der Blockform 60 so angeordnet, daß es gekühlt wird.

Wenn es zulässig ist, die zu gießende Legierung direkt in Berührung mit Kohlenstoff zu bringen, wie es /.. B. be einer Kupferlegierung möglich ist, könnte man auch da< feuerfeste Einsatzteil 62 oder sogar den feuerfester Boden 64 aus Graphit herstellen.

Weiterhin ist es möglich, auf einen feuerfesten Boder der in den F i g. 1 bis 3 gezeigten Art zu verzichten unc den Metallmantel 34 nach unten hin zum Boder fortzusetzen, so daß sich ein wassergekühlter Boder ergibt. In d esem Fall wird beim Inbetriebsetzen de Vorrichtung zunächst eine dünne Schicht aus Schlacki am Boden des ersten Formabschnitts erzeugt und mai läßt zu. daß diese Schicht erstarrt. Danach erfolgt da Gießen der Blöcke in der schon beschriebenen Weise Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die dünni Schlackeschicht als Wärmeisolator wirkt, um zi verhindern, daß das geschmolzene Metall des Schmelz bades in dem erweiterten e.-sten Formabschnitt erstarrt Der erste Formabschnitt und jede Blockforr bestehen vorzugsweise aus wassergekühltem Kupfci doch können auch wassergekühlte Stahlteile ode Formen aus anderen Werkstoffen benutzt werdet

Weiterhin ist das beschriebene Verfahren nicht nur auf die Verwendung von abschmelzenden Elektroden anwendbar, sondern es können auch andere Verfahren zum Schmelzen von Metall in dem ersten Formabschnitt verwendet werden.

Die beschriebenen Verfahren können dazu benutzt werden, um entweder Blöcke nach dem Stranggießverfahren zu erzeugen oder einzelne Blöcke herzustellen. Das Elektroschlacke-lJmschmclzverfahren arbeitet etwas langsamer als bekannte Stranggießverfahren, doch

IaHt sich ein Erzeugnis höherer Qualität herstellen. Werkstoffe von höherer Cjülc erhält man insbesondere dann, wenn man das Metall langvuner erstarren läßt. Eine solche langsamere Erstarrung ist darauf zurückzuführen, daß die Schlackedcckc auf der Oberseite der Metallschmelze dazu beiträgt. Wärme in dem Schmelzbad zurückzuhalten. Außerdem verhindert die Schlackedecke ein Erstarren vom Rand der Metallschmelze au< an der Trennfläche zwischen der SchU-ckedecke unc dem geschmolzenen Metall.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Elektroschlacke-Umschmelzen bei dem die Kokille einen ersten Formabschnitt zum Aufnehmen von geschmolzenem Metall und Schlaklce sowie mehrere in direkter Verbindung mit dem ersten Formabschnitt stehende Blockformen aufweist, und wobei die Querschnittsfläche d_es ersten Formabschnitts größer als die gesamte Quer-Schnittsfläche der damit in Verbindung stehenden Blockformen ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Schmelzen der Elektrode unter der geschmolzenen Schlacke in dem ersten Formab- »chnitt ein Schmelzbad aus geschmolzenem Metall aufrechterhalten wird, das von der geschmolzenen Schlacke überdeckt ist und über den ganzen Querschnitt des ersten Formabschnitts hinweg in inniger Berührung mit sämtlichen Blockformen gehalten wird, daß das geschmolzene Metall in den verschiedenen Blockformen durch Kühlen dieser Blockformen zum Erstarren gebracht wird, daß die Wärmeabgabe des Schmelzbades in dein ersten Formabschnitt an der Trennfläche zwischen dem ersten Formabschnitt und den Blockformen durch eine Wärmeisolierung der oberen Enden der Blockformen und nur des Bodens des ersten Formabschnittes verringert wird und daß die oberen Teile des ersten Formabschnittes in einem Bereich gekühlt werden, der von einem Punkt unter der Trennfläche zwischen der geschmolzenen Schlacke und dem geschmolzenen Metal! and einem Punkt. der mindestens über der Oberfläche der geschmolzenen Schlacke liegt, reicht.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Formabschnitt (30) mit Wärmeisolierungseinrichtungen (40, 42, 44, 46) versehen ist, die ein Erstarren des geschmolzenen Metalls (36) in dem ersten Formabschnitt an der Trennfläche zwischen dem ersten Formabschnitt und den Blockformen (48, 50, 52) verhindern, daß die Wärmeisolierungseinrichtungen (40, 42, 44,46) an aen oberen Enden der Blockformen (48,50,52) sowie am Boden des ersten Formabschnitts (30) befestigt und vollständig unter der Oberfläche des Schmelzbades angeordnet sind, und daß der erste Formabschnitt (30) einen flüssigkeitsgekühlten Metallmantel (34) aufweist, der sich über den Wärmeisoüerungseinrichuingen nach oben erstreckt und das geschmolzene Metall und die dieses überdeckende geschmolzene Schlacke (38) enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Wärmeisolierungscinrichtungen am oberen Bereich der Blockformen ein Ringteil (66) aus Graphit vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolierungseinrich-Uingen (40,42,44,46) aus Zirkonerde bestellen.

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