DE2545162B2

DE2545162B2 - Verfahren und vorrichtung zum regeln des elektroschlackeumschmelzens von metallen

Info

Publication number: DE2545162B2
Application number: DE19752545162
Authority: DE
Inventors: Donatello Vitinia Rom; Repetto Eugenio Rom; Canalini (Italien)
Original assignee: Centro Sperimentale Metallurgico SPA Rom
Current assignee: Centro Sviluppo Materiali SpA
Priority date: 1974-10-11
Filing date: 1975-10-08
Publication date: 1978-01-05
Also published as: DE2545162C3; FR2287514B1; BE834416A; IT1021775B; LU73568A1; DE2545162A1; GB1493728A; FR2287514A1; US3995490A; NL7512026A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Elektroschlackeumschmeizens von Metallen, wobei eine flüssigkeitsgekUhlte Kokille (bzw. Blockform) Verwendung findet, wobei mittels über die Höhe verteilter Temperaturmeßsonden der senkrechte Temperaturverlauf im Schmelzkessel ermittelt wird.

Weite Verbreitung hat das Elektroschlackenumschmelzverfahren mit zahlreichen Anwendungen gefunden.

Auf diesem Gebiet besteht der eindringliche Wunsch, das Schmelzverfahren, welches in sich ziemlich kompliziert ist, zu beherrschen und zu regeln bzw. zu kontrollieren. Eine große Anzahl von Regelverfahren und -einrichtungen wurden bereits realisiert, jedes von ihnen ermöglicht es allerdings nur, einen der Parameter des Schmelzverfahrens zu regeln. Es ist beispielsweise bekannt, die der Elektrode zugeführte Leistung oder die Spannung oder die Stromstärke oder aber das Niveau des flüssigen Metalls in der Kokillen- oder Blockform zu regeln.

Um das Flüssigmetallniveau zu messen, wird eine Reihe von Thermoelementen parallel zur Achse der Blockform in Kontakt mit der Blockformwandung nahe dem hergestellten Gegenstand angeordnet. Eine abrupte Temperaturänderung stellt sich entsprechend dem flüssigen Metall ein.

Eine Verbesserung gegenüber einer solchen Einrichtung wurde in der US-Patentschrift 37 97 310 (US Steel Co., mit der Priorität vom 28. Febr. 1972) vorgeschlagen, wonach eine Reihe von Metallsonden in Kontakt mit der Blockformwandung nahe dem herzustellenden Gegenstand angeordnet werden. Sowohl Sonden wie Blockform werden aus unterschiedlichen Metallen derart hergestellt, daß jeder Sonden/Blockformübergang ein Thermoelement darstellt.
Bei diesen Einrichtungen wird die Temperatur in einer Reihe isolierter Stellen gemessen und sie messen eine Größe (das ist die Temperatur), welche für das Schmelzverfahren nur von sekundärer Bedeutung ist.
Es kann also ein anormaler thermischer Zustand aus

to irgend einem Grunde an der Stelle, wo das Thermoelement eingeführt wird, eintreten, wodurch die Temperatur an dieser Stelle unterschiedlich zu der, wie sie normalerweise sein sollte, erscheint Außerdem ist beim Elektroschlackenumschmelzverfahren (im folgenden als ESR — hierfür bekanntes Symbol — bezeichnet) der wichtigste Parameter die durch den Stromdurchgang erzeugte Wärmemenge, während nach der bekannten Technik eine sekundäre Größe, beispielsweise die Temperatur, gemessen wird, die von vielen anderen Parametern abhängt, die nach dem bekannten Regelverfahren nicht berücksichtigt werden.

Jedes der bekannten Verfahren und/oder jede der bekannten Einrichtungen ermöglicht es also, nur eine einzige Größe (Parameter) zu messen, während der Erfindung die Erkenntnis zugrunde liegt, daß viele verschiedene Einrichtungen verwendet werden müssen, um eine solche ESR-Anlage voll auszurüsten, mit der hiermit zusammenhängenden Steigerung in Installations- und Betriebskosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vollständige Regelung des ESR-Verfahrens in einfacher und vergleichsweise wirtschaftlicher Weise herbeizuführen.
Erreicht wird dies erfindungsgemäß überraschend einfach dadurch, daß wenigstens ein schraubenförmiger oder spiralförmiger zylindrischer Weg für das Kühlmittel im Kühlmantel der Blockform bei bekanntem Kühlmitteldurchsatz in jedem dieser Wege hergestellt wird, die vom Kühlmittel angenommene Temperatur in jeder Windung dieses Weges gemessen wird; der Wärmegradient zwischen einer Windung und den benachbarten gemessen und die Windung um Windung zwischen der Blockform und dem Kühlmittel ausgetauschte Wärmemenge ermittelt wird, und daß der Verlauf, insbesondere das Profil, dieses Wärmeaustauschers Augenblick um Augenblick längs der gesamten Blockform bestimmt wird.

Hierzu wird eine Blockform mit Kühlmantel verwendet, die sich im Kühlmantel auszeichnet durch

so wenigstens einen zylindrischen schraubenförmigen Bahnverlauf und durch eine Querunterteilung des Mantels mittels eines zylindrischen schraubenförmigen oder spiralförmigen Umlenkbleches in Zonen, deren Längsabmessungen kleiner als ¹Ao der Blockformlänge sind, wobei ein Thermoelement in jede dieser Zonen eingeführt ist.

Es wird so möglich Kenntnis bezüglich des Niveaus des flüssigen Metalls in der Blockform, der Höhe der darüber befindlichen Schlacke, der zeitlichen Änderung in der Dicke der verfestigten Schlacke um den erzeugten Gegenstand herum sowie bezüglich der Entwicklung des Wirkungsgrades des Schmelzverfahrens, der Schmelzgeschwindigkeit etc. zu erhalten. Sobald diese Informationen und Daten verfügbar sind,

bi wird es möglich direkt in optimaler Weise die von den Elektroden abgegebene Leistung, die Bewegung der Blockform sowie den Kühlmittelfluß einzustellen. Auch wird eine Superregelung bezüglich der Elektrodenspei-

sung, der gelieferten Leistung und der Relativbewegung zwischen Blockform und hergestelltem metallischen Gegenstand auszuüben.

Das Niveau des flüssigen Metalls ergibt sich ohne Fehlereinflüsse aus der Tatsache, daß im Bereich der Verfestigung der Wärmeaustausch der V/indung(en) höher ist, die Veränderung in der Dicke der Schicht der verfestigten Schlacke um den metallischen in der Herstellung begriffenen Gegenstand herum wird erhalten aus den zeitlichen Änderungen der Wärmemenge, die entsprechend den Windungen ausgetauscht wird, die unter dem Niveau des flüssigen Metalls sich befinden. Die Änderungen im Wirkungsgrad des Schmelzverfahrens lassen sich aus den zeitlichen Änderungen der Wärmemenge, die entsprechend den Windungen oberhalb des Niveaus des flüssigen Metalls ausgetauscht wird, ableiten.

Sind die obengenannten Daten bekannt, so wird es möglich, eine ganze Zahl von Einstellungen voreinzustelien, insbesondere die der Blockformbewegung, der Kühlmittelströmung, der der Elektrode oder den Elektroden gelieferten Leistung etc^ derart, daß ein optimaler Wirkungsgrad des Schmelzbetriebes möglich wird.

Die hervorragende Einfachheit sowie die Verläßlichkeit und Genauigkeit dieses Verfahrens werden ohne weiteres klar; es wird möglich, eine große Anzahl brauchbarer Informationen hinsichtlich des Fortschritts des ES R-Verfahrens zu erhalten.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert werden, wobei der Fall der Verkleidung von metallischen Gegenständen mit einer äußeren Metallschicht in der Zeichnung dargestellt ist Gezeigt ist ein Längsschnitt durch die Vorrichtung mit einer Blockform vom sogenannten »T-Typ«. Die Blockform kann auch ein geradliniges Profil aufweisen. Nach der Erfindung wird um einen (an der Oberfläche) mit einer Metallschicht 2 zu verkleidenden Gegenstand 1 eine bewegliche Blockform oder Kokillenform 3 angeordnet, deren Wandungszwischenraum, in welchem das Kühlmittel zirkuliert, in eine Anzahl von Querzonen 4¹, 4", 4^m, 4^IV (von denen jede Längsabmessungen, entweder kleiner oder gleich ¹Ao der Blockformlänge, aufweist) mittels eines zylindrischen schraubenförmigen oder spiralförmigen Umlenkbleches 5 unterteilt ist

In jeder Querzone 4 wird ein Thermoelement 6 eingeführt (Thermoelement oder Thermowiderstand). Jedes dieser Thermoelemente wird in einen bekannten und nicht dargestellten Aufzeichnungskreis eingeschaltet

Während des ESR-Schmelzverfahrens absorbiert jede der Transversalzonen 4 eine gewisse Wärmemenge als Funktion des Wärmeinhalts de; Materials, das in Kontakt mit der Innenwandung der Blockform kommt und als Funktion der Wärmeleitfähigkeit dieses Materials.

In den Zonen 4¹ oberhalb des Schlackenbades 7 ist die Wärmeabsorption durch das Kühlmittel praktisch Null; in den Zonen 4" entsprechend dem Schlackenbad 7 wird die Wärmeabsorption proportional zu der der Elektrode oder den Elektroden 8 gelieferten Leistung. In den Zonen 4'" entsprechend dem flüssigen Metall 9 erreicht die Wärmeabsorption die höchsten Werte aufgrund der höheren Leitfähigkeit des flüssigen Metalls und auch aufgeund der durch letzteres abgegebenen Verfestigungswärme. In den anderen Zonen 4^IV nimmt die Wärmeabsorption allmählich ab und wird hauptsächlich eine Funktion der Dicke der verfestigten Schlackenschicht zwischen dem erzeugten Gegenstand und der Blockform sein.

Bezüglich der Messung des Niveaus des flüssigen Metalls ist es klar, daß die Vorrichtung nach der Erfindung bei weitem empfindlicher als die an sich bekannten ist, welche die Temperatur der Wandung der Blockform messen. Während nämlich einerseits die Verfestigungstemperatur eines Metalls immer die gleiche ist und die Temperatur der schmelzflüssigen Schlacke höher als die des flüssigen Metalls sein kann und gewöhnlich ist, wodurch durch die reine Messung der Wandtemperatur des Blockes erhebliche Unsicherheiten bei der Bestimmung des Flüssigmetallniveaus eintreten, ist andererseits die durch ein Metallbad unter Verfestigung übertragene Wärme zweifellos wesentlich höher als die durch die darüber befindliche Schlackenschicht übertragene.

Wenn aus irgend einem Grunde die der Elektrode 8 gelieferte Leistung variieren sollte, so variiert auch die an die Zonen 4' übertragene Wärmemenge sofort; durch Beobachtungen der Veränderungen dieser Wärmemenge über die Zeit wird es möglich, in optimaler Weise das Schmelzverfahren zu regeln. In ähnlicher Weise ist es möglich, in optimaler Weise das Schmelzverfahren einzustellen bzw. zu regeln. Ebenfalls ist es möglich, genau den Änderungen der Dicke der verfestigten Schlackenschicht über die Zeit entsprechend den Zonen 4^1V zu folgen; in äußerst einfacher Weise wird es möglich, beispielsweise für eine gegebene Kühlmittelströmung und für ein gegebenes vergossenes Metall festzulegen, daß der Wärmeaustausch niemals unter einen vorgegebenen Wert fällt, wenn ein Produkt mit zufriedenstellenden Eigenschaften erhalten werden soll.

Die Maßnahmen der Erfindung lassen sich mit Vorteil auf das Stranggießen von Metallen anwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Regeln des Elektroschlackeumschmelzens von Metallen, wobei eine flüssigkeitsgekühlte Kokille (bzw. Blockform) Verwendung findet, wobei mittels über die Höhe verteilter Temperaturmeßsonden der senkrechte Temperaturverlauf im Schmelzkessel ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein schraubförmiger oder spiralförmiger zylindrischer Weg für das Kühlmittel im Kühlmantel der Blockform bei bekanntem Kühlmitteldurchsatz in jedem dieser Wege hergestellt wird, die vom Kühlmittel angenommene Temperatur in jeder Windung dieses Weges gemessen wird, der Wärmegradient zwischen einer Windung und den benachbarten gemessen und die Windung um Windung zwischen der Blockform und dem Kühlmittel ausgetauschte Wärmemenge ermittelt wird und daß der Verlauf, insbesondere das Profil, dieses Wärmeaustausches Augenblick um Augenblick längs der gesamten Blockform bestimmt wird.

2. Vorrichtung vom Blockformtyp mit Kühlmantel zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet im Kühlmantel durch wenigstens einen zylindrischen schraubenförmigen Bahnverlauf und durch eine Querunterteilung des Mantels mittels eines zylindrischen schraubenförmigen oder spiralartigen Umlenkbleches in Zonen (4'; 4"; 4^m; 4^IV), deren Längsabmessungen kleiner als ¹Ao der Blockformlänge sind, wobei ein Thermoelement (6) in jede dieser Zonen (4¹; 4" ...) eingeführt ist.