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WO2002040726A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von blöcken oder strängen aus metall durch abschmelzen von elektroden in einem elektro-schlackenbad - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum herstellen von blöcken oder strängen aus metall durch abschmelzen von elektroden in einem elektro-schlackenbad Download PDF

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Publication number
WO2002040726A1
WO2002040726A1 PCT/EP2001/013012 EP0113012W WO0240726A1 WO 2002040726 A1 WO2002040726 A1 WO 2002040726A1 EP 0113012 W EP0113012 W EP 0113012W WO 0240726 A1 WO0240726 A1 WO 0240726A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
current
mold
slag bath
conducting element
base plate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2001/013012
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Holzgruber
Harald Holzgruber
Lev Medovar
Izrail Lantsman
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Inteco Internationale Techinsche Beratung GmbH
Original Assignee
Inteco Internationale Techinsche Beratung GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inteco Internationale Techinsche Beratung GmbH filed Critical Inteco Internationale Techinsche Beratung GmbH
Priority to AU2002221836A priority Critical patent/AU2002221836A1/en
Priority to EP01996632A priority patent/EP1334214B1/de
Priority to US10/416,823 priority patent/US6913066B2/en
Priority to JP2002543035A priority patent/JP3676781B2/ja
Priority to DE50105485T priority patent/DE50105485D1/de
Publication of WO2002040726A1 publication Critical patent/WO2002040726A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D23/00—Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00
    • B22D23/06—Melting-down metal, e.g. metal particles, in the mould
    • B22D23/10—Electroslag casting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/16—Remelting metals
    • C22B9/18—Electroslag remelting

Definitions

  • the invention relates to a method for producing blocks or strands of metal - in particular from steel as well as Ni and Co-based alloys - by melting self-consuming electrodes in an electrically conductive slag bath using alternating or direct current in a short, after water-cooled mold open at the bottom, via which a current contact to the slag bath can be established.
  • the invention also includes a device for performing this method.
  • remelting blocks are produced using the process of electroslag remelting in stand molds - but also in short slide molds - it is common, depending on the susceptibility of the remelted alloy to segregate, to set a melting rate in kilograms (kg) per hour, which for round blocks is between 70% and 110% of the block diameter in millimeters (mm).
  • a melting rate in kilograms (kg) per hour, which for round blocks is between 70% and 110% of the block diameter in millimeters (mm).
  • an equivalent diameter can be used, which is calculated from the cross-sectional circumference divided by the number ⁇ (Pi).
  • the lower area is mainly used for strongly segregating alloys - such as tool steels or high-alloyed nickel base alloys - in which a flat metal sump is aimed at to avoid segregation.
  • the value of 70% can hardly be undercut in the conventional ESR process, since then the power supply from the melting electrode into the slag bath has to be reduced very much, which results in a low temperature of the slag bath and subsequently a poor, often grooved surface of the remelting block has the consequence. If the power supply is too low for Slag bath then often also forms a thick slag jacket between the block and the mold, which in turn hinders the heat dissipation from the block surface, so that the desired flat melt sump cannot be achieved.
  • the slag bath temperature and the melting rate are - and in context thus the depth of the swamp and the formation of the surface - closely linked and cannot be controlled and controlled independently of one another and separately.
  • the melting rate with increased power supply to the slag bath occurs because the melting electrode serves on the one hand to supply energy to the slag bath, but on the other hand all the more melts faster, the more you increase the energy supply to the slag bath.
  • the electrode must then be fed into the slag bath at the speed at which it melts. If the melting electrode were not topped up, it would melt to just above the surface of the slag bath, which would interrupt the electrical contact and thus the power supply to the slag bath. The remelting process would come to a standstill.
  • Another way to increase the slag bath is of smaller diameter electrodes zen umzusch 'mel-.
  • the end face of the electrode immersed in the slag bath is smaller, so that a comparatively hotter slag bath is required in order to achieve the desired melting rate.
  • this measure can often be used to improve the surface of the block, the use of small-diameter electrodes leads to an increased heat concentration in the center of the block, which can result in a V-shaped recessed sump with an increased tendency to segregate.
  • EP 786 521 B1 by the applicant shows a process for remelting electroslag in which, by melting electrodes of comparatively large diameter, higher deposition rates are set than in conventional electroslag remelting.
  • part of the melt flow can be returned via current-conducting elements built into the mold wall. The arrangement leads to a division of the return line currents incorrectly proportional to the total resistance of the conductor loops used.
  • the inventor set the goal of being able to control the melting rate of the electrode independently of the temperature of the slag bath and at the same time to ensure a good block surface.
  • the melting rate of the consumable electrode can be controlled in a simple manner by the feed rate with which it is pushed into the overheated slag bath.
  • the achievable melting rate will be higher the larger the end face and the immersion depth of the electrode immersed in the slag bath and the higher its temperature.
  • the melting electrode can be completely currentless.
  • the block sump can also remain de-energized or a partial flow can be applied.
  • a circuit as a cathode is also of interest for the block sump for the reasons mentioned above. If the block and the electrode are connected as the cathode, the return line can take place via current-conducting elements in the mold connected as an anode.
  • the remelting blocks formed in the lower part of the mold can either be pulled down from this or the mold is raised in the manner in which the block standing on a base plate grows.
  • the present invention thus relates to a method for producing blocks or strands from metals, in particular from steels and Ni and Co base alloys, by melting self-consuming electrodes in an electrically conductive slag bath in a short, water-cooled mold which is open at the bottom and is built into the mold wall current conducting elements, about which in In a manner known per se, a current contact to the slag bath can be produced, the melt flow supplied being able to be introduced into the slag bath both via the remelting block and the melt sump and, if appropriate, at least one current-conducting element of the mold, the melt flow being returned via at least one current-conducting element of the mold , which is electrically insulated from any former and also the part of the mold that forms the remelting block.
  • the proportion of current supplied via the melting electrode can be 0 to 100% of the total supplied melting current.
  • the short, current-conducting mold can be permanently installed in a work platform and the remelting block can be removed downwards.
  • the block can also be built up on a fixed base plate and the mold can be raised in the manner in which the block grows.
  • the block can be removed or the mold can be lifted continuously or step by step.
  • an additional counter-stroke step can directly follow each stroke step, the step length of which can be up to 60% of the step length of the withdrawal stroke step.
  • Fig. 3 an enlarged section through Fig. 2 along the line III - III.
  • a water-cooled mold 10 with a hollow ring-shaped mold body 12 is assigned a bottom plate 14, which in turn is hollow, according to FIG. 1, the outer diameter of which is slightly shorter than the inner diameter d of the mold 10;
  • the base plate 14 can be pushed into the mold opening or the mold interior space 11 of height h until it runs directly below the upper edge 13 of the mold hollow body 12.
  • a ring-like insulating element 16 rests on the upper edge 13 and a current-conducting element 18 — likewise ring-like and / or made of several parts — rests on this; the latter is electrically insulated from the - nonconductive - insulating elements 16 against the water-cooled lower region 20 of the mold 10 and is separated from the top by an upper insulating element 16 a from a water-cooled hollow ring 22.
  • the upper insulating element 16 a is not absolutely necessary.
  • liquid slag can, for example, be poured into the mold gap delimited by the mold 10 and the electrode 28, until the slag level 25 of the slag bath 24 that is formed approximately becomes the upper edge of the current-conducting element 16 a has reached.
  • the supply of the melt stream to the slag bath 26 from an AC or DC source 36 takes place - depending on the position of high-current contacts 38 and 39 - in high-current lines 32, 32 a either only via the electrode 28 or only via the base plate 14, the remelting block 30 and the Melt sump 24 or at the same time via electrode 28 and base plate 14, the proportions of the current flowing through electrode 28 and base plate being adjustable by means of adjustable resistors 42, 42 a or other devices which are comparable in their effect.
  • the entire melt flow is returned exclusively via the current-conducting element 18 built into the mold wall and a return line 35 connecting it to the current source 36.
  • the mold 10 is provided with at least two by insulating elements 16, 16 a both against one another and against the lower region 20 of the mold 10 and — in this case — against the upper region 22 of the mold 10, namely those Hollow ring 12, insulated current conducting elements 18, 18 a .
  • FIG. 3 shows two partially circular current-conducting elements 18, 18 a , which are separated from one another by — correspondingly shaped insulating elements 16 b — forming a ring with them; If, as described here, two or more current-conducting elements 18, 18 a lying at different potentials are required, these can also be formed in a circular manner as a ring and arranged one above the other and in particular in the case of molds 10 with a circular cross section around a longitudinal axis A. angeord- Neten - also annular - insulating elements 16 to be isolated from each other.
  • current can be fed from the right-hand current source 36 in FIG. 2 either only via the electrode 28 through line 32 or only via base plate 14 together with block 30 through line 32 a or via both together into the slag bath 26 .
  • the division of the current can be adjusted by means of adjustable resistors 42, 42 a .
  • the return can then take place via one of the two current-conducting elements - here 18 - the mold 10 and return line 35. From return line 35 leads a branch line 37 to the left power source 36 a , which on the other hand is connected by a line 31 to the current-carrying element 18 a .
  • the current source 36 is a direct current source, it is possible to switch the electrode 28 and block 30 as a cathode.
  • a common return line is returned from at least one further current-conducting element 18, which is insulated from the former and from the lower and the upper region 20 and 22 of the mold 10, to the three power supplies 36, 36 a , 36 b.
  • the individual circuits can be interrupted via high-current switches 41, 41 a , 41 b in return line 35 or branch lines 37 a , 37 b . This arrangement enables different ways of working. If three alternating current sources 36, 36 a , 36 b connected in parallel are used as melt current supplies , then independently adjustable currents can be run via each of the feed lines 32, 31, 31 a .
  • the three power supplies or power sources 36, 36 a , 36 b can, for example, also be connected to the three phases of a three-phase power supply, the return line being led to the star point. This makes it possible to build up a Ruhr movement induced by the rotating field in the slag bath and metal sump.
  • An AC power source can then be used as the power supply 36 a , which ensures efficient heating of the slag bath 24 via the current-conducting elements 18, 18 a of the mold 10.
  • the electrode 28 and the slag bath 24 can be protected against air access by gas-tight hoods, not shown here, which can also be sealed against the mold flange. This allows the remelting to take place in a controlled atmosphere and the exclusion of atmospheric oxygen, which also enables the production of highly pure remelting blocks 30 and prevents burn-off of oxygen-affine elements.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen von Blöcken oder Strängen aus Metall, insbesondere aus Stählen sowie Ni- und Co- Basislegierungen, durch Abschmelzen selbstverzehrender Elektroden in einem elektrisch leitenden Schlackenbad unter Verwendung von Wechsel- oder Gleichstrom in einer kurzen, nach unten offenen wassergekühlten Kokille, über welche ein Stromkontakt zum Schlackenbad herstellbar ist, wird der zugeführte Schmelzstrom sowohl über die Abschmelzelektrode als auch über die Bodenplatte, den Umschmelzblock und den Schmelzsumpf sowie gegebenenfalls mindestens ein stromleitendes Element der Kokille in das Schlackenbad eingeleitet; die Stromverteilung ist kontrolliert einstellbar und die Rückleitung des Schmelzstroms über mindestens ein weiteres, gegenüber einem allfälligen ersteren sowie gegen den den Umschmelzblock formenden Teil der Kokille elektrisch isoliertes stromleitendes Element der Kokille rückführbar. Der über die Bodenplatte zugeführte Anteil des gesamten zugeführten Schmelzstroms wird zwischen 0 und 100 % gewählt. Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens verwendet eine kurze wassergekühlte Kokille mit Bodenplatte zum Aufbau eines Umschmelzblocks sowie mit zumindest einem im Bereich des Schlackenbads vorgesehenen stromleitenden Element, das gegenüber dem unteren -- den Umschmelzblock formenden -- Bereich der Kokille und/oder gegen andere stromleitende Elemente isoliert ist.

Description

BESCHREIBUNG
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM HERSTELLEN VON BLOCKEN ODER STRÄNGEN AUS METALL DURCH ABSCHMELZEN VON ELEKTRODEN IN EINEM ELEKTRO-SCHLACKENBAD
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Blöcken oder Strängen aus Metall -- insbesondere aus Stäh- len sowie Ni- und Co-Basislegierungen -- durch Abschmelzen selbstverzehrender Elektroden in einem elektrisch leitenden Schlackenbad unter Verwendung von Wechsel- oder Gleichstrom in einer kurzen, nach unten offenen wassergekühlten Kokille, über welche ein Stromkontakt zum Schlackenbad her- stellbar ist. Zudem erfasst die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens .
Beim Erzeugen von Umschmelzblöcken nach dem Verfahren des Elektroschlacke-Umschmelzens in Standkokillen -- aber auch in kurzen Gleitkokillen -- ist es üblich, je nach der Sei- gerungsanfälligkeit der umgeschmolzenen Legierung eine Abschmelzrate in Kilogramm (kg) je Stunde einzustellen, die bei Rundblöcken zwischen 70 % und 110 % des Blockdurchmessers in Millimetern (mm) beträgt. Bei vom Rundquerschnitt abweichenden Blockformen, wie Quadrat- oder Flachformaten kann mit einem äquivalenten Durchmesser gearbeitet werden, der sich aus dem Querschnittsumfang dividiert durch die Zahl π (Pi) errechnet. Der untere Bereich wird vor allem bei stark seigernden Legierungen -- wie Werkzeugstählen oder hochlegierten Nickel Basislegierungen -- angewendet, bei welchen zur Vermeidung von Seigerungen ein flacher Metallsumpf angestrebt wird. Der Wert von 70 % kann beim konventionellen ESU-Verfahren aber kaum unterschritten werden, da dann die Leistungszufuhr von der Abschmelzelektrode in das Schlackenbad sehr stark reduziert werden muss, was eine niedrige Temperatur des Schlackenbads und in weiterer Folge eine schlechte, oft rillige Oberfläche des ümschmelzblocks zur Folge hat. Bei zu niedriger Leistungszufuhr zum Schlackenbad bildet sich dann vielfach auch ein dicker Schlackenmantel zwischen Block und Kokille, was wiederum die Wärmeabfuhr von der Blockoberfläche behindert, so dass der erwünschte flache Schmelzsumpf wiederum nicht erzielt werden kann. Andererseits kann aber auch bei wenig seige- rungsempfindlichen Stählen und Legierungen ein Wert von 110 % beim konventionellen Elektroschlackeumschmelzen, dem sog. ESU-Verfahren, nicht überschritten werden, da sonst die Überhitzung des Schlackenbads zusammen mit der erhöhten Abschmelzrate einen für Umschmelzblöcke unzulässig tiefen Schmelzsumpf und damit eine unerwünscht grobe Blockstruktur -- verbunden mit Seigerungen -- zur Folge hat. Wie aus dem oben Gesagten leicht zu erkennen ist, sind beim konventionellen ESU-Verfahren, bei welchem der Schmelzstrom über die Abschmelzelektrode in das Schlackenbad geleitet sowie über den umgeschmolzenen Block und die Bodenplatte wieder abgeleitet wird, die Schlackenbadtemperatur und die Abschmelzrate -- und im Zusammenhang damit Sumpftiefe sowie Ausbildung der Oberfläche -- eng miteinander verknüpft und können nicht unabhängig voneinander sowie getrennt kontrolliert und gesteuert werden.
Beim Herstellen von Umsch elzblöcken großen Durchmessers mit 1000 mm und darüber zeigt sich, dass die Einhaltung der oben angeführten gewünschten niedrigen Abschmelzraten vor allem bei Verwendung von Abschmelzelektroden großen Durchmessers, entsprechend 65 bis 85 % des Kokillendurchmessers, zu einer zu niedrigen Schlackenbadtemperatur führt, die ihrerseits dann eine schlechte, oftmals rillige Oberfläche am Umschmelzblock zur Folge hat. Erhöht man in diesem Fall die Leistungszufuhr zum Schlackenbad, so hat dies zwar eine Verbesserung der Blockoberfläche zur Folge, gleichzeitig erhöht sich dadurch aber die Abschmelzrate über die zulässige Grenze, was zu einem tieferen Schmelz"sumpf und ungün- stiger Erstarrung führt. Zu dieser Erhöhung der Abschmelzrate bei erhöhter Leistungszufuhr zum Schlackenbad kommt es deshalb, weil die Abschmelzelektrode einerseits der Energiezufuhr zum Schlackenbad dient, andererseits aber umso rascher abschmilzt, je mehr man die Energiezufuhr zum Schlackenbad erhöht. Die Elektrode muss dann mit der Geschwindigkeit in das Schlackenbad nachgeführt werden, mit der sie abschmilzt. Würde die Abschmelzelektrode nicht nachgeführt, so würde sie bis knapp oberhalb der Schlacken- badoberflache abschmelzen, womit der elektrische Kontakt und damit die Leistungszufuhr zum Schlackenbad unterbrochen wären. Der Umschmelzprozess käme somit zum Erliegen.
Ein anderer Weg, die Schlackenbadtemperatur zu erhöhen, besteht darin, Elektroden kleineren Durchmessers umzusch'mel- zen. In diesem Fall ist die in das Schlackenbad eintauchende Stirnfläche der Elektrode kleiner, so dass ein vergleichsweise heißeres Schlackenbad benötigt wird, um die erwünschte Abschmelzrate zu erreichen. Mit dieser Maßnahme kann zwar vielfach eine Verbesserung der Blockoberfläche erreicht werden, jedoch führt die Verwendung von Elektroden kleinen Durchmessers zu einer erhöhten Wärmekonzentration im Zentrum des Blockes, was einen V-förmig vertieften Sumpf mit erhöhter Seigerungsneigung zur Folge haben kann.
All die o. a. Schwierigkeiten hängen ursächlich damit zusammen, dass einerseits die Abschmelzrate der Elektrode durch die über die Elektrode dem Schlackenbad zugeführte Energie kontrolliert wird und anderseits eben diese Energiezufuhr auch ausreichend sein muss, um den Schmelzsumpf bis zu seinem Rand hin ausreichend flüssig zu halten und ein zeitweiliges Fortschreiten der Erstarrung über den Meniskus des Schmelzsumpfes hinweg sicher zu verhindern. Kommt es nämlich aufgrund einer zu niedrigen Temperatur des Schlackenbades zeitweilig zu einem derartigen Erstarrungsfortschritt über den Meniskus hinweg, so hat dies die Ausbildung einer für die Weiterverarbeitung der Blöcke ungünstigen rilligen O'berflache zur Folge.
Industrielle Elektroschlacke-Umschmel zanlagen werden heute praktisch ausschließlich mit Wechselstrom betrieben, obwohl Wechselstromanlagen bei hohen Stromstärken , wie sie beim Elektroschlacke-Umschmelzen üblich sind, nicht unerhebliche Wirk- und Blindverluste zur 'Folge haben. Diese Nachteile werden aber in Kauf genommen, da bei Verwendung von Wechselstrom sowohl gute metallurgische Ergebnisse als auch ak- zeptable Energieverbrauchszahlen erreicht werden. Bereits zu Beginn der technischen Anwendung des ESU-Verfahrens wurde versucht, das Verfahren mit Gleichstrom zu betreiben. Dabei zeigte sich bei der bei konventionellen ESU-Anlagen üblichen Leitungsführung des Schmelzstroms über Elektrode, Schlackenbad und Block und Bodenplatte, dass unabhängig von der Schaltung der Anlage das flüssige Metall immer entweder an der Elektrodenspitze oder im Schmelzsumpf sowohl die Kathode als auch die Anode bildete. Grundsätzlich wäre es erstrebenswert, das flüssige Metall als Kathode zu schalten, da an der Kathodengrenzfläche der Ablauf metallurgischer Feinungsreaktionen, wie der Abbau von Sauerstoff und Schwefel begünstigt werden. Andererseits wird an der Kathode beim Stromübergang nur wenig Wärme frei, da dort aufgrund der Ansammlung äußerst beweglicher kleiner Kationen der Übergangswiderstand gering ist. An der Anode, wo sich große, schwer bewegliche Anionen ansammeln, ist der Übergangswiderstand für den elektrischen Strom und damit die Energieausbeute zwar groß, es muss aber mit der Aufnahme von Anionen, wie Sauerstoff, Schwefel etc. aus der Schlacke gerechnet werden, was eine Verschlechterung der Güte des umgeschmolzenen Metalls zur Folge hat. Im Gegensatz dazu ändert sich beim Umschmelzen mit Wechselstrom ständig die Polarität der Grenzfläche, sowohl an der Elektrodenspitze als auch an der Phasengrenze zwischen Schlacke und Schmelz- sumpf mit der Frequenz des verwendeten Wechselstroms. Dies führt einerseits zu einer relativ guten Stromausnützung für das Abschmelzen des Elektrodenmetalls sowie andererseits zu guten metallurgischen Ergebnissen, da das ständige Ändern der Polarität an den Phasengrenzflächen das Erreichen des thermodynamischen Gleichgewichtszustandes begünstigt. Wenn es jedoch gelingt, alle auftretenden Phasengrenzen zwischen Metall und Schlacke als Kathode zu schalten, so ist grund- sätzlich eine weitere Verbesserung der metallurgischen Ergebnisse zu erwarten.
Der EP 786 521 Bl der Anmelderin ist ein Verfahren zum Elektroschlackeumschmelzen zu entnehmen, bei welchem durch Abschmelzen von Elektroden vergleichsweise großen Durchmessers höhere Abschmelzraten als beim konventionellen Elektroschlackeumschmelzen eingestellt werden. Bei dem beschriebenen Verfahren kann die Rückleitung eines Teils des Schmelzstroms über in der Kokillenwand eingebaute stromleitende Elemente erfolgen. Die Anordnung führt zu einer Aufteilung der Rückleitungsströme verkehrt proportional zu den Gesamtwiderständen eingesetzter Leiterschleifen.
In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, die Abschmelzrate der Elektrode unabhängig von der Temperatur des Schlackenbades kontrollieren zu können und gleichzeitig eine gute Blockoberfläche sicherzustellen. Zudem soll bei Verwendung von Gleichstrom sowohl die Stirnfläche der Abschmelzelektrode als auch die Oberfläche des Schmelzsumpfs als Kathode geschaltet werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Anspruches; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in dr Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale.
Die Lösung der oben umrissenen Aufgabe gelingt in überraschen einfacher Weise, wenn für das Umschmelzen selbstverzehrender Elektroden unter Schlacke eine an sich bekannte Kokille mit in die Kokillenwand im Bereich des Schlackenbades eingebauten und gegen den unteren, den Umschmelzblock formenden Teil der Kokille, elektrisch isolierten stromleitenden Elementen verwendet wird, wobei diese bei Verwendung von mindestens zwei derartigen stromleitenden Elementen auch gegeneinander isoliert sein können. Damit wird es mög- lieh, über die stromleitenden Elemente in der Kokillenwand dem Schlackenbad Energie zuzuführen bzw. auch aus diesem abzuführen und dieses unabhängig von der Stromzu- bzw. -abfuhr über die Elektrode oder den Block zu beheizen, so dass der Metallsumpf bis zum Rand über den Meniskus hinweg flüssig gehalten werden kann. Anderseits kann die Abschmelzrate der verzehrbaren Elektrode in einfacher Weise durch die Vorschubgeschwindigkeit gesteuert werden, mit der sie in das überhitzte Schlackenbad nachgeschoben wird. Die er- zielbare Abschmelzrate wird dabei umso höher sein, je größer die Stirnfläche und die Eintauchtiefe der in das Schlackenbad eintauchenden Elektrode und je höher dessen Temperatur ist. Dabei kann die Abschmelzelektrode völlig stromlos sein. Es ist aber auch möglich, einen Teilstrom über die Elektrode zu führen. Hier kann es von Interesse sein, wenn der über die Elektrode geführte Teilstrom ein Gleichstrom ist, der so geschaltet ist, dass die Elektrode den negativen Pol bildet, also die Kathode ist. Auch der Blocksumpf kann grundsätzlich stromlos bleiben oder aber mit einem Teilstrom beaufschlagt werden. Bei Verwendung von Gleichstrom ist auch beim Blocksumpf eine Schaltung als Kathode aus den oben genannten Gründen von Interesse. Werden Block und Elektrode als Kathode geschaltet, so kann die Rückleitung über als Anode geschaltete stromleitende Ele- mente in der Kokille erfolgen.
Die im unteren Teil der Kokille geformten Umschmelzblöcke können aus dieser entweder nach unten abgezogen werden oder die Kokille wird in der Weise angehoben, wie der auf einer Bodenplatte stehende Block wächst.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist also ein Verfahren zum Herstellen von Blöcken oder Strängen aus Metallen, insbesondere aus Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen durch Abschmelzen selbstverzehrender Elektroden in einem elektrisch leitenden Schlackenbad in einer kurzen, nach unten offenen wassergekühlten Kokille mit in die Kokillenwand eingebauten stromleitenden Elementen, über welche in an sich bekannter Weise ein Stromkontakt zum Schlackenbad herstellbar ist, wobei der zugeführte Schmelzstrom sowohl über den Umschmelzblock und den Schmelzsumpf sowie gegebenenfalls zumindest ein stromleitendes Element der Kokille in das Schlackenbad eingeleitet werden kann, wobei die Rückleitung des Schmelzstroms über mindestens ein stromleitendes Element der Kokille erfolgt, das gegenüber einem allfälligen ersteren sowie auch den den Umschmelzblock formenden Teil der Kokille elektrisch isoliert ist. Zudem hat es sich als günstig erwiesen, dass der Anteil über die Abschmelzelektrode zugeführten Stroms bei 0 bis 100 % des gesamten zugeführten Schmelzstroms liegen kann.
Dieses hier vom Prinzip her geschilderte erfindungsgemäße Verfahren kann in vielfacher Weise an die Erfordernisse des Betreibers angepasst werden.
So kann beispielsweise die kurze, stromleitende Kokille fest in eine Arbeitsbühne eingebaut sein und der Umschmelz- block nach unten abgezogen werden.
Es kann aber auch der Block auf einer feststehenden Bodenplatte aufgebaut und die Kokille in der Weise angehoben werden, wie der Block anwächst. Das Abziehen des Blockes bzw. Anheben der Kokille können kontinuierlich oder schrittweise erfolgen.
Ferner besteht die Möglichkeit, die Kokille oszillieren zu lassen, was insbesondere bei einem kontinuierlichen Block- abzug von Interesse sein kann.
Im Falle einer schrittweisen Blockabzugs- oder Kokillenhub- bewegung kann zusätzlich an jeden Hubschritt unmittelbar ein Gegenhubschritt anschließen, wobei dessen Schrittlänge bis zu 60 % der Schrittlänge des Abzugshubschrittes betragen kann. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
Fig. 1, 2, 4: jeweils einen Längsschnitt durch eine
Gießeinrichtung für Metalle mit Kokille;
Fig. 3: einen vergrößerten Schnitt durch Fig. 2 nach deren Linie III - III.
Einer wassergekühlten Kokille 10 mit hohlem ringförmigem Kokillenkörper 12 ist gemäß Fig. 1 von unten her eine -- ihrerseits hohle -- Bodenplatte 14 zugeordnet, deren Außendurchmesser geringfügig kürzer ist als der Innendurchmesser d der Kokille 10; die Bodenplatte 14 kann zum Anfahren der Anlage soweit in die Kokillenöffnung bzw. den Kokillenin- nenraum 11 der Höhe h eingeschoben werden, bis sie unmit- telbar unterhalb der Oberkante 13 des Kokillenhohlkörpers 12 verläuft.
Auf der Oberkante 13 ruht ein ringartiges Isolierelement 16 und auf diesem ein — ebenfalls ringartig und/oder aus meh- reren Teilen ausgebildetes - stromleitendes Element 18; letzteres ist von den -- den Strom nicht leitenden -- Isolierelementen 16 gegen den wassergekühlten unteren Bereich 20 der Kokille 10 elektrisch isoliert und nach oben hin durch ein oberes Isolierelement 16a von einem seinerseits wassergekühlten Hohlring 22 als oberem Bereich getrennt. Für die erfindungsgemäße Verwendung der hier beschriebenen Anlage ist das obere Isolierelement 16a allerdings nicht zwingend erforderlich.
Auf der Bodenplatte 14 lagert — unterhalb eines Schlackenbades 24 sowie eines von diesem überdeckten Sumpfes 26 -- ein durch ein Umschmelzverfahren mit selbstverzehrbarer Elektrode 28 erzeugter, in jenem wassergekühlten unteren Bereich 20 der Kokille 10 geformter Umschmelz- oder Vorblock 30. Um den Prozess zu starten, kann beispielsweise flüssige Schlacke in den von der Kokille 10 und der Elektrode 28 begrenzten Kokillenspalt gegossen werden, bis der Schlackenspiegel 25 des entstehenden Schlackenbades 24 etwa die Oberkante des Stromleitelements 16a erreicht hat.
Die Zuleitung des Schmelzstroms zum Schlackenbad 26 von einer Wechsel- oder Gleichstromquelle 36 erfolgt — je nach Stellung von Hochstromkontakten 38 und 39 -- in Hochstromleitungen 32, 32a entweder nur über die Elektrode 28 oder nur über die Bodenplatte 14, den Umschmelzblock 30 und den Schmelzsumpf 24 oder aber über Elektrode 28 und Bodenplatte 14 gleichzeitig, wobei die Anteile des über die Elektrode 28 und die Bodenplatte fließenden Stroms durch regelbare Widerstände 42, 42a oder andere in der Wirkung vergleichbare Vorrichtungen nach Wunsch eingestellt werden können. Die Rückleitung des gesamten Schmelzstroms erfolgt bei dieser Anordnung ausschließlich über das in die Kokillenwan- düng eingebaute stromleitende Element 18 und eine dieses mit der Stromquelle 36 verbindenden Rückleitung 35.
Bei einer anderen Anordnung nach Fig. 2 ist die Kokille 10 mit mindestens zwei durch Isolierelemente 16, 16a sowohl gegeneinander als auch gegen den unteren Bereich 20 der Kokille 10 und — hier zwingend -- gegen den oberen Bereich 22 der Kokille 10, nämlich jenen Hohlring 12, isolierten Stromleitelementen 18., 18a ausgerüstet. Fig. 3 lässt dazu zwei jeweils teilkreisförmige Stromleitelemente 18, 18a er- kennen, die durch — mit ihnen einen Ring bildende -- entsprechend geformte Isolierelemente 16b voneinander getrennt sind; werden -- wie hier beschrieben -- zwei oder mehrere auf verschiedenen Potentialen liegende Stromleitelemente 18, 18a benötigt, so können diese insbesondere bei Kokillen 10 mit um eine Längsachse A gelegten kreisförmigem Querschnitt auch kreisförmig als Ring ausgebildet und übereinander angeordnet werden sowie durch die dazwischen angeord- neten -- ebenfalls ringförmigen -- Isolierelemente 16 gegeneinander isoliert sein.
Hier besteht die Möglichkeit, die Stromzuleitung zwischen Kokille 10 und Stromquelle von zwei Wechsel- oder Gleichstromquellen 36, 36a an nur eines der stromleitenden Elemente 18 oder 18a anzulegen. Diese auf unterschiedlichem Potential liegenden stromleitenden Elemente 18, 18a können dabei -- jeweils gegeneinander isoliert -- über den Umfang der Kokille 10 auf mehrere Einzelelemente aufgeteilt sein. Die Rückleitung des Stroms mag dann über das jeweils andere stromleitende Element 18a oder 18 erfolgen.
Von der in Fig. 2 rechten Stromquelle 36 kann Strom je nach Stellung der Hochstromschalter 38, 39 entweder nur über die Elektrode 28 durch Leitung 32 oder nur über Bodenplatte 14 samt Block 30 durch Leitung 32a oder über beide gemeinsam in das Schlackenbad 26 geführt werden. Bei Zuleitung über Bodenplatte 14 und Block 30 gemeinsam kann die Aufteilung des Stroms durch regelbare Widerstände 42, 42a eingestellt werden. Die Rückführung kann dann über eines der beiden stromleitenden Elemente — hier 18 -- der Kokille 10 und Rückleitung 35 erfolgen. Von Rückleitung 35 führt eine Zweigleitung 37 zur linken Stromquelle 36a, die anderseits durch eine Leitung 31 an das stromleitende Element 18a angeschlossen ist. Wenn es sich bei der Stromquelle 36 um eine Gleichstromquelle handelt, so besteht die Möglichkeit, Elektrode 28 und Block 30 als Kathode zu schalten.
Werden -- wie hier beschrieben -- zwei oder mehrere auf verschiedenen Potentialen liegende stromleitende Elemente 18, 18a benötigt, so können diese insbesondere bei Kokillen 10 mit kreisförmigem Querschnitt auch kreisförmig als Ring ausgebildet und übereinander angeordnet werden und durch dazwischen angeordnete, ebenfalls ringförmige Isolierelemente gegeneinander isoliert sein. In Fig. 4 ist eine Anordnung zur Durchfuhrung des erfm- dungsgemaßen Verfahrens mit drei parallel angeordneten, getrennt regelbaren Schmelzstromversorgungen oder Stromquellen 36, 36a, 36b dargestellt. Dabei ist beispielsweise die Zuleitung von der in Fig. 4 linken Schmelzstromversorgung 36b zur Bodenplatte 14 und dem Umschmelzblock 30 über Leitung 31a, die Zuleitung von der mittleren Schmelzstromversorgung 36a zu mindestens einem stromleitenden Element 18a über Leitung 31 und die Zuleitung von der rechten Schmelz- Stromversorgung 36 zur Abschmelzelektrode 28 über Leitung 32 gefuhrt. Eine gemeinsame Ruckleitung wird von mindestens einem weiteren, gegenüber dem ersteren und gegenüber dem unteren und dem oberen Bereich 20 bzw. 22 der Kokille 10 isolierten stromleitenden Element 18 zu den drei Stromver- sorgungen 36, 36a, 36b zurückgeführt. Die einzelnen Stromkreise können über Hochstromschalter 41, 41a, 41b in Ruckleitung 35 bzw. Zweigleitungen 37a, 37b unterbrochen werden. Diese Anordnung ermöglicht unterschiedliche Arbeitsweisen. Werden als Schmelzstromversorgungen drei parallel geschaltete Wechselstromquellen 36, 36a, 36b verwendet, so können über j ede der Zuleitungen 32, 31, 31a unabhängig einstellbare Strome gefahren werden.
Die drei Stromversorgungen oder Stromquellen 36, 36a, 36b können beispielsweise aber auch an die drei Phasen einer Drehstromversorgung angeschlossen werden, wobei die Ruckleitung zum Sternpunkt gefuhrt wird. Damit wird es möglich, im Schlackenbad und Metallsumpf eine durch das Drehfeld induzierte Ruhrbewegung aufzubauen. Es ist aber auch möglich, Elektrode 28 und Bodenplatte 14 als Kathode zu schalten, wenn als Stromquellen oder Schmelzstromversorgungen 36 und 36b Gleichstromquellen verwendet werden, wobei die einzelnen Stromstarken unabhängig voneinander eingestellt und geregelt werden können. Als Stromversorgung 36a kann dann eine Wechselstromquelle eingesetzt werden, die über die stromleitenden Elemente 18, 18a der Kokille 10 für eine effiziente Beheizung des Schlackenbad 24 sorgt. Durch Auswechseln der Elektroden 28 können in den erfindungsgemäßen Anlagen — unabhängig von der Elektrodenlänge -- auch lange Umschmelzblöcke hergestellt werden.
Die Elektrode 28 und das Schlackenbad 24 können durch hier nicht dargestellte gasdichte Hauben, die auch gegen den Kokillenflansch abdichtbar sind, gegen Luftzutritt geschützt werden. Damit kann das Umschmelzen unter kontrollierter Atmosphäre und Ausschluss des Luftsauerstoffs stattfinden, womit auch die Herstellung höchstreiner Umschmelzblöcke 30 ermöglicht und ein Abbrand Sauerstoffäffiner Elemente verhindert wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Herstellen von Blöcken oder Strängen aus Metall, insbesondere aus Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen, durch Abschmelzen selbstverzehrender Elektroden in einem elektrisch leitenden Schlackenbad unter Verwendung von Wechsel- oder Gleichstrom in einer kurzen, nach unten offenen wassergekühlten Kokille, über welche ein Stromkontakt zum Schlackenbad herstellbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zugeführte Schmelzstrom sowohl über die Ab- schmelzelektrode als auch über die Bodenplatte, den Umschmelzblock und den Schmelzsumpf sowie gegebenenfalls mindestens ein stromleitendes Element der Kokille in das Schlackenbad eingeleitet wird, wobei die Stromverteilung kontrolliert einstellbar und die Rückleitung des Schmelzstroms über mindestens ein weiteres, gegenüber einem allfälligen ersteren sowie gegen den den Umschmelzblock formenden Teil der Kokille elektrisch isoliertes stromleitendes Element der Kokille rückführbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der über die Bodenplatte zugeführte Anteil des gesamten zugeführten Schmelzstroms zwischen 0 und 100 % gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der über die Abschmelzelektrode zugeführte Anteil des gesamten zugeführten Schmelzstroms zwischen 0 und 100 % gewählt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der über das mindestens eine stromleitende Element der Kokille zugeführte Anteil des gesamten zugeführten Schmelzstroms zwischen 0 und 100 % gewählt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Gleichstrom die Zuleitung zu Elektrode und/oder Bodenplatte und Block als Kathode geschaltet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gebildete Block kontinuierlich aus der Kokille abgezogen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gebildete Block schrittweise aus der Kokille abgezogen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gebildete Block feststeht und die Kokille kontinuierlich angehoben wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gebildete Block feststeht und die Kokille schrittweise angehoben wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille eine oszillierende Bewegung ausführt.
11. Verfahren nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach jedem Hubschritt unmittelbar ein Gegenhubschritt in entgegengesetzter Richtung an- schließt, wobei die Hublänge des Gegenhubschritts höchstens 60 % der Hublänge des vorangegangenen Hubschritts beträgt.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der voraufgehenden Patentansprüche, unter Verwendung einer kurzen wassergekühlten Kokille (10) mit Bodenplatte (14) zum Aufbau eines Umschmelzblocks (30) sowie mit zumindest einem im Bereich des
Schlackenbads (24) vorgesehenen stromleitenden Element (18, 18a) , das gegenüber dem unteren, den Umschmelzblock (30) formenden Bereich (20) der Kokille (10) und/oder gegen andere stromleitende Elemente isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (32, 32a) des Schmelzstroms von mindestens einer Stromquelle (36, 36a) sowohl zur Abschmelzelektrode (28) als auch zur Bodenplatte (14) sowie gegebenenfalls zu einem stromleitenden Element (18a) der Kokille (10) geführt wird, dass die Stromverteilung zwischen den Zuleitungen kontrolliert einstellbar ist, und dass die Rückleitung (35) zu der mindestens einen Stromquelle oder Schmelzstromversorgung (36, 36a, 36b) von mindestens einem stromleitenden Element (18a) der Kokille (10) erfolgt, welches gegenüber dem zumindest einen anderen stromleitenden Element (18a) sowie gegen den den Umschmelzblock (30) formenden Teil (20) der Kokille (10) elektrisch isoliert ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder drei voneinander unabhängig regelbare Stromquellen oder Stromversorgungen (36, 36a, 36b) verwendet werden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (36) einerseits an ein stromleitendes Element (18) der Kokille (20) angeschlossen sowie anderseits mit der Abschmelzelektrode (28) und mit der Bodenplatte (14) verbindbar ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Stromquellen (36, 36a) einerseits an ein stromleitendes Element (18) der Kokille (10) angeschlossen sind sowie andernends die eine der Stromquellen (36a) mit einem anderen stromleitenden Element (18a) der Kokille und die andere Stromquelle (36) mit der Abschmelzelektrode (28) und mit der Bodenplatte (14) verbindbar ausgebildet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Stromquellen (36, 36a, 36 ) einerseits an ein stromleitendes Element (18) der Kokille (10) angeschlossen sind sowie anderseits eine der Stromquellen (36) mit der Abschmelzelektrode (28), eine weitere Stromquelle (36b) mit der Bodenplatte (14) und eine weitere Stromquelle (36a) mit einem anderen stromleitenden Element (18a) der Kokille verbunden ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Stromstärken zwischen den einzelnen Zuleitungn (31, 31a, 32, 32a) durch regelbare Widerstände (42, 42a) einstellbar ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (42, 42a) in der Leitung (32, 32a) für die Abschmelzelektrode (28) und für die Bodenplatte (14) angeordnet sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von drei Stromquellen oder Stromversorgungen (36, 36a, 36b) diese an die drei Phasen eines Drehstromnetzes "angeschlossen sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmelzstromversorgung Gleichrichteranlagen vorgesehen sind.
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