DE2403843B2 - Process for producing large steel blocks without pitch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen großer seigerungsfreier Stahlblöcke von der im Oberbegriff des Patentanspruches genannten Gattung.The invention relates to a method for producing large segregation-free steel blocks from the im Generic term of the claim mentioned genus.

Bei der industriellen Erzeugung von großen Stahlblöcken wird der flüssige Stahl in eine Kokille gegossen. Im Falle von vollständig desoxidiertem, beruhigtem yo Stahl wird ein Vorrat von zusätzlichem flüssigen Stahl oberhalb des Hauptteils des Blocks vorgesehen der die Volumenänderungen während der Verfestigung des Blocks in der Form ausgleicht. Auf diese Weise sollen Trichterlunker, Hohlräume oder Schrumpfungslunker. im Block verhindert und die heterogenen Charakteristiken in dessen Innerem reduziert werden. Leider wird dieser Zweck nicht immer erfüllt. Insbesondere gilt dies für jene großen, massiven Stahlblöcke, die im mittleren Teil noch nach zwei, drei oder sogar vier Tagen teilweise flüssig sein können.In the industrial production of large steel blocks, the liquid steel is poured into a mold. In the case of completely deoxidized, killed yo steel, a supply of additional liquid steel is provided above the main part of the ingot to compensate for the volume changes during the solidification of the ingot in the mold. In this way, funnel cavities, cavities or shrinkage cavities are intended. prevented in the block and the heterogeneous characteristics in its interior are reduced. Unfortunately, this purpose is not always fulfilled. This applies in particular to those large, massive steel blocks which, in the middle part, can still be partially liquid after two, three or even four days.

Bekannt ist auch ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruches genannten Gattung, bei dem eine Abschmelzelektrode mit gleicher Zusammensetzung wie der Stahlblock abgeschmolzen und der Hohlraum mit dem von ihr abgeschmolzenen Material gefüllt wird. Dieses Verfahren ist unter dem Namen Elektroschlakkenumschmelzverfahren bekannt. Das Elektroschlackenumschmelzverfahren hat sich bewährt. Da die Abschmelzmethode jedoch nie die exakt gleiche s" Zusammensetzung wie der Stahlblock erhalten kann, läßt sich nicht ausschließen, daß der fertige Stahlblock inhomogen wird (DT-AS 21 22 306).Also known is a method of the type mentioned in the preamble of claim, in which a A consumable electrode with the same composition as the steel block melted and the cavity is filled with the material melted off by it. This process is known as the Elektroschlakkenumschmelzverfahren known. The electroslag remelting process has proven itself. Since the Melting method, however, can never have the exact same composition as the steel block. it cannot be ruled out that the finished steel block will be inhomogeneous (DT-AS 21 22 306).

Bekannt ist noch ein Verfahren zum Herstellen von Werkzeug- und Schnellarbeitsstählen, bei dem ein dünnes Rohr durch Umschmelzen einer Elektrode getuiit vvird. Dabei schmilzt auch ein Teil der Innenwand des Rohres ab. Im Ergebnis wird das Rohr somit mit einem Gemisch aus von ihm selbst und von der Elektrode abgeschmolzenem Material gefüllt (DT-OS fto 15 08 127).Another method for producing tool and high-speed steels is known, in which a thin tube is made by remelting an electrode. Part of the inner wall also melts in the process of the pipe. As a result, the pipe is thus made with a mixture of itself and of the Electrode filled with melted material (DT-OS fto 15 08 127).

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen großer Stahlblöcke so auszubikk \ daß der fertige Stahlblock seigerungs- und lunkerfrei und in sich f».s völlig homogen ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung für ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruches genannten GattungBased on this prior art, the invention is based on the object of providing a method for Manufacture of large steel blocks so that the finished steel block free of segregation and voids and inherently f ».s is completely homogeneous. To solve this problem, according to the invention for a method of the im Generic term of the claim mentioned genus

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die in dessen Kennzeichen aufgeführte Ausbildung vorgeschlagen.suggested the training listed in its label.

Damit wird der mittlere Hohlraum ausschließlich mit der geschmolzenen Masse des Glockkopfes und damit mit identischem Material aufgefüllt. Zwangsläufig entsteht damit ein in sich vollständig homogener Stahlblock. Die Elektrode dient nur noch zur Stromzufuhr zum Erzeugen der zum Umschmelzen erforderlichen Wärme. Sie bleibt in sich erhalten und ihr Material geht nicht in den fertigen Stahlblock ein. Eine Vermischung zwischen Stahlblock-Material und Elektroden-Material und die sich daraus möglicherweise ergebenden Inhomogenitäten werden ausgeschaltet.So that the middle cavity is exclusively with the molten mass of the bell head and thus filled with identical material. This inevitably creates a completely homogeneous one Steel block. The electrode is only used to supply power to generate what is required for remelting Warmth. It remains in itself and its material does not go into the finished steel block. One Mixing between steel block material and electrode material and possibly resulting from it resulting inhomogeneities are eliminated.

Falls das Vermeiden solcher Inhomogenitäten nicht so wichtig ist oder falls sich bei einer bestimmten Zusammensetzung des Stahlblockes die Elektrode aus identischem Material herstellen läßt, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch unter Verwendung einer Abschmelzelektrode durchgeführt werden. Dies kann jedoch, wie gesagt, ungünstige Auswirkungen auf die Homogenität des fertigen Stahlblockes haben.If avoiding such inhomogeneities is not so important or if there is a specific Composition of the steel block can produce the electrode from identical material, the invention Method can also be performed using a consumable electrode. This can however, as I said, have an adverse effect on the homogeneity of the finished steel block.

Bei diesem Verfahren wird nach dem Guß und Erstarren eines Stahlblockes ein runder mittlerer axialer Hohlraum geformt, zum Beispiel durch Schmiedestanzen, durch Bohren oder Hohlbohren auf einer Drehbank oder durch irgendeine andere entsprechende Vorrichtung. Die Größe dieser axialen Bohrung wird gewöhnlich etwa 20% des Durchmessers des Blocks betragen, obwohl auch größere oder kleinere Durchmesser verwendet werden können, vorausgesetzt, daß genug Gewicht des Metalls verfügbar ist, um die axiale Bohrung zu füllen, und vorausgesetzt, daß genügend Platz zur Ausführung des Verfahrens vorhanden ist.In this process, after a steel block has been cast and solidified, a round central axial one becomes Cavity formed, for example by forging punching, by drilling or hollow drilling on a lathe or by any other appropriate device. The size of this axial hole becomes ordinary about 20% of the diameter of the block, although larger or smaller diameters can be used may be used provided that enough weight of the metal is available to support the axial And provided that there is sufficient room to perform the procedure.

Der sich ergebende Block mit dem mittleren axialen Hohlraum wird dann in einer Spannvorrichtung auf einer vorzugsweise wassergekühlten Bodenplatte zum Umschmelzen angeordnet. Die Bodenplatte weist eine Tasche auf. welche die Ausgangsmaterialien zum Schmelzen der Schlacke und einen Teil der Schlacke enthält, der beim Schmelzvorgang verwendet wird. Der Durchmesser der Tasche soll groß genug sein, um das Schmelzen eines größeren Querschnitts des Blocks beim nachfolgenden Verfahren zu ermöglichen. Auf dem Blockkopf ist ein wassergekühlter Mantel befestigt und gegenüber dem Block abgedichtet, um das Lecken von Schlacke und Metall zu verhindern, wenn das Verfahren fortschreitet.The resulting block with the central axial cavity is then placed in a jig a preferably water-cooled base plate for remelting. The bottom plate has a Bag open. which are the raw materials for melting the slag and part of the slag that is used in the melting process. The diameter of the pocket should be large enough to accommodate the To enable melting of a larger cross-section of the ingot in the subsequent process. On the Block head is attached to a water-cooled jacket and sealed against the block to prevent leakage Prevent slag and metal as the process progresses.

Eine Elektrode wird im Hohlraum angeordnet. Eine nichtabschmelzende Elektrode soll wassergekühlt sein und vorzugsweise aus Kupfer mit einem wassergekühlten Kopf bestehen, der mit Wolfram, Molybdän oder einem anderen elektrisch leitenden Material versehen ist, welches dem Angriff durch die flüssige Schlacke Widerstand leistet.An electrode is placed in the cavity. A non-consumable electrode should be water-cooled and preferably made of copper with a water-cooled head made with tungsten, molybdenum or another electrically conductive material is provided, which can be attacked by the liquid slag Resists.

Bei Beginn des Schmelzvorganges der Elektroschlakke wird die Schlacke in der Tasche der Bodenplatte geschmolzen. Die Wand des mittleren Hohlraumes wird abgeschmolzen, und das Material fließt in die Tasche in der Bodenplatte. Dadurch wird das Niveau der Schlacke angehoben, so daß progressiv mehr Stahl aus der Wand rund um den Hohlraum geschmolzen wird. Das Schmelzen wird fortgesetzt, wobei die Schlacke ansteigt, bis sie den größten Teil, wenn nicht das ganze Metall im Blockkopf schmilzt, sowie bis das ganze aus der Hohlraumwand und dem Blockkopf verdrängte Metall den Hohlraum gefüllt und der ganze Block sich mit einer umgeschmolzenen und raffinierten mittleren Zone verfestigt hat.When the electric shock starts to melt, the slag is in the pocket of the base plate melted. The wall of the central cavity is melted off and the material flows into the pocket the base plate. This will raise the level of the slag so that progressively more steel will come out of the wall is melted around the cavity. Melting continues, with the slag increases until it melts most, if not all, of the metal in the block head, as well as until all of it is out the cavity wall and the block head, metal displaced the cavity and the whole block itself solidified with a remelted and refined middle zone.

Während dieses Verfahrens müssen sorgfältig abgewogene Mengen von Schlacke verwendet werden, so daß das Volumen der Schlacke stets bekannt ist (anfänglich und nach jedem Zusatz). Aus dem Volumen der Schlacke und der Dicke der Schlackenschicht, welche während des Schmelzvorganges gemessen werden kann, ist es möglich, jeoerzeit das Eindringen der Schlacke in die Blockwand zu berechnen und somit den Durchmesser der mittleren Zone, welche umgeschmolzen und raffiniert wird. Experimentelle Messungen dieitr Art des Umschmelzens haben gezeigt, daß die Grenzlinie, entlang der die flüssige Schlacke die Blockinnenwand berührt, nahezu durch eine Ellipse dargestellt wird, und daß das Volumen V der Schlacke durch die Gleichung bestimmt werden kann:Carefully weighed amounts of slag must be used during this procedure, so that the volume of the slag is always known (initially and after each addition). From the volume the slag and the thickness of the slag layer measured during the melting process it is always possible to calculate the penetration of the slag into the block wall and thus the diameter of the central zone which was remelted and is refined. Experimental measurements of the type of remelting have shown that the boundary line along which the liquid slag touches the inner wall of the block, almost by an ellipse and that the volume V of the slag can be determined by the equation:

V= .7Π + .1/ V = .7Π + .1 /

.Τ/Μ".Τ / Μ "

"5"5

Hierin bedeutet: r den Halbmesser des mittleren Hohlraumes, t die Dicke der Schlackenschicht. V das Volumen der Schlacke und ρ das Eindringen der raffinierten Metallzone in die Blockinnenwand. Aus den vorstehend angegebenen bekannten Werten ist es möglich, den Wert von ρ zu bestimmen und somit den Durchmesser der mittleren umgeschmolzenen Zone. Die elektrische Energie kann vergrößert oder vermindert werden, und die Geschwindigkeit des Ansteigens der Elektrode kann geregelt werden, um die gewünschte Dicke der Schlackenschicht zu erzeugen und dadurch die gewünschte Größe der umgeschmolzenen und raffinierten mittleren Zone. Here: r means the radius of the central cavity, t the thickness of the slag layer. V is the volume of the slag and ρ the penetration of the refined metal zone into the inner wall of the block. From the known values given above, it is possible to determine the value of ρ and thus the diameter of the central remelted zone. The electrical energy can be increased or decreased and the rate of rise of the electrode can be controlled to produce the desired thickness of the slag layer and thereby the desired size of the remelted and refined central zone.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber dem bekannten Verfahren des Umschmelzens von Elektroschlacke in einem wassergekühlten Schmelztie- ?s gel einen wesentlichen Vorteil auf. Beim üblichen Elektroschlackenumschmelzen, insbesondere bei großen Stahiblöcken, erfolgt durch die ungeschützte Oberfläche der flüssigen Schlacke eine beträchtliche Absorption von Wasserstoff aus der Atmosphäre. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch selbstabschirmend gegenüber der Absorption von Wasserstoff. Der einzige Bereich der Oberfläche der Schlacke, der nicht bedeckt ist, ist der Ringraum zwischen der Elektrode und der Wand des axialen Hohlraumes im Block. Diese Oberfläche, die gewöhnlich weniger als 20 und häufig nur 10% der Querschnittsfläche der umgeschmolzenen mittleren Zone beträgt, wird durch die Atmosphäre tatsächlich erst dann beeinflußt, wenn sie sich dem oberen Ende des Blocks nähert. Wenn das Verfahren nahezu beendet ist und die Schlackenoberfläche gegen die Atmosphäre hin offen ist, besteht nur noch eine begrenzte Möglichkeit für die Absorption von Wasserstoff am oberen Ende des Blocks. Infolge der progressiven Wiederverfestigung erstreckt sich das Metall, das zu diesem Zeitpunkt flüssig ist, nicht tief in den Block hinein, und der Wasserstoff, der absorbiert worden ist, hat die Möglichkeit, aus dem Stahl bei der nachfolgenden Verarbeitung zu diffundieren.This inventive method has compared to the known method of remelting Electroslag in a water-cooled melting pot reveal a major benefit. In the usual electroslag remelting, especially in large blocks of steel, the unprotected surface of the liquid slag causes a considerable amount Absorption of hydrogen from the atmosphere. However, the method according to the invention is self-shielding versus the absorption of hydrogen. The only area of the surface of the slag that is not is covered, the annulus between the electrode and the wall of the axial cavity is in the block. These Surface area which is usually less than 20 and often only 10% of the cross-sectional area of the remelted in the middle zone is actually only influenced by the atmosphere when it is aware of the approaching the top of the block. When the process is almost finished and the slag surface against the atmosphere is open, there is only a limited possibility for the absorption of hydrogen at the top of the block. As a result of the progressive reconsolidation that extends Metal that is liquid at this point, not deep into the block, and the hydrogen that absorbs has been able to get out of the steel at the to diffuse subsequent processing.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform wird das Verfahren nun weiter beschrieben. In der Zeichnung istUsing the example of the embodiment shown in the drawing, the method will now be continued described. In the drawing is

Fig. 1 ein Längsschnitt durch einen Stahlblock, eine Bodenplatte und einen Mantel zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens,Fig. 1 is a longitudinal section through a steel block, a Base plate and a jacket at the beginning of the method according to the invention,

F i g. 2 ein F i g. 1 entsprechender Schnitt zu einem späteren Zeitpunkt des Verfahrens undF i g. 2 a fig. 1 corresponding section to a later stage of the procedure and

Fig.3 ein den vorherigen Figuren entsprechender Schnitt am Ende des erfindungsgemäßen Verfahrens.3 corresponds to the previous figures Section at the end of the method according to the invention.

In der Zeichnung ist ein Gußblock 10 dargestellt mit einem Blockkopf 11 und einer mittleren axialen Bohrung 12, die auf irgendeine bekannte Weise hergestellt worden ist. Der Gußblock ruht auf einer wassergekühlten Bodenplatte 13 auf, welche unterhalb der axialen Bohrung 12 mit einer Tasche 14 versehen ist. In der Tasche 14 sind unterhalb der Bohrung 12 Späne und Schlacke 15 angeordnet. Eine wassergekühlte Kupferdektrode 16 ist in der Bohrung 12 herabgeführt und berührt die Mischung 15. Rund um den Blockkopf 11 und das obere Ende des Gußblocks 10 ist ein wassergekühlter Mantel 17 angeordnet und durch Dichtungsmaterial 18gegen den Gußblock abgedichtet. Die Bezugslinie A-A zeigt die angestrebte Oberseite des Gußblocks nach dem Umschmelzen an. Beim ursprünglichen Gießen und Erstarren des Blocks muß oberhalb dieser Bezugslinie ausreichend Metall vorgesehen sein, um die Bohrung 12 und die Tasche 14 in der Bodenplatte 13 vollständig zu füllen. Die Masse des Blockkopfes 11 wird daher durch die geplante Größe der Bohrung und der Tasche bestimmt.In the drawing, an ingot 10 is shown with an ingot head 11 and a central axial bore 12 which has been produced in some known manner. The cast block rests on a water-cooled base plate 13 which is provided with a pocket 14 below the axial bore 12. In the pocket 14, chips and slag 15 are arranged below the bore 12. A water-cooled copper electrode 16 is led down in the bore 12 and contacts the mixture 15. A water-cooled jacket 17 is arranged around the block head 11 and the upper end of the cast block 10 and is sealed against the cast block by sealing material 18. The reference line AA shows the desired upper side of the ingot after remelting. When the ingot is initially cast and solidified, sufficient metal must be provided above this reference line to completely fill the bore 12 and pocket 14 in the base plate 13. The mass of the block head 11 is therefore determined by the planned size of the bore and the pocket.

Bei Beginn des Verfahrens wird zuerst Schlacke geschmolzen und die erhitzte Schlacke schmilzt ihrerseits Stahl aus der Seitenwand des Gußblocks 10 der Bohrung 12. Der flüssige Stahl fließt in die Tasche 14 der Bodenplatte 13. Dadurch wird das Niveau der Schlacke angehoben, und progressiv schmilzt mehr Stahl aus der Blockwand rund um die Bohrung.At the start of the process, slag is first melted and the heated slag melts in turn steel from the side wall of the cast ingot 10 of the bore 12. The liquid steel flows into the pocket 14 the bottom plate 13. This raises the level of the slag and progressively more melts Steel from the block wall around the hole.

Wenn das Metal! aus der Blockwand abschmilzt, wird das Niveau der Schlacke angehoben und bildet unterhalb der geschmolzenen Schlacke 21 (Fig. 2) innerhalb eines erweiterten Hohlraumes 23 ein flüssiges Metallband 20 rund um die Bohrung 12. Wenn die Schlacke ansteigt, verfestigt sich das Metall am Boden des Bades in dem Bogen, der in F i g. 2 mit Sbezeichnet ist. Dieses Schmelzen und Verfestigen schreitet dann oben fort, bis der größte Teil, wenn nicht der ganze Blockkopf 11 umgeschmolzen ist, so daß die Bohrung 12 mit umgeschmolzenem Metall 24 gefüllt und der Gußblock 10 mit Schlacke 21 bedeckt ist, wie Fig. 3 zeigt.If the metal! melts from the block wall, the level of the slag is raised and forms below the molten slag 21 (FIG. 2) within an enlarged cavity 23 a liquid Metal band 20 around the bore 12. As the slag rises, the metal solidifies at the bottom of the bath in the arch shown in FIG. 2 is labeled S. This melting and solidification then proceeds at the top until most, if not all, of the block head 11 has been remelted so that the bore 12 is filled with remelted metal 24 and the cast ingot 10 is covered with slag 21, as shown in FIG. 3 shows.

Der resultierende Block ist frei von Lunkern und Schrumpfungshohlräumen sowie den unerwünschten Heterogenitätscharakteristiken der üblichen großen Blöcke.The resulting block is free of voids and shrinkage voids as well as the undesirable ones Heterogeneity characteristics of the usual large blocks.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (1)

2424 Patentanspruch:Claim: Verfahren zum Erzeugen großer seigerungsfreier Stahlblöcke mit Gießen und Erstarrenlassen eines Stahlblockes mit der gewünschten Endgröße, Entfernen des axialen Kerns in Längsrichtung des Stahlblockes unter Bildung eines mittleren Hohlraumes, Füllen dieses Hohlraumes mit einer Elektrode mittels durch diese durchgeleiteten elektrischen Stromes unter Schlacke, mit Umschmelzen und Raffinieren eines Teils der den Hohlraum einschließenden Stahlblockinnenwand und mit anschließendem Erstarrenlassen des ursprünglichen Stahlblokkes und des umgeschmolzenen Metalls, dadurch \s gekennzeichnet, daß bei der Herstellung des Gußblockes die Dimension des Blockkopfes derart auf die Dimension des zu entfernenden axialen Kernes abgestimmt wird, daß beim Umschmelzen mittels einer nicht abschmelzenden Elektrode das Materialdefizit aus der umgeschmolzenen Masse de^ Blockkopfes gedeckt wird.Process for producing large, segregation-free steel blocks with casting and solidification of a steel block with the desired final size, removal of the axial core in the longitudinal direction of the steel block to form a central cavity, filling this cavity with an electrode by means of an electric current passed through it under slag, with remelting and refining a portion of the cavity enclosing the steel block inner wall and with subsequent solidification of the original Stahlblokkes and the remelted metal, characterized s \ in that the dimension of the block head is matched to the dimension of the axial to remove the core in the manufacture of the ingot, that during remelting by means of a non-melting electrode, the material deficit is covered from the remelted mass of the block head.