DE3049283A1 - Verfahren und vorrichtung zur elektroschlackeoberflaechenbehandlung - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur elektroschlackeoberflaechenbehandlungInfo
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Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Elektroschlackeoberflächenbehandlung von Bauteilen
mit zylindrischer Oberfläche, z.B. säulenförmige Bauteile und zylindrische Bauteile, wie Walzen und
Hülsen, das in der Lage ist, Bauteile mit großem Durchmesser einer Oberflächenbehandlung zu unterziehen
oder einen dicken Metallbelag aufzubringen. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung
zur Elektroschlackeoberflächenbehandlung von Bauteilen mit zylindrischer Oberfläche.
Das Elektroschlackeschwelßen, dem die Elektroschlackeoberflächenbehandlung
zuzurechnen ist, beruht auf dem gleichen Schmelzprinzip wie das Elektroschlackeumschmelzen,
mit dem bekanntlich Metalle hoher Qualität erhalten werden. Beim Elektroschlackeschwelßen wird
nämlich eine abschmelzende Elektrode in eine geschmolzene Schlackeschicht eingetaucht, welche das Metallbad
darunter von der Umgebungsluft abschirmt, der geschmolzenen
Schlackeschicht ein starker Strom über die abschmelzende Elektrode zugeführt, die abschmelzende
Elektrode und die Oberfläche des Grundmetalls werden durch die Joule'sehe Wärme der Schlacke geschmolzen und
es findet eine Metallablagerung auf dem Grundmetall statt, während ein Block vertikal nach oben in Abhängigkeit
von dem Abschmelzen der Elektrode gebildet wird. Beim Elektroschlackeschwelßen können daher O2 und N-der
Umgebungsluft in das erstarrende Metall nur in begrenztem Ausmaß eindringen, so daß metallurgische
Reaktionen der geschmolzenen Schlacke zu erwarten sind. Es kann dadurch ein erstarrtes Metall hoher Qualität
erhalten werden. Die Metallablagerung auf dem Grundmetall ist äußerst zuverlässig, da ein vollständiges
Schmelzen des Grundmetalls sichergestellt ist. Das Elektroschlackeschwelßen wird daher beim Schweißen dicker
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-12-Platten und dicker Bauteile verwendet.
Eine spürbare Tendenz nach größeren Kapazitäten bei modernen Industrieanlagen führt zu einer Verschlechterung
der Betriebsbedingungen der Industrieanlagen und zu einer Zunahme an Schlacke- oder Gußhaut, einer
Verstärkung sowie einer Vergrößerung der Legierungsbestandteile der Bauteile, die in diesen Anlagen verwendet
werden. Die Elektroschlackeoberflächenbehandlung hat immer mehr Beachtung gefunden als ein Mittel zur
Erneuerung und Herstellung der Bauteile moderner Anlagen.
Unter den Bauteilen moderner Anlagen stellt die WaIzwerkwalze
bei der Eisenherstellung ein Bauteil dar,
bei dem ein großer Wunsch nach einem zusammengesetzten oder Verbundaufbau oder -Neuaufbau aus Gründen der
Energieersparnis und einer besseren Nutzung der natürlichen Resourcen besteht.
20
20
In "Electroslag Welding" (2. Auflage), herausgegeben
von B.E. Paton. übersetzt und veröffentlicht von "American Welding Society, Inc." (Seiten 148 - 151)
wird eine neue Herstellungs- und Erneuerungs-Methode einer Walze durch Elektroschlackeoberflächenbehandlung
beschrieben, ferner geht daraus hervor, daß die Rotation einer Walze vorteilhaft ist, um eine Ablagerung gleichmäßiger
Güte zu erhalten.
In der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung
Nr. 9095/1969 wird ein Elektroschlackeoberflächenbehandlungsverfahren
einer Walze vorgeschlagen, bei dem das Werkstück und eine Form gleichzeitig in Umdrehung
versetzt werden und nur die Form während der Rotation
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nach unten bewegt wird.
In der veröffentlichten japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 15238/1970 wird eine Form für die Elektroschlackeoberflächenbehandlung
vorgeschlagen, welche Form in einen rotierenden Teil und einen nicht rotierenden
Teil geteilt ist, wobei zwischen diesen beiden Teilen eine Dichtung vorgesehen ist.
Wenn die bekannten Elektrosch'lackeoberflächenbehandlungsverfahren,
die vorstehend erläutert sind, bei Verfahren zur Herstellung in zusammengesetzter oder Verbundbauweise
oder zur Erneuerung von Walzen angewendet werden, die einen Durchmesser von beispielsweise 700 bis 1200 mm
und eine Ablagerungsschichtdicke von beispielsweise 50 bis 100 nun aufweisen, muß die Anzahl oder Länge der
Elektroden derart erhöht werden, daß diese Methoden durch eine übermäßige Schmelzpenetration des Grundmetalls
in der Praxis ungeeignet werden.
Nach dem Stand der Technik, wie er in den vorstehend angegebenen veröffentlichten Patent- und Gebrauchsmusteranmeldungen
beschrieben ist, ist eine Dichtungseinrichtung für das Kühlwasser, das der Form zugeführt wird,
nicht ausreichend, um ein Austreten von Wasser zu verhindern, ferner erhöht die Form, die verwickelt aufgebaut
ist, die Erstellungskosten der Anlage.
Aufgrund des Prinzips des Elektroschlackeschweißens, das vorstehend beschrieben ist, ist die Abkühlgeschwindigkeit
des aufgebrachten Metalls nach dem Schweißen so langsam, so daß keine Rißbildung des Schweißmetalls
beim Erstarren auftritt. In dieser Hinsicht ist das Elektroschlackeschweißen zur Ablagerung eines hochlegierten,
einen hohen Kohlenstoffgehalt aufweisenden Stahls
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auf eine Hülse oder auf eine Walze zur Oberflächenbehandlung geeignet. Der Umstand, daß das aufgebrachte
und erstarrende Metall allmählich und kontinuierlich sich in vertikaler Richtung bildet, führt jedoch zu dem
Problem, das in Fig. 1 erläutert ist und das dann auftritt, wenn die Zusammensetzungen des Grundmetalls und
des Oberflächenmetalls voneinander abweichen.
Gemäß Fig. 1 ist ein Kupferband 2 so angeordnet, daß der erforderliche Schweißspalt (Oberflächenradius)
zwischen dem Kupferband 2 und einem Werkstück 1 gebildet wird. Durch eine abschmelzende Elektrode 4,
die eine vorher abgestimmte Zusammensetzung aufweist, erfolgt während der Oberflächenbehandlung eine ununterbrochene
Zufuhr in das Schlackebad 3. Da die Kohlenstoff- und Legierungsgehalte des Werkstücks 1 niedriger
sind als die der abschmelzenden Elektrode 4, ist der Schmelzpunkt des Grundmetalls im allgemeinen hoch. Wenn
das geschmolzene Metall 7 von dem Werkstück 1 zu dem Metallbad 6 zur Oberflächenbehandlung abtropft, erstarrt
das geschmolzene Metall 7 sofort oder, wenn es nicht sofort erstarrt, wird die Viskosität des geschmolzenen
Metalls 7 so gering, daß das geschmolzene Metall 7 nicht zufriedenstellend in das Metallbad diffundieren kann.
Wenn eine solche zufriedenstellende Diffusion des geschmolzenen Metalls 7 nicht stattfindet, erstarrt das
Metall in der Form, wie sie mit 8 angegeben ist, und führt zu der heterogenen Struktur 9-1. Da eine beträchtliche
Diffusion auch unter nicht zufriedenstellenden Diffusionsbedingungen stattfindet, tritt eine Abscheidung
auf, derart, daß die Kohlenstoff- und Legierungsbestandteile-Gehalte des abgelagerten Metalls an den
dem Werkstück 1 benachbarten Stellen niedriger sind. Das geschmolzene Metall 7 tropft periodisch, pulsierend ab
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und die heterogene struktur 9-1 bildet sich damit in Form der Schichten 9-2, die sich zu der behandelten
Oberfläche des Werkstücks 1 erstrecken können. Beim Walzvorgang mit den Walzen, die eine heterogene Struktur
aufweisen, wird das Rauherwerden der Oberfläche der Walzen beschleunigt und die Oberflächeneigenschaften
des Walzenwerkstücks werden beeinträchtigt. Darüberhinaus können Wärmerisse durch die heterogene Struktur auftreten,
wenn die Walze zum Warmwalzen verwendet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Probleme zu lösen, die bei einer vertikalen und umfangsmäßigen Oberflächenbehandlung
von Bauteilen mit großem Durchmesser von vorzugsweise etwa 700 mm und mehr mit einer Dickenablagerungsschicht
von vorzugsweise etwa 50 mm Schichtdicke und mehr auftreten, welche Probleme die folgenden
sind: (1) Welche Elektrode soll man zur Zufuhr eines starken Stroms verwenden und (2) wie kann man eine übermäßige
Schmelzpenetration des Grundmetalls während der Oberflächenbehandlung in großer Schichtdicke vermeiden,
die zu einer Erhöhung des Wärmeverbrauchs und einer Verminderung der Schweißgeschwindigkeit oder der Hebegeschwindigkeit
des Metallbades führt.
Durch die Erfindung soll ferner ein Verfahren zum vertikalen Elektroschlackeschweißen bereitgestellt werden,
mit dem zusammengesetzte oder Verbundwalzen hoher Qualität durch Oberflächenbehandlung des Walzenkörpers
mit einem anderen Material als dem des Walzenkörpers hergestellt oder erneuert werden können.
Weiterhin soll ,durch die Erfindung eine Vorrichtung
zur Elektroschlackeoberflächenbehandlung für Bauteile
mit zylindrischer Oberfläche bereitgestellt werden, das in der Lage ist, Bauteile mit großem Durchmesser zu
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bearbeiten und Metall hoher Qualität in dicker Schicht aufzutragen.
Durch die Erfindung soll auch eine Vorrichtung zur Elektroschlackeoberflächenbehandlung bereitgestellt
werden, die einen Kühlwassereinlaß und -auslaß aufweist, der in der Lage ist, das Kühlwasser der drehbaren Form
über einen drehbaren Anschluß in einfacher Weise zuzuführen und der den Auswirkungen der Schweißwärme nicht
ausgesetzt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur vertikalen Oberflächenbehandlung
eines Bauteils mit zylindrischer Oberfläche ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Mehrphasenwechselstrom
der Schlacke über mehrere abschmelzende Elektroden in Form einer Stange, die einen großen Querschnitt aufweist,
zugeführt wird, ferner dadurch, daß bei Durchführung der Oberflächenbehandlung das Werkstück rotiert
und der Oberfläche des Schlackenbades kontinuierlich geschmolzenes Metall zugesetzt wird.
Nachstehend sind die Maßnahmen des erfindungsgemäßen
Verfahrens im einzelnen erläutert.
Die abschmelzenden Elektroden werden anhand der Stärke des Stromes ausgewählt, der der Schlacke über die Elektroden
zugeführt wird. Das Material der abschmelzenden Elektroden kann allein einem hohen Stromfluß durch die Elektroden
einen Widerstand entgegensetzen. Wenn Kohlenstoff, der ein typische s Material für nicht abschmelzende Elektroden
ist, für die Elektroden verwendet wird, werden Sub-Oxide, wie SiO2 und MnO, in der Schlacke mit dem Kohlenstoff zur
Reaktion gebracht und das CO-Gas, das bei der Reaktion gebildet wird, bedeckt die Schlackeoberfläche in Form von
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Blasen. Die Schweißbarkeit wird beeinträchtigt und die Steuerung der Schmelzpenetration wird kompliziert,
da der Abstand zwischen den Elektroden und dem Werkstück sich wegen des Verbrauchs der Spitze der Elektroden
also durch Veränderung der Elektrodenform variiert, welcher Verbrauch durch die vorstehend erwähnte Reaktion
in der Schlacke erfolgt, ferner durch die Oxidation der Elektroden durch die Atmosphäre. Wenn ein Metall
mit hohem Schmelzpunkt, wie Wolfram oder Molybdän, anstelle von Kohlenstoff für die nichtabschmelzenden
Elektroden verwendet wird, wird der Verbrauch durch Oxidation sogar noch gravierender, so daß sie dem
starken elektrischen Strom nicht mehr standhalten können. Allgemein gilt, daß ein legierter Stahl oder ein Iegiertes
Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von 1% und mehr zur Oberflächenbehandlung eines Bauteils, wie
einer Walzwerkwalze verwendet wird, die Gegenstand der Erfindung ist, wobei das oberflächenbehandelte Bauteil
verschleißfest ist und gegenüber Wärmerissen widerstandsfest sein soll. Falls die Ablagerung des legierten Stahls
oder Eisens mit einem Kohlenstoffgehalt von 1% und mehr erfolgt und damit ein hoher Schmelzpunkt bei der Elektroschlackeoberflächenbehandlung
auftritt, werden SiO2, MnO und dergleichen im allgemeinen zu einem Flux mit hohem
Schmelzpunkt der bei der Ablagerung von Stahl mit geringem Kohlenstoff verwendet wird, zugegeben, um den Schmelzpunkt
des Fluxes herabzusetzen. Die Reaktion zwischen den nichtabschmelzenden Elektroden und SiO_, MnO und
dergleichen läuft deshalb bei der Ablagerung eines Stahls mit hohem Kohlenstoffgehalt gegenüber der Ablagerung
eines Stahls mit niedrigem Kohlenstoffgehalt beschleunigt
ab. Die Elektroden, die erfindungsgemäß zum Einsatz
kommen, sind deshalb abschmelzend, wobei es durch die Erfindung möglich wird, die Erzeugung von Blasen in der
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Schlacke zu verhindern und einen stabilen Schweiß-Vorgang
sicherzustellen, und zwar bei konstanter Aufrechterhaltung der- identischen Gestalt der Elektroden.
Zum anderen werden die abschmelzenden Elektroden in Form einer Stange verwendet, um einen starken Strom
zwischen 10.000 und 100.000 A dem Schlackebad zuzuführen. Falls Drahtelektroden, die üblicherweise bei dem EIektroschlackeschweißen
verwendet werden, dazu eingesetzt werden, um den vorstehend angegebenen starken Strom
zuzuführen, sind 20 Elektroden und mehr erforderlich, was die Montage, den Betrieb und die Anlageinstandhaltung
der Elektroschlackeoberflächenbehandlung kompliziert und unpraktisch macht. Der Einsatz von Drahtelektroden
ist nicht nur unpraktisch, vielmehr zeigt auch die Oberflächenbehandlung einen sehr gravierenden Nachteil,
falls legierter Stahl oder legiertes Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von 1% und mehr für die Elektroden
verwendet wird, der bzw. das ein bevorzugtes Oberflächenbehandlungsmaterial
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist. Es ist nämlich schwierig, den vorstehend erwähnten
Stahl bzw. das vorstehend erwähnte Eisen wegen seiner Härte oder seiner Verfestigung zu Rollen oder Spulen
zu formen. Wenn die Legierungsbestandteile des Stahls* oder Eisens Nickel oder Molybdän sind, die für eine
Oberflächenhärtung notwendig sind, ist es unmöglich, den Stahl oder das Eisen zu Rollen oder Spulen zu formen.
Es wurden dann Elektroden in Form von Bandspulen in Betracht gezogen. Die erforderliche Anzahl der Elektroden
in Form von Bandspulen ist relativ groß und das Einarbeiten der Bänder in die Spulenform ist sehr kompliziert.
Es wurde dann ein Flux mit einem Drahtelektrodenkern in Betracht gezogen, z.B. eine Elektrode, die aus einem
weichen Stahlmantel und einer Füllung zusammengesetzt
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ist, welche aus einem Gemisch aus einem Pulver mit hohem Kohlenstoffgehalt und einem Pulver einer
Legierungskoraponente besteht, wobei die gesamte Elektrodenzusammensetzung
so angepaßt ist, daß sie einem legierten Stahl oder Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt
von 1% und mehr entspricht. Wenn eine solche Elektrode durch Elektroschlackeschmelzen geschmolzen wird, wird
ein Bestandteil der Elektrode mit hohem Schmelzpunkt im nichtgeschmolzenen Zustand in das abgelagerte Metall
übergeführt, da der Mantel mit hohem Kohlenstoffgehalt und die hochlegierte Füllung einen niedrigen bzw. hohen
Schmelzpunkt aufweisen. Selbst wenn der Bestandteil mit hohem Schmelzpunkt schmilzt, verfestigt er sich,
um in das Metallbad zu diffundieren, das eine niedrigere Temperatur als die Schlacke aufweist, so daß er unterhalb
der Schlacke auftritt, was zu einer ungleichmäßigen Struktur oder Abscheidung führt. Der Flux mit Drahtelektrodenkern
kann also wegen einer Qualitätsverschlechterung nicht verwendet werden. Um die Probleme,
die bei den gewickelten Drahtelektroden, gewickelten Bandelektroden und einem Flux mit Drahtelektrodenkern
auftreten, muß legierter Stahl oder legiertes Eisen mit der erforderlichen Zusammensetzung zu Elektroden
in Form langer Stangen gegossen oder gewalzt werden.
Falls die Stangenelektroden eine kleine Querschnittsfläche aufweisen, beispielsweise Stahlstangen mit kleinem
Durchmesser, ist die Anzahl der Elektroden so zahlreich wie im Falle der Draht- oder Bandelektroden. Um eine
gleichmäßige Temperaturverteilung in der Schlacke durch Elektroden mit kleinem Querschnitt sicherzustellen, ist
es darüberhinaus erforderlich, nicht nur die Elektroden umfangsmäßig anzuordnen, sondern darüberhinaus eine
beträchtliche Anzahl von Elektroden in jeder Position nahe des Werkstücks und der Form sowie in der Mitte
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zwischen dem Werkstück und der Form anzubringen. Die
vorstehend geschilderte langwierige Montage zahlreicher Elektroden macht die Durchführung der Elektroschlackeoberflächenbehandlung
vom Standpunkt der Montage wie des Betriebs unmöglich. Die Stangenelektroden müssen
daher einen großen Durchmesser aufweisen.
Nach der Erfindung wird neben des Einsatzes einer Vielzahl abschmelzender Elektroden in Form von Stangen mit
großem Querschnitt drittens das Werkstück rotiert, und zwar aus folgenden Gründen. Durch die Rotation des
Werkstücks nimmt die Stromzufuhr je Elektrode zu und die Anzahl der Elektroden kann deshalb beträchtlich
gesenkt werden. Die Anzahl der Elektroden kann etwa 10 oder weniger sein. Falls beim Betrieb mit identischen
Elektroden das Werkstück rotiert oder nicht in Rotation versetzt wird, kann der Strom dem Schlackebad zufriedenstellend
in der Nähe der Form und des Werkstücks durch die Werkstückrotation zugeführt werden, wodurch ein
vollständiges Schmelzen des Grundmetalls und des aufzubringenden Metalls sichergestellt ist, desgleichen eine
gute formseitige Gußhaut des aufgebrachten Metalls. Eines
der Ziele der Rotation des Werkstücks besteht darin, eine gleichmäßige Umfangstemperaturverteilung der Schlacke
auch bei einer kleineren Anzahl von Elektroden zu erreichen. Diese gleichmäßige Umfangstemperatur wird durch
die umfangsmäßige Rotation der Schlacke aufgrund der Werstückrotation erhalten, während die gleichmäßige
radiale Temperatur durch den großen Querschnitt der Stangenelektroden erreicht wird.
Es wird viertens erläutert,, wie erfindungsgemäß eine übermäßige Schmelzpenetration des Grundmetalls verhindert
wird. In dem Fall, wo Elektroden in Form von
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Stangen mit großem Querschnitt benutzt werden, kann das Grundmetall eine tiefe Schmelzpenetration aufweisen,
die zwischen 50 und 100 mm betragen kann." Verglichen mit dem konventionellen Elektroschlackeschweißen
dicker Platten, ist die Schweißgeschwindigkeit bei der konventionellen Elektroschlackeoberflächenbehandlung
gering und der Temperaturanstieg des Werkstücks groß, weil der Durchmesser (genauer gesagt der Radius) des
einer Oberflächenbehandlung zu unterziehenden Werkstücks, der dem Umfang oder der Breite der einer Elektroschlackeschweißung
zu unterziehenden Platte entspricht, von begrenzter Größe und klein ist, wird vom Umfang zum Inneren
des Werkstücks Wärme konzentriert und die Wärmestrahlung von dem Werkstück ist gering. Die Schmelzpenetration des
Grundmetalls erreicht deshalb eine beträchtliche Tiefe, so daß selbst bei Verwendung von Stangenelektroden mit
großem Querschnitt der Abstand zwischen den Elektroden und der geschmolzenen Oberfläche des Werkstücks stark
vergrößert werden muß. Dies führt wiederum zu einem Temperaturabfall der Schlacke in der Nähe der geschmolzenen
Oberfläche des Werkstücks und zu einer Änderung der Schmelzpenetratxon schon bei einer geringen Änderung
der Schweißbedingungen, wie der Stromstärke, der Spannung usw. Die Steuerung der Schmelzpenetration wird deshalb
schwierig und die Schmelzpenetration zeigt eine solche Ungleichmäßigkeit, daß eine gerade Schweißnaht nicht mehr
erhalten werden kann. Dies führt zu einer Zerstörung der Bauteile, z.B. von unter Druck stehenden Walzen, aufgrund
von Spannungskonzentrationen durch Restspannung oder ungleichförmigen Aufbau an den Verbindungsflächen.
Bei der Herstellung von Zusammengesetzen oder Verbundbauteilen durch Elektroschlackeoberflächenbehandlung trifft
man auf das noch größere Problem der Abscheidung, die
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dadurch verursacht wird, daß das Grundmetall mit einer Zusammensetzung, die sich von der des Oberflächenmetalls
unterscheidet, in unterschiedlicher Menge während des OberflächenbehandlungsVorgangs schmilzt.
Ein großes Problem besteht ferner darin, daß mit zunehmender Tiefe der Schmelzpenetration die Wahrscheinlichkeit
des Auftretens solcher Fehlstellen, wie Gasporen (pinholes) und von Schlackeneinschlüssen in der geschmolzenen
Zone aufgrund der vorstehend im Zusammenhang mit dem Problem der tiefen Schmelzpenetration erläuterten
Gründe, größer wird und dadurch die Qualität sich verschlechtern kann. Um die Probleme, die bei
einer übermäßigen Schmelzpenetration auftreten, zu vermeiden, muß die Temperatur der Schlacke erhöht und
die Tiefe der Schmelzpenetration verringert werden, verglichen mit der konventionellen Elektroschlackeoberflächenbehandlung.
Dies wird durch eine besonders wichtige erfindungsgemäße Maßnahme erreicht, indem
die Temperatur der Schlacke nahe des Werkstücks mit Hilfe der vorstehend erwähnten Elektroden mit großem
Querschnitt erhöht und die absorbierte Wärmemenge je Schweißnaht des Werkstücks dadurch gering gehalten
wird, daß geschmolzenes Metall dem Metallbad zugegeben wird, während die Schlacke auf hoher Temperatur gehalten
wird. Die Schmelzpenetration beträgt höchstens 30 mm und im Idealfall 15 mm oder weniger. Aufgrund dieser
geringen Schmelzpenetration kann eine ausreichend hohe Temperatur der Schlacke in der Nähe der Schmelzzone
des Werkstücks aufrechterhalten werden (die Temperaturverteilung
der Schlacke wird vergrößert),um die vorstehend angegebenen Probleme zu beseitigen. Da das
Werkstück, wie vorstehend erwähnt, rotiert wird, werden
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das geschmolzene Metall, selbst wenn es dem Metallbad an einer einzigen Stelle des Bades zugesetzt wird,
das Metall und dessen Wärme gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt. Der Zusatz einer großen Menge an
geschmolzenem Metall führt zu einer übermäßigen Anstiegsgeschwindigkeit des Metalls in dem Bad oder der Schweißgeschwindigkeit,
wodurch die Erstarrungsstruktur des abgelagerten Metalls in der mittleren Zone nachteiligerweise
gröber wird und darüberhinaus kleine Gasporen oder Löcher in der abgelagerten Schicht gebildet werden.
Der Zusatz von geschmolzenem Metall führt zu einer wesentlichen Verminderung der Größe der gesamten Oberflächenbehandlungsvorrichtung,
ferner zu einer kompakten Oberflächenbehandlungsvorrichtung.
Falls das geschmolzene Metall nicht zugegeben wird, wenn abschmelzende Elektroden in Form einer Stange
verwendet werden, wird die Abnahme der Länge der Elektroden durch das Verhältnis der Querschnittsfläche
der Elektroden zu der Querschnittsfläche des Oberflächenbelags bestimmt, und zwar in einer Weise,
daß mit zunehmender Querschnittsfläche der
Elektroden, die Länge der Elektroden kürzer werden kann. Da die Querschnittsfläche der Elektroden maximal
um 30% gegenüber der Querschnittsfläche des Oberflächenbelags
erhöht werden kann, beträgt die erforderliche Länge der Elektroden mindestens das Dreifache
der Länge des Oberflächenbelags. Aus diesem Grunde sind mindestens sechs Meter lange Elektroden bei einer
Länge des Oberflächenbelags von beispielsweise 2m erforderlich. Bei einer Oberflächenbehandlung unter
Verwendung derart langer Elektroden ist sowohl der Betrieb wie die Montage schwierig, selbst w~nn zusätzliche
säulenförmige Elektrodenabschnitte mit einem säulen-
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förmigen Elektrodenabschnitt während des Oberflächenbehandlungsvorgangs
verbunden werden.
Da erfindungsgemäß dem Metallbad geschmolzenes Metall
zugesetzt wird, kann die Elektrodenlänge beinahe die gleiche sein wie die Länge des Oberflächenbelags, was
zur Folge hat, daß die Höhe der gesamten Oberflächenbehandlungsanlage gering ist und darüberhinaus die
Oberflächenbehandlung nicht komplizierter wird, verglichen mit der Oberflächenbehandlung ohne Zusatz an
geschmolzenem Metall.
Die Geschwindigkeit des kontinuierlichen Zusatzes an geschmolzenem Metall übt einen kritischen Einfluß auf
die Schmelzpenetration des Werkstücks aus. Die Metallzusatzgeschwindigkeit sollte deshalb genau mit der
vorbestimmten Geschwindigkeit erfolgen, die durch die Tiefe der Schmelzpenetration festgelegt wird und, falls
es notwendig ist, die Schmelzpenetration während des Oberflächenvorgangs zu steuern, sollte nicht die Metallzusatzgeschwindigkeit
sondern die Stromstärke und die Spannung zur Steuerung der Schmelzpenetration geändert
werden. Infolgedessen sollte das geschmolzene Metall kontinuierlich mit konstanter Geschwindigkeit zugesetzt
werden und eine Unterbrechung des Zusatzes an geschmolzenem Metall sollte lediglich für eine Zeitspanne von
weniger als einer Minute erfolgen. Falls die Unterbrechung eine Minute oder länger dauert, verändert sich nicht
nur die Schmelzpenetrationstiefe, sondern es werden solche metallurgischen Fehler, wie eine Verschlechterung
der Gußhaut und eine Ungleichmäßigkeit der Metallstruktur hervorgerufen.
Es wird fünftens beschrieben, wie erfindungsgemäß das Problem der Zufuhr eines starken Stroms bei der Rotation
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des Werkstücks gelöst wird. Falls in dieser Hinsicht eine Anlage mit einem Kollektor großer Dimension erforderlich
ist, um von dem rotierenden Werkstück einen Strom zwischen 10.000 und 100.000 A zu sammeln,
würde eine solche Anlage in der Praxis ungeeignet werden. Eines der kennzeichnenden Merkmale des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht in der Verwendung einer elektrischen Mehrphasenwechselstromguelle mit Sternschaltung
als Stromquelle zur Oberflächenbehandlung, bei der der elektrische Strom jeder Phase jeder Elektrode zugeführt
wird, wobei ferner das Werkstück mit dem Sternoder Nullpunkt verbunden ist. Der Strom, der von dem
Werkstück zur elektrischen Stromquelle zurückfließt, kann auf einem Niveau von maximal etwa 2-3% (100 1.000
A) des gesamten Stroms erfindungsgemäß gehalten werden, wodurch die Stromannahme des Werkstücks trotz
der Werkstückrotation sehr einfach wird. Der Ausdruck "Mehrphasenwechselstrom" bezieht sich normalerweise
auf einen Dreiphasenwechselstrom, der im allgemeinen in der Industie in großem Umfang verwendet wird. Bei
dem Dreiphasenwechselstrom weist jede Phase eine Phasendifferenz von 120° auf und die resultierende Stromstärke
und Spannung sind zu jedem Zeitpunkt null. Die Phasendiffenzen von Zweiphasen- und Vierphasenwechselströmen
betragen 180 bzw. 90°. Der Mehrphasenwechselstrom wird als Sternschaltungsquelle angeschlossen
und das Werkstück wird mit dem Stern- oder Nullpunkt verbunden, da der elektrische Strom jeder Phase einem
Einphasenstrom entspricht und von den anderen Phasen dieser Schaltung nicht abhängig ist. Die Spannung und
die Stromstärke einer Phase kann nämlich unabhängig von den anderen Phasen eingestellt werden und der nicht
ausgeglichene Strom jeder Phase kann durch eine Rückkupplungsschleife
über das Werkstück zu dem Nullpunkt
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der elektrischen Stromquelle nach der erfindungsgemäßen
Schaltung fließen. Der nicht ausgeglichene Strom an dem Nullpunkt beträgt höchstens 1.000 A.
Die Mehrphasenwechselstromquelle kann vorzugsweise die Oberflächenbehandlung durch Verwendung einer
Anlage mit starkem Strom stabilisieren, da der Impedanzabfall, eine Herabsetzung des Leistungsfaktors
und die Erwärmung der Anlage durch einen Magnetflußaustritt verhindert werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Elektroschlackeoberflächenbehandlung
besteht aus:
- einer Mehrphasenwechselstromquelle mit Sternschaltungsausgang und konstanter Spannungscharakteristik,
wobei das Werkstück mit dem Stern- oder Nullpunkt der Sternschaltung elektrisch verbunden ist,
- einem Schleifring zur Verbindung des Werkstücks mit dem Nullpunkt der Sternschaltung,
- einer Form zur Festlegung eines Oberflächenbehandlungsraumes, die in der Nähe des Werkstücks angeordnet und
mit Fortschreiten des Oberflächenbehandlungsvorgangs nach oben bewegbar ist,
- mehreren abschmelzbaren Elektroden in Stangenform mit großem Querschnitt,
- einer Elektrodenbewegungseinrichtung zum gleichzeitigen Heben und Senken sämtlicher abschmelzender Elektroden,
- einem Gefäß (tundish) zum Zusetzen des geschmolzenen Metalls, das über dem Oberflächenbehandlungsraum angeord-
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net und mit Fortschreiten des Oberflächenbehandlungsvorgangs nach oben bewegbar ist und
- eine Rotationseinrichtung zur synchronen Rotation der Form und des Werkstücks um die Achse des Werkstücks
während der Aufwärtsbewegung des Gefäßes und der Form.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Figuren 2-14
der beigefügten Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Verfahren zur Elektroschlackeoberflächenbehandlung;
Fig. 2 schematisch und teilweise geschnitten eine Vorrichtung zur Elektroschlackeober-
flächenbehandlung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach
Fig. 2;
Fig. 4 die Schaltung der Elektroden, wie sie erfindungsgemäß zum Einsatz kommt;
Fig. 5 ein elektrisches Stromversorgungssystem,
wie es erfindungsgemäß zum Einsatz kommt;
Fig. 6 den Zusammenhang zwischen einem Penetrationsverhältnis und einem Metallbadverhältnis;
Fig. 7 den Zusammenhang zwischen dem Penetrationsverhältnis und dem Metallbadverhältnis;
Fig. 8 den Zusammenhang zwischen dem Metallzusatzverhältnis und dem Metallbadverhältnis;
Fig. 9 ein Diagram der Stromdichte in einem Schlackebad in Abhängigkeit von dem Metallzusatzverhältnis;
Fig. 10 von vorne und teilweise geschnitten eine
Ansicht einer Vorrichtung zur Elektroschlackebehandlung nach einer Ausführungsform der
Erfindung;
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Fig. 11 eine Draufsicht auf die wesentlichen Teile der Vorrichtung nach Fig. 10;
Fig. 12 eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer Anlage zur Elektroschlackeoberflächenbehandlung
nach einer Aus
führungsform der Erfindung;
Fig. 13 einen Querschnitt entlang der Linie A-A nach Fig. 12 und
Fig. 14 eine der Fig. 12 ähnliche Ansicht, die eine Ausführungsform der Erfindung veran
schaulicht.
In Fig. 2 und 3 ist eine Vorrichtung zur Elektroschlackeoberfadenbehandlung
zur Herstellung einer zusammengesetzten oder Verbund-Walze schematisch dargestellt, welche
zusammengesetzte Walze durch Oberflächenbehandlung des ümfangs am zylindrischen Teil eines Walzenwerkstücks
kleinen Durchmessers erzeugt wird. Das Walzenwerkstück ist vertikal in der Mitte des Drehtisches 19 angeordnet.
Eine wassergekühlte Kupferform 17 ist so angeordnet, daß ein Spalt mit dem Oberflächenradius um den äußeren Umfang
des Walzenwerkstücks 10 durch den inneren Radius der Form und den Durchmesser des Walzenwerkstücks 10 festgelegt
wird. Vor dem Beginn des Elektroschlackeschweißens werden abschmelzende Stangenelektroden 12 so aufgehängt, daß
sie umfangsmäßig um das Walzenwerkstück 10 und in der Mitte des Spaltes zwischen dem Walzenwerkstück 10 und der
Form 17 angeordnet sind. In den Raum, der durch eine Anstellwanne 20, die Form 17 und das Walzenwerkstück 10
gebildet wird, wird geschmolzene Schlacke 14 gegeben und damit das Elektroschlackeschweißen.in Gang gesetzt.
Die abschmelzenden Stangenelektroden 12 weisen einen großen Querschnitt auf und können eine rechteckige oder
runde Querschnittsform besitzen. Die radialen Abstände
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der abschmelzenden Stangenelektroden 12 von der Oberfläche des Walzenwerkstücks 10 und der inneren Oberfläche
der Form 17 sollten weniger als 30 mm sein, wobei
diese Abstände um die Form 17 herum über eine Länge von wenigstens 10%, bezogen auf die ümfangslänge der Form 17,
bestehen sollten.
Die vorstehend angegebene Forderung bezüglich des Abstandes sei anhand eines Beispiels erläutert, bei dem
der Durchmesser des Wal^enwerkstücks 10 700 mm und der Oberflächen- oder Belagradius (der Abstand zwischen der
Form 17 und dem Walzenwerkstück 10) 100 mm beträgt. Die Form 17 weist bei diesem Beispiel einen inneren Durchmesser
von 1.000 mm auf. Die abschmelzenden Stangenelektroden 12, die einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und
in der Mitte des Spaltes zwischen der Form 17 und dem WaIzenwerkstück 10 angeordnet sind, sollten eine Dicke
von wenigstens 40 mm = dem Oberflächenbehandlungsradius - 20 χ 30 mm aufweisen. Weiterhin sollten die abschmelzenden
Stangenelektroden 12 eine Gesamtbreite oder einen Gesamtumfang von wenigstens etwa 300 mm, d.h. 10% der
ümfangslänge der Form 17, aufweisen. Wenn die Anzahl der abschmelzenden Stangenelektroden 12 sechs beträgt,
dann muß die Breite bzw. der Umfang jeder Elektrode mehr als 50 mm sein.
Wenn der Querschnitt der abschmelzenden Stangenelektroden 12 rund ist, dann sind verhältnismäßig zahlreiche
Elektroden erforderlich, um der Bedingung zu genügen, daß die notwendige Geometrie und Position der Elektroden
entlang des Öberflächenbehandlungsraumes wenigstens über 10% der Ümfangslänge vorliegt. Elektroden mit viereckigem,
rechteckigem oder quadratischem Querschnitt
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werden deshalb Elektroden mit rundem Querschnitt vorgezogen.
Vorteilhaft sind ferner Elektroden, die einen viereckigen, gekrümmten Querschnitt aufweisen, und
zwar mit gekrümmten langen Seiten, wobei der Radius dem Radius des OberfIachenbehandlungsraumes (Oberflächenbehandlungsradius)
entspricht.
Wenn abschmelzende Stangenelektroden 12 mit einer Größe von 50 χ 80 mm zur Oberflächenbehandlung bei dem vorstehend
angegebenen Beispiel benutzt werden, kann ein Strom zwischen 2.000 und 5.000 A durch jede der abschmelzenden
Stangenelektroden 12 fließen, d.h. der erforderliche starke Strom kann durch maximal etwa 10 Elektroden
geschickt werden, was hinsichtlich der Vereinfachung des Oberflächenbehandlungsvorganges von Vorteil ist.
Wie Fig. 3 deutlich zu entnehmen ist, werden eine Vielzahl von abschmelzenden Stangenelektroden 12 erfindungsgemäß
eingesetzt. Da eine Vielzahl von Elektroden 12 eingesetzt wird, kann eine Mehrphasenwechselstromquelle verwendet
werden, wobei die Wärmequelle um den Umfang des Oberflächenbehandlungsraumes herum verteilt wird und das
geschmolzene Metall über einen Raum zwischen den voneinander getrennten Elektroden auf das Schlackebad gegeben
werden kann. Die Wärmequelleverteilung und die Werkstückrotation, die durch den Pfeil in Fig. 3 wiedergegeben
sind, führen zu einer gleichmäßigen Temperatur der Schlacke entlang des Umfang des geschmolzenen Schlackebades 14.
Mit Beginn des Schweißens wird das Walzenwerkstück 10 in Rotation versetzt. Wenn die Temperatur des Grundmetalls
so erhöht wird, daß die Oberfläche des Walzenwerkstücks zu schmelzen beginnt, wird das geschmolzene Metall, das
die gleiche Zusammensetzung wie die abschmelzenden
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Stangenelektroden aufweist, kontinuierlich dem geschmolzenen Schlackebad 14 über eine Auslaßöffnung
kontinuierlich zugegeben, die im Boden des Gefäßes (tundish) 18 vorgesehen ist. Das geschmolzene Metall
tritt dann durch das geschmolzene Schlackebad 14 hindurch und wird mit dem Metall vermischt, das beim Abschmelzen
der abschmelzenden Stangenelektroden 12 gebildet worden ist, so daß das Metallbad 15 entsteht.
Das Metallbad 15 wird durch die wassergekühlte Form 7 gekühlt und erstarrt dadurch unter Bildung von abgelagertem
Metall 16, was zur Folge hat, daß die Elektroschlackeoberflächenbehandlung
entsprechend der Ablagerung des Metalls fortschreitet.
Die Zusatzgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls sollte hinsichtlich der Anstiegsgeschwindigkeit des
Metallbades 15 gesteuert werden, und zwar derart, daß die Anstiegsgeschwindigkeit pro Minute innerhalb
von 7 - 25% des Spaltes zwischen der Form 17 und dem Walzenwerkstück 10 liegt. Falls die Anstiegsgeschwindigkeit,
d.h. die Schweißgeschwindigkeit weniger als 7 mm /Min. für den Fall beträgt, daß der Abstand zwischen
der Form 17 und dem Walzenwerkstück 10 100 mm mißt, ist es schwierig, eine Tiefe der Schmelzpenetration von
weniger als 30 mm beizubehalten. Wenn andererseits die Schweißgeschwindigkeit mehr als 25mm/Min. beträgt,
können sich Gasblasen in der Mitte der abgelagerten Metallschicht bilden, so daß eine fehlerfrei abgelagerte
Metallschicht nicht erhalten werden kann. Der Bereich der Schweißgeschwindigkeit wird durch den Spalt zwischen
der Form 17 und dem Werkstück 10 bestimmt, und zwar aus
folgenden Gründen. Durch eine Herabsetzung der Spaltbreite wird nämlich die Menge und der Wärmeinhalt der
Schlacke vermindert, wodurch die Schmelzpenetration ver-
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ringert wird. Eine Herabsetzung der Spaltbreite führt ferner zu einer konvexen Form des Metallbades 15, so
daß Löcher oder kleine Gasporen sich in dem abgelagerten Metall bilden können. Als diesem Grunde muß die Zusatzgeschwindigkeit
mit abnehmender Spaltbreite entsprechend vermindert werden, so daß die Schweißgeschwindigkeit an
die oberflächliche Schmelzpenetration angepaßt ist und daß ferner das Metallbad 15 eine geringe Tiefe beibehält.
Mit Fortschreiten des Schweißens werden die Form 17 und das Gefäß 18 gleichzeitig nach oben bewegt. Während des
Schweißens werden das Walzenwerkstück 10 und das abgelagerte Metall 16, das einstückig auf dem Walzenwerkstück
abgelagert wird, in einer Richtung in Rotation versetzt.
Das Metallbad 15 und das geschmolzene Schlackebad 14 beginnen
zu rotieren, wobei sie der Rotation des Walzenwerkstücks 10 mit dem abgelagerten Metall 16 folgen.
Die Form 17 wird vorzugsweise synchron mit der Werkstücksrotation in Umdrehung versetzt, wodurch eine Reibung
zwischen der Form 17 und dem abgelagerten Metall 16 vermieden
wird.
Die abschmelzenden Stangenelektroden 12 müssen mit einer Geschwindigkeit, die ihrem Abschmelzen entspricht, gesenkt
werden. Der Schweißstrom und die Schweißspannung werden so gesteuert, daß ein bestimmter Bereich der Schmelzpenetration,
vorzugsweise 10·- 5 mm, erhalten wird. Die Menge der Komponenten der abschmelzenden Stangenelektroden 12,
die dem abgelagerten Metall 16 zugeführt wird, wird durch die Ausbeute der betreffenden Komponenten bestimmt. Die
Zusammensetzung der abschmelzenden Stangenelektroden 12 wird deshalb der des abgelagerten Metalls 16 angepaßt,
wobei die Ausbeute berücksichtigt wird. Falls Kohlenstoff, der, wie vorstehend erwähnt, einer dieser Komponenten ist,
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in Form von Graphit vorliegt, reagiert das Graphit mit den Sub-Oxiden in der Schlacke. Der Kohlenstoff
muß deshalb in den Elektroden in Form von chemisch stabilem Cementit vorliegen. Der SchweißVorgang ist
abgeschlossen, wenn eine bestimmte Oberflächenbehandlungslänge erreicht ist.
Ein erfindungsgemäßes Stromversorgungssystem ist in Fig. 4 und 5 dargestellt. Mit der Bezugsziffer 21
sind die sekundären Wicklungen eines Dreiphasenschweißstromtransformators
bezeichnet, der eine konstante Spannungscharakteristik aufweist. Die Bezugszeichen
"u", "v" und "w" geben die Phasen des Dreiphasenwechselstroms wieder. Die sekundären Wicklungen 21 sind durch
eine Sternschaltung verbunden. Insgesamt neun Elektroden wird Strom in einer solchen Art und Weise zugeführt,
daß die Phasen des Stromes durch die Elektroden "u", "v" und "w" sind, welche nacheinander in Umfangsrichtung
um das Walzenwerkstück 10 angeordnet sind. Das Walzenwerkstück 10 ist mit dem Null- oder Sternpunkt der
Sternschaltung verbunden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens, bei der auf
einem Werkstück ein Metall einer Art abgelagert wird, die gegenüber der des Werkstücks unterschiedlich ist,
wird das geschmolzene Metall 13, das eine Zusammensetzung entsprechend der des Oberflächenbehandlungsmetalls aufweist,
kontinuierlich dem Niveau der geschmolzenen Schlacke 14 zugesetzt, wobei das Metallzugabeverhältnis η
(%), das durch den Anteil der zugesetzten Menge des geschmolzenen Metalls zu dem gesamten zugesetzten Metall
bestimmt wird:
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-34-η = 98 - 4.3Ρ
ist, worin P die Stromdichte in dem Schlackebad in A/cm2
bedeutet.
Vor der Erläuterung der Fig. 6 bis 9 sei der Hintergrund des Metallzugabeverhältnisses (T)) erläutert.
Es wurden zunächst Versuche durchgeführt, um ein Metallbad
mit einer hohen Temperatur und einer großen Menge zu erhalten. Um die Rühr- oder Diffusionseigenschaften
des Metallbades zu vergrößern, wurde bei diesen Versuchen ein tiefes Metallbad und eine Schmelzpenetration geringer
Tiefe aufrechterhalten, um eine geringe Schmelzmenge des Grundmetalls zu erhalten. Bevor mit den Forschungsarbeiten
begonnen wurde, wurden der Schweißstrom und die Schweißspannung, welche grundlegende Betriebsparameter
(Schweißbedingungen) des Elektroschlackeschweißens darstellen im Hinblick auf ihren Einfluß auf das Elektroschlackeschweißen
untersucht. Es stellte sich dabei heraus, daß die Tiefe des Metallbades mit ansteigendem Schweißstrom
erheblich rrunimmt, die Tiefe der Schmelzpenetration
mit ansteigendem Schweißstrom ebenfalls zunimmt und eine ausreichende Schmelzpenetration im Bereich zwischen 10 und
20 mm nicht erhalten werden kann, solange sich die Spannung auf einem sehr geringen Niveau befindet. Eine Abnahme der
Schweißspannung erwies sich als sehr wirksam, im Vergleich
zu einer Abnahme des Schweißstromes, um die Schmelzpenetration herabzusetzen. Die Tiefe des Metallbades nahm
nachteiligerweise mit abnehmendem Schweißstrom ab, ohne durch eine Abnahme der Schweißspannung spürbar erhöht zu
werden. Es wurde infolgedessen festgestellt, daß ein tiefes Metallbad und eine Schmelzpenetration geringer
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Tiefe durch Steuerung des Schweißstromes und der
Schweißspannung nicht gleichzeitig erhalten werden können, abgesehen von einem extrem starken"Schweißstrom
und einer extrem niedrigen Schweißspannung.
Wenn nämlich der Schweißstrom 23A/cm2 oder mehr, bezogen
auf die Stromdichte in dem Schlackebad, und die Schweißspannung 15V oder weniger beträgt, so
können ein Metallbad von 100 mm Dicke oder mehr und ungefähr eine 10 mm dicke Schmelzpenetration erreicht
werden, wodurch die Struktur des abgelagerten Metalls frei von Inhomogenitäten wird. Um das Schweißen unter
diesen Spannungs- und Strombedingungen durchführen zu können, muß jedoch die elektrische Leitfähigkeit
der Schlacke sehr groß sein. Eine derartige Schlacke weist allerdings eine sehr geringe Wirksamkeit
wegen der niedrigen, darin erfolgenden Wärmeerzeugung auf und neigt zur Bildung von Fehlern, wie Schlackeeinflüssen
und Gasporen.
Eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit trägt in starkem Ausmaß dazu bei, daß die Metallbadtiefe
entsprechend der Zunahme des Schweißstromes, wie vorstehend erläutert, zunimmt. Die Abschmelzgeschwindigkeit
der Elektroden und damit der Schweißstrom werden mit zunehmendem Schweißstrom größer. Da die Elektrode
gegenüber dem abgelagerten Metall beim Elektroschlackeschweißen vertikal angeordnet ist, ist die Elektrode
als vertikal bewegliche Wärmequelle anzusehen, die den Temperaturgradienten in dem Metallbad aufrechterhält.
Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit gering ist, ist der Wärmegradient stufenartig und das Metallbad
wird tief. Durch die Abnahme der Bewegungsgeschwindigkeit der Elektrode kann daher die Schweißgeschwindigkeit
erhöht werden.
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Es wurden zweitens Experimente durchgeführt, um die Schweißgeschwindigkeit so zu erhöhen, daß die Metallbadtiefe zunimmt, wobei das Verfahren dadurch vervollständigt
wurde, daß ein anderes Zusatzmaterial als das der abschmelzenden Elektroden eingesetzt wurde.
Da bei der Ausführungsform der Erfindung der Zusatz
an geschmolzenem Metall neben der Kontrolle der Grundbetriebsparameter, d.h. der Schweißstrom und die
Geschwindigkeit, einstellbar ist, können die Bedingungen des Schweißvorgangs innerhalb eines sehr weiten Bereichs
ausgewählt werden, verglichen mit jenen, auf denen die Kontrolle der Grundbetriebsparameter beruht. Darüberhinaus
können Ablagerungen unterschiedlicher Form bei der Ausführungsform der Erfindung erhalten werden.
In Fig. 6 ist das Metallbadverhältnis, das durch "Metallbadtiefe (D)/ Schmelzpenetrationstiefe (P) + Oberflächenbelagradius
(G)" dargestellt wird, in der Abszisse wiedergegeben, während das Penetrationsverhältnis, das durch
"Schmelzpenetrationstiefe (P) / Schmelzpenetrationstiefe (P)
+ Oberflächenbelagsradius (G)" wiedergegeben wird, in
der Ordinate dargestellt ist. Die Form des abgelagerten Materials und die Qualität (Auftreten einer heterogenen
Struktur) wurden unter verschiedenen Bedingungen untersucht, wobei die Ergebnisse in Fig. 6 dargestellt sind.
In Fig. 6 bedeutet das Symbol χ ein völlig unerwünschtes, abgelagertes Material aufgrund von Schichten heterogener
Struktur, die sich von dem Werkstück zu der Mitte des abgelagerten Metalls erstrecken. Das Symbol O bedeutet
kein Auftreten oder nur ein geringes Auftreten von Schichten heterogener Struktur. Die Länge dieser Schichten
war s.o gering, daß sie beim Einsatz der oberflächenbehandelten
Gegenstände kein Problem darstellten. Das
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Symbol[Q) bedeutet keinerlei Auftreten einer heterogenen
Struktur.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, unterscheiden sich die Bereiche dieser drei Symbole klar voneinander. Bei einem
Metallbadverhältnis von 0,6 oder mehr wird keine heterogene Stuktur erzeugt bzw. deren Erzeugung stellt in der Praxis
kein Problem dar. Bei einem Metallbadverhältnis von mehr als 0,6 und einem Penetrationsverhältnis von weniger
als 0,2 wird ferner überhaupt keine heterogene Struktur gebildet. Diese Umstände belegen die Vorstellung, daß
sowohl eine oberflächliche Schmelzpenetration wie ein tiefes Metallbad erforderlich sind, um das Entstehen einer
heterogenen Struktur zu verhindern.
Es werden nun die Schweißbedingungen erläutert, um ein Penetrationsverhältnis von mehr als 0,6 zu erreichen.
In Fig. 7 sind die Daten nach Fig. 6 wiedergegeben und es werden die Schweißbedingungen hinsichtlich des Zusatzmetalls,
d.h. einer Oberflächenbehandlung mit oder ohne dem Zusatz von geschmolzenem Metall und die Menge des
zugesetzten geschmolzenen Metalls, in Fig. 7 gezeigt. Das Symbol X in Fig. 7 veranschaulicht das konventionelle
Verfahren ohne Zusatz von geschmolzenem Metall, und das Symbol O das Oberflächenbehandlungsverfahren unter
Zusatz von geschmolzenem Metall. Die Zahlen geben das MetallZugabeverhältnis (η) wieder. Wie Fig. 7 zu entnehmen
ist, sind die meisten Daten, die ein Metallbadverhältnis von weniger als 0,6 zeigen, jene des herkömmlichen
Verfahrens ohne Zusatz von geschmolzenem Metall, wobei einige Daten unter Zusatz von geschmolzenem
Metall ein Metallbadverhältnis von weniger als 0,6 zeigen. Alle Daten, die ein Metallbadverhältnis von 0,6 oder mehr
zeigen, erfolgten unter Zusatz von geschmolzenem Metall.
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Aus Fig. 7 ist zu schließen, daß die Daten, die im äußersten rechten unteren Bereich der Fig. 7 angegeben
sind, eine Tendenz zu einem höheren Metallzugabeverhältnis (η) besitzen.
Die Daten der Fig. 6 und 7 sowie die Daten der weiteren Versuche wurden hinsichtlich der Schweißbedingungen
analysiert, und zwar einschließlich des Schweißstromes und der Schweißspannung. Die Ergebnisse dieser Analyse
sind in Fig. 8 dargestellt. Die Daten in Fig. 8 zeigen an, daß die Metallbadtiefe bestimmt wird von dem Verhältnis
des Schweißstromes zu dem Metallzugabeverhältnis (η), und das Metallbadverhältnis von der Stromdichte
in dem Schlackebad und dem Metallzugabeverhältnis (η) Die Stromdichte in dem Schlackebad wird erhalten, indem
der Schweißstrom durch die Oberflächenspaltfläche dividiert wird, die ihrerseits durch die kleinste Querschnittsfläche
des Raumes definiert wird, der zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der Oberfläche der Form gebildet wird.
Die Analyseergebnisse zeigen an, daß der Einfluß der Schweißspannung auf das Metallbadverhältnis und das Metallzugabeverhältnis
(η) vernachlässigbar ist. Wie aus Fig. ersichtlich ist, nimmt das Metallbadverhältnis mit zunehmendem
Metallzugabeverhältnis (η) und zunehmender Stromdichte in dem Schlackebad zu. Damit das Metallbadverhältnis
nicht weniger als 0,6 beträgt, sollten die Stromdichte in dem Schlackebad und das Metallzugabeverhältnis
(η) so gewählt werden, daß die Kurven der Fig. 8 sich auf oder oberhalb der gestrichelten Linie befinden.
Die so gewählte Stromdichte und das so gewählte Metallzugabeverhältnis
(η) sind in Fig. 9 dargestellt, nämlich wennT)(%) nicht kleiner als 98 - 4.3P (T^ 98 - 4.3P) ist,
dann ist die Bedingung für ein Metallbadverhältnis von mindestens 0,6 erfüllt, wodurch es möglich wird, eine
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zusanunengesetzte oder Verbundoberflächenbehandlung
durchzuführen, ohne daß eine heterogene Struktur erzeugt wixd. Der folgende Punkt ist im Hinblick
auf Fig. 9 von Bedeutung. Ein kleines Metallzugabeverhältnis (T)) führt nämlich nicht zur Erzeugung
einer heterogenen Struktur, selbst wenn eine hohe Stromdichte in der Schlacke aufrechterhalten wird.
Wie vorstehend erläutert, ist allerdings eine spezielle Schlacke erforderlich und die maximal verwendbare
Stromdichte bei dem Elektroschlackeoberflächenbehandlungs-Vorgang
kann 20A/cmz betragen. Falls die Stromdichte in
der Schlacke hoch ist, beispielsweise 2OA/cm2, und
die Schweißspannung 20V oder mehr beträgt, dann bestehen
die erforderlichen Schweißbedingungen um eine zufriedenstellende Qualität zu erreichen darin, daß
eine spezielle Schlacke verwendet wird und geschmolzenes Metall, beispielsweise mindestens 10% zugesetzt wird.
Bevorzugte Schweißbedingungen sind vom Standpunkt der Betriebsleistung und einer guten Qualität eine
Stromdichte in dem Schlackebad zwischen 7 und 15A/cm2
und ein Metallzugabeverhältnis von nicht weniger als 45%.
Die Posititon der Schlackebadoberfläche, an der das
geschmolzene Metall zugegeben wird oder zufließt, ist vorzugsweise beinahe die Mitte, in radialer Richtung
des Oberflächenbehandlungsraumes gesehen. Das notwendige Metallbadverhältnis von 0,6 oder mehr kann nicht erhalten
werden, wenn diese Position äußerst nah an dem Werkstück oder der Form sich befindet. Der Raum zwischen
den benachbarten Elektroden kann etwa 100 mm, bezogen
auf die Umfangslänge, betragen, was ausreicht, damit das geschmolzene Metall dazwischen durchfließen kann.
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Die Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist von dem Durchmesser
des Werkstücks unabhängig.Die Rotationsgeschwindigkeit' sollte jedoch vorzugsweise so sein, daß die Umfangsgeschwindigkeit
in der Mitte des Oberflächenbehandlungsspaltes 1m/Min, oder mehr beträgt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Elektroschlackeoberflächenbehandlung
setzt sich aus einfachen Maßnahmen des Schweißens, der Blockerzeugung und des Gießens zusammen,
die in einfacher Weise durchgeführt werden und eine gleichmäßige Produktion von Produkten hoher Qualität
ermöglichen.
Was erstens das Stromversorgungssystem angeht, kann der Strom den einzelnen abschmelzenden Stangenelektroden
12 (Fig. 2 und 3) über das Stromversorgungssystem, das
an jede der Elektroden angeschlossen ist, zugeführt werden, was technisch keine Probleme hervorruft, abgesehen
von Anlagen großer Dimension und einem komplizierten Betrieb. Da Anlagen großer Dimension und ein komplizierter
Betrieb unerwünscht sind, wird der Strom durch das einzige Stromversorgungssystem sämtlichen abschmelzenden Stangenelektroden
12 nach einer erfindungsgemäßen Maßnahme zugeführt.
Allgemein gilt, daß es zwei Arten von Stromquellen zur Stromversorgung der abschmelzenden Elektroden beim
Elektroschlackeschweißen oder -umschmelzen gibt, nämlich Stromquellen mit konstanter externer Spannungscharakteristik
und konstanter externer Stromcharakteristik. Wenn die Stromquelle eine konstante externe Spannungscharakteristik
aufweist, dann wird die Position der Spitze der abschmelzenden Spannungselektroden in dem geschmolzenen
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Schlackebad 14 konstant gehalten und der Betrieb
erfolgt in stabiler Weise, vorausgesetzt, daß ein
, konstanter Wert der Elektrodenzufuhrgeschwindigkeit
aufrechterhalten wird, der von der Größe des Stromes abhängt. Die Spannung wird durch die Stromquelle
festgelegt. Wenn die Stromquelle eine konstante externe Stromcharakteristik besitzt, kann ein stabiler
Betrieb dadurch verwirklicht werden, daß die Elektrodenzuf uhrgeschwindigkeit derart gesteuert wird, daß ein
konstanter Strom aufrechterhalten wird, der über eine Rückkupplungsschleife gesteuert wird, wodurch dem
System zur Zufuhr der Elektroden eine konstante Betriebsspannung aufgegeben wird.
Um einen stabilen Betrieb zu verwirklichen, wenn gleichzeitig eine Mehrphasenwechselstromquelle und Zufuhrströme
zu sämtlichen abschmelzenden Stangenelektroden verwendet werden, ist es erforderlich, eine Stromquelle
einzusetzen, die eine konstante Spannungscharakteristik besitzt, ferner den Nullpunkt oder Sternpunkt "O" (Fig. 4)
der Stromquelle mit dem Walzenwerkstück 10 (Fig. 2 und 3) zu verbinden. Die Gründe für diese Notwendigkeit beim
Einsatz der Mehrphasenwechselstromquelle werden beim Vergleich zum Einsatz einer Einphasenstromquelle erläutert.
Falls ein Mehrelektrodenschweißen mit Hilfe einer Einphasenstromquelle
durchgeführt wird, werden die Elektroden parallel geschaltet. Wenn die parallel geschalteten Elektroden
mit untereinander unterschiedlichen Geschwindigkeiten schmelzen, dann weicht die Eintauchtiefe der
Elektroden voneinander ab. Die Spannung einer oder mehrerer Elektroden, die tief in die geschmolzene Schlacke eingetaucht
sind, wird dann erhöht, wobei ein Strom durch diese Elektroden fließt, der größer ist als der der anderen
Elektroden, was zur Folge hat, daß das Phänomen des Aus-
130039/1009
gleichs der Spannungen in allen Elektroden auftritt. Die Eintauchtiefe der Elektroden wird deshalb bei dem
Betrieb mit unterschiedlichen Schmelzgeschwindigkeiten ausgeglichen, trotz der gleichzeitigen Zufuhr aller
Elektroden. Darüberhinaus werden Strom- und Spannungsunterschiede durch die Eintauchtiefeänderung der
Elektroden beseitigt, wodurch eine stabile Durchführung des Oberflächenbehandlungsvorganges möglich wird.
Wenn andererseits eine Mehrphasenwechselstromquelle verwendet wird, dann sind nicht alle Elektroden jeder Phase
sondern lediglich einige Elektroden einer bestimmten Phase parallel geschaltet, ferner sind die Elektroden einer
Phase nicht parallel zu den Elektroden der anderen Phasen geschaltet. Das vorstehend erläuterte Phänomen
des Sich-Ausgleichens tritt nur bei den Elektroden einer bestimmten Phase auf, jedoch nicht bei allen Elektroden.
Die konstante Spannungscharakteristik der Mehrphasenwechselstromquelle ist deshalb zur Verwirklichung des
Phänomens des Sich-Ausgleichens notwendig, nämlich um einen starken Strom durch die Elektroden mit niedriger
Spannung und einen schwachen Strom durch die Elektroden mit hoher Spannung fließen zu lassen, und zwar unter
Verwendung der Charakteristik der Stromquelle. Der unausgeglichene Strom zwischen den Phasen (u,v,w, Fig. 4) wird
über das Walzenwerkstück 10 (Fig. 5) dem Nullpunkt O der Stromquelle zugeführt.
Die Anzahl der abschmelzenden Elektroden kann die gleiche sein oder ein Vielfaches der Anzahl der Phasen der
Stromquelle betragen. Die umfangsmäßige Anordnung der Elektroden stimmt vorzugsweise mit der Phasensequenz des
Mehrphasenwechselstroms überein.
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Es wird zweitens das Gefäß (tundish), das zum Zusetzen des geschmolzenen Metalls verwendet wird, erläutert.
Das geschmolzene Metall wird kontinuierlich mit Hilfe des Gefäßes dem Schlackebad vorzugsweise mit konstanter
Geschwindigkeit zugesetzt. Der Einsatz des Gefäßes macht es möglich, dem Schlackebad mit konstanter Geschwindigkeit
kontinuierlich und in einfacher Weise geschmolzenes Metall zuzusetzen.
Die erforderliche Zusatzgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls kann durch entsprechende Auswahl des Durchmessers
der Auslaßöffnung erfolgen, die am Boden des Gefäßes vorgesehen ist. Die Zusatzgeschwindigkeit des geschmolzenen
Metalls sollte zwischen 5 und 30kg/Min. betragen, wobei sie erheblich niedriger ist als jene, die mit den herkömmlichen
Verfahren erreicht werden, wie das überlaufverfahren
mit einer kippbaren Pfanne oder das Verfahren mit Hilfe einer elektromagnetischen Pumpe. Wenn diese
herkömmlichen Verfahren zur Steuerung der Zusatzgeschwindigkeit zwischen 5 und 30kg/Min. angewendet werden,
dann erstarrt das geschmolzene Metall am Ausguß der Pfanne od.dgl. oder falls keine Erstarrung stattfindet,
dann ändert sich die Zusatzgeschwindigkeit während des Zusatzes des geschmolzenen Metalls stark. Auch werden
die Einrichtungen, einschließlich der kippbaren Pfanne oder der elektromagnetischen Pumpe, groß und ihr Betrieb
wird kompliziert.
Ein Beispiel für den Durchmesser der Auslaßöffnung, um
die vorstehend genannte Zusatzgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls zu erhalten, ist das folgende: Der
Durchmesser der Auslaßöffnung beträgt zwischen 3 und 6 mm, und die Tiefe der Schmelze in dem Gefäß zwischen 200 und
500 mm. Eine nahezu konstante Zusatzgeschwindigkeit, beispielsweise 15kg/Min., durch eine Auslaßöffnung mit
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einem Durchmesser von 5 mm kann durch Steuerung der Temperatur der Schmelze sichergestellt werden. Wenn
das Niveau der Schmelze in dem Gefäß sich während des Oberflächenbehandlungsvorgangs senkt, so kann ein
kontinuierlicher Zusatz des geschmolzenen Metalls mit konstanter Geschwindigkeit zu dem Schlackebad auf
einfache Weise dadurch erreicht werden, daß die Schmelze in dem Gefäß ergänzt wird.
Drittens ist ein Schleifring zur elektrischen Verbindung des Nullpunkts der Mehrphasenwechselstromquelle mit
dem Werkstück erforderlich, das rotiert, vorzugsweise synchron mit der Form. Die Verbindung zwischen dem
Nullpunkt der Stromquelle und dem Werkstück ist erforderlich, um alle Elektroden gleichzeitig zuzuführen
oder zu bewegen. Diese Verbindung ist auch für die Rückkopplung der unausgeglichenen Ströme jeder Phase
wesentlich, einschließlich des unausgeglichenen Stroms der Elektroden einer bestimmten Phase, über die Verbindung
mit der Stromquelle. Da der unausgeglichene Strom normalerweise wenige % des Gesamtstroms (200 - 400 A bei
einem Gesamtstrom von 20.000 A) ausmacht, ist die Anbringung des Schleifrings bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Elektroschlackeoberflächenbehandlung einfach. Die
Verbindung kann in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß ihre rotierenden und stationären Teile mit einem Schleifring
(Schleifringen) aus Kupfer bzw. einigen Gleitkontakten aus Kohlenstoff versehen sind.
Viertens ist eine bewegliche Form zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Elektroschlackeoberflächenbehandlung
erforderlich. Das Niveau des Schlackebades muß sich ständig in der Nähe des oberen Endes der
Form befinden. Aus diesem Grunde ist eine Einrichtung
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zum Heben der Form oder zum Senken des Werkstücks mit Fortschreiten des Schweißens erforderlich, um
das Schlackeniveau aufrechtzuerhalten. Während des Hebens der Form oder des Senkens des Werkstückes
soll der Abstand zwischen dem Gefäß und dem Niveau des Schlackebades konstant gehalten werden, so daß
irgendeine Veränderung der Zugabeposition des geschmolzenen Metalls verhindert ist. Das Gefäß sollte
deshalb synchron mit der Form bewegt und angehalten werden, so daß ein konstanter Abstand von der Form
eingehalten wird.
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind in den Fig. 10 bis 14 veranschaulicht, die nachstehend erläutert werden.
In Fig. 10 sind vier Tragsäulen 34 auf einem stationären Boden 31 angeordnet, wobei sie an ihrem oberen Ende
eine Platform 35 tragen. Auf dem stationären Boden ist ein Drehtisch 19 angebracht, ferner ist an die Plattform
35 eine Halteeinrichtung 32 bedienbar angeschlossen, Das Walzenwerkstück 10 wird vertikal gehalten und ist
zwischen der oberen Halteeinrichtung 32 und dem Drehtisch (untere Halteeinrichtung) 19 eingeklemmt.
Ein vertikal bewegbarer Boden 33, der durch die nachstehend
erläuterte Antriebseinrichtung angehoben werden kann, ist entlang der Tragsäulen 34 geführt
und mit einer öffnung zur Aufnahme der Form 17 versehen.
Die Antriebseinrichtung ist durch einen Motor gebildet, der auf der Plattform 35 angeordnet ist. Durch
den Antrieb des Motors 48 werden die Form 17, die das Walzenwerkstück 10 mit ihrer inneren Oberfläche umgibt,
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und das Gefäß 18 gleichzeitig angehoben und gesenkt.
Die abschmelzenden Stangenelektoden sind an einem einzigen Elektrodenhaltearm 43 (Fig. 11) befestigt, der
vertikal bewegbar ist und über vier Drähte 25 an der Plattform 35 aufgehängt ist. Der Elektrodenhaltearm wird
mit Hilfe der Drähte und einer Antriebseinrichtung, die durch den Motor 48 der Plattform 35 angebracht ist, angehoben
oder gesenkt.
Eine Mehrphasenwechselstromquelle 11 ist auf- dem stationären
Boden 31 angeordnet und mit einer Sternschaltung verbunden. Jede Phase u,ν und w des Dreiphasenwechselstroms
fließt über ringförmige Stromzuführungsschienen 42 und flexible Kabel 44 zu jeder Elektrode. Die Plattform 35
ist gegenüber den Stromzuführungsleitungen isoliert, so
daß eine Leitung zwischen den abschmelzenden Stangenelektroden 12 über den Elektrodenhaltearm 43 nicht erfolgt.
Der Nullpunkt "O" der Stromquelle 11 ist mit dem Walzenwerkstück 10 über ein Kabel 47 und einen Schleifring
aus Stahl verbunden, der um den Drehtisch 19 herum angeordnet
ist. über Gleitstücke 46 aus Kohlenstoff wird dem Nullpunkt "0" von dem Walzenwerkstück 10 Strom zugeführt.
Das Gefäß 18 ist rechts oben in Fig. 10 angeordnet, so daß
das geschmolzene Metall 13 von der Auslaßöffnung zur Mitte
der geschmolzenen Schlacke 14 fließt. Das Gefäß 18 ist horizontal mit Hilfe einer in Fig. 10 nicht dargestellten
Einrichtung bewegbar. Wenn die Menge des geschmolzenen Metalls 13, das in dem Gefäß 18 enthalten ist, klein wird,
dann wird das Gefäß 18 horizontal in radialer Richtung in Bezug auf die Achse des Walzenwerkstücks 10 bewegt,
so daß die konstante Metallgießposition auf dem Schlackebad durch eine geringe horizontale Verschiebung des Gefäßes
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aufrechterhalten werden kann.
Eine synchrone Rotationseinrichtung zur Rotation des Walzenwerkstückes 10 und der Form 17, die nachstehend
als synchrone Rotationseinrichtung bezeichnet wird, umfaßt separate Antriebsmotore 21 und 26, die synchron
mit gleicher Rotationsgeschwindigkeit durch einen Sychronisierungsmotor 22 rotieren.
In Fig. 11 weist die Elektrodenhalteeinrichtung 43 die Form
eines Kreises mit einem bogenförmigen offenen Teil auf, das einem Viertel des Kreises entspricht. Das Gefäß 18
beeinträchtigt daher die Elektrodenhalteeinrichtung 43 wegen des bogenförmigen offenen Teils nicht. Auch kann
das geschmolzene Metall in einfacher Weise von einer Pfanne (nicht dargestellt) in das Gefäß 18 gegeben werden,
falls eine Pfanne verwendet wird.
Bei einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung, die
anhand der Fig. 12 und 13 beschrieben wird, besteht die Vorrichtung aus
- einem stationären Boden;
- einem Drehtisch, der an dem stationären Boden angeordnet ist und der ein darauf vertikal angeordnetes
Werkstück trägt;
- einer Mehrphasenwechselstromguelle mit einem Sternschaltungsausgang
und einer konstanten Spannungscharakteristik, wobei das Werkstück mit dem Null- oder Sternpunkt
der Sternschaltung elektrisch verbunden ist; - einem Schleifring zum Anschluß des Werkstücks an den
Nullpunkt der Sternschaltung;
- einer Form zur Festlegung des Oberflächenbehandlungsraumes, die in der Nähe des Werkstücks angeordnet ist und
mit Fortschreiten des Oberflächenbehandlungsvorgangs nach oben bewegbar ist;
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- einer Vielzahl abschmelzender Elektroden in Stangenform mit großem Querschnitt;
- einer Elektrodenbewegungseinrichtung zum gleichzeitigen Heben und Senken sämtlicher abschmelzender Elektroden;
- einem Gefäß (tundish) zum Zusetzen eines geschmolzenen Metalls, das über dem Oberflächenbehandlungsraum angeordnet
ist und mit Fortschreiten des Oberflächenbehandlungsvorgangs
nach oben bewegbar ist;
- einer Einrichtung zur Aufrechterhaltung der Wärme des
oberflächenbehandelten Werkstückes;
- einem vertikal bewegbaren Boden, auf dem die Form, das Gefäß und die Heizeinrichtung angeordnet sind und
- einer synchronen Rotationseinrichtung zur Rotation des
Werkstückes, der Form und der Heizeinrichtung um die Werkstückachse während einer Aufwärtsbewegung des Gefäßes
und der Form, welche synchrone Rotationseinrichtung auf
dem vertikal bewegbaren Boden angeordnet ist und die die Rotationsgeschwindigkeiten des Werkstückes, der Form und
der Heizeinrichtung synchronisiert.
In Fig. 12 wird das zylindrische Werkstück 50 in vertikaler Position durch eine obere Halteeinrichtung 66 und einen
Drehtisch (untere Halteeinrichtung) 61 gehalten. Der Drehtisch 61 ist drehbar auf dem stationären Boden 70 angeordnet
und bewirkt die Rotation des zylindrischen Werkstücks 50. Die Platform 60, an der die obere Halteeinrichtung
66 befestigt ist, wird von vier Tragsäulen 59 getragen. Die Antriebskraft eines Antriebsmotors 54-1 wird
auf den Drehtisch 61 über ein Schneckenreduziergetriebe 57-1 und ein Transmissionsgetriebe 57-2 übertragen. Der Antriebsmotor
54-1 ist mit einem Tachometer 54-2 versehen, ferner mit einer synchronen Rotationseinrichtung 65.
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Die Form 52, die das zylindrische Werkstück 50 mit ihrer
inneren Oberfläche umgibt, und die Heizung 53 zur Aufrechterhaltung der Wärme des abgelagerten Metalls sind
zweckmäßig aus einem einstückigen Körper, einschließlich des Verbindungstisches 72, hergestellt. Die Form 52 und
die Heizung 53 sind an dem vertikalen bewegbaren Boden 64 aufgehängt, der aus einer Arbeitsbühne und einem
Boden zur Anbringung des Antriebsmotors 55-1 besteht. Die Form 52 und die Heizung 53 sind ferner koaxial zum
zylindrischen Werkstück 50 angeordnet. Der vertikal bewegbare Boden 64 kann angehoben und gesenkt werden,
wobei er der Bewegung des Gegengewichts 69 folgt, das mit dem vertikal bewegbaren Boden 64 über Ketten 68 verbunden
ist, die über Kettenzahnräder 67 laufen.
Die Antriebskraft des Antriebsmotors 55-1 wird auf die Form 52 und die Heizung 53 über das Schneckenreduziergetriebe
58-1 und das Transmissionsgetriebe 58-2 übertragen, wodurch die Rotation der Form 52 und der Heizung 53
erfolgt. Die Rotation des Antriebsmotors 55-1, die von dem Tachometer 55-2 überwacht wird, ist elektrisch mit
der Rotation des Antriebsmotors 54-1 synchronisiert, wobei beide Rotationen synchron mit Hilfe einer synchronen
Rotationseinrichtung 65 gesteuert werden.
Ein Merkmal der in Fig. 12 dargestellten und vorstehend beschriebenen Vorrichtung besteht darin, daß sowohl auf
das Werkstück wie auf die Form eine äußere Antriebskraft einwirkt und das Werkstück mit der Form synchron rotiert.
Ein weiteres Merkmal, das auf das Kühlwasserversorgungssystem
abgestellt ist, wird nachstehend beschrieben.
Die Form 52, der das Kühlwasser zugeführt wird, ist erfindungsgemäß
nicht geteilt. Herkömmlicherweise wird die
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Form in einen oberen und einen unteren Abschnitt geteilt,
von denen einer bewegbar ist, wobei eine Dichtung verwendet wird, um den Raum zwischen diesen beiden Abschnitten
abzudichten.Da die Dichtung in der Nähe der
Schweißwärmequelle angeordnet ist, kommt es dazu, daß die Dichtung aufgrund thermischer Deformationen od.dgl.
nicht mehr in der Lage ist, einen Wasseraustritt zu verhindern. Darüberhinaus weist die Anlage mit der Form
eine beträchtliche Größe auf und ist teuer, wenn ein herkömmliches Versorgungssystem für das Kühlwasser vorgesehen
wird.
Bei der in Fig. 12 dargestellten Vorrichtung ist ein drehbares Anschlußstück 62 und ein stationäres Anschlußstück
63 unterhalb des zylindrischen Werkstücks 50 angeordnet, das in vertikaler Position gehalten wird. Da
die Anschlußstücke 62 und 63, einschließlich der Wasserleitungen (nicht dargestellt) in einem Abstand von der
Schweißwärmequelle angeordnet sind, sind sie keiner ernsthaften Wärmeeinwirkung ausgesetzt und die gesamte
Vorrichtung wird sehr kompakt.
Die synchrone Rotation der Form 52 mit dem zylindrischen Werkstück 50 kann durch einen einzigen Motor verwirklicht
werden, jedoch werden vorzugsweise separate Motoren (55-1 und 54-1) für den synchronen Antrieb der Form 52
bzw. des zylindrischen Werkstücks 55 verwendet. Wenn ein einziger Motor zum Einsatz kommt, ist es erforderlich,
die Rotation der Form 52 und des zylindrischen Werkstücks mechanisch zu synchronisieren. Dies ist jedoch schwierig,
wenn die Oberflächenbehandlung bei einem langen Werkstück erfolgt, da aufgrund der Notwendigkeit der Heizung der
an der Oberfläche zu behandelnden Teile des Werkstücks während des Oberflächenbehandlungsvorgangs die Form nach
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oben während des Oberflächenbehandlungsvorgangs bewegt
wird. Bei der elektrischen Synchronisation der Rotation kann entweder eine Phasenwinkelsteuerung der
drei Phasen mit einem Synchronisierungsmotor oder eine
Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit mit einem Impulsgenerator angewendet werden. Die synchrone Rotation
muß derart sein, daß der Unterschied der Rotationsgeschwindigkeit zwischen dem Werkstück und der Form 0,1%
oder weniger beträgt, was vorzugsweise durch eine elektrische Synchronisation erreicht werden kann.
In Fig. 12 und 13 sind weder das Gefäß, die Mehrphasenwechselstromquellfi
noch der Schleifring der Einfachheit halber dargestellt, jedoch stellen beide unerläßliche
Teile der Oberflächenbehandlungsvorrichtung dar. Ihre Arbeitsweise und ihre Beziehung zu den anderen Teilen
der in Fig. 12 und 13 dargestellten Vorrichtung ist aus der Beschreibung zu den Fig. 10 bis 13 verständlich.
Die Ausführungsform der Vorrichtung die im Zusammenhang
mit den Fig. 14 und 15 beschrieben ist, umfaßt:
- einen stationären Boden;
- ein rotierendes Anschlußstück, das drehbar an dem stationären Boden angeordnet ist und Öffnungen zum Zu-
und Abfluß des Kühlwassers aufweist;
- eine Mehrphasenwechselstromguelle mit einem Sternschaltungsausgang
und einer konstanten Spannungscharakteristik, wobei das Werkstück mit dem Null- oder Sternpunkt der
Sternschaltung elektrisch verbunden ist; - einen Schleifring zum Anschluß des Werkstückes an den
Nullpunkt der Sternschaltung;
- eine Form zur Festlegung eines Oberflächenbehandlungsraumes,
die in der Nähe des Werkstücks angeordnet ist und mit Fortschreiten des Oberflächenbehandlungsvorganges
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nach obenbewegbar ist;
- mehrere abschmelzende Elektroden in Stangenform mit großem Querschnitt;
- eine Elektrodenbewegungseinrichtung zum gleichzeitigen Heben und Senken sämtlicher abschmelzender Elektroden;
- ein Gefäß (tundish) zum Zusetzen eines geschmolzenen Metalls, das über dem Oberflächenbehandlungsraum angeordnet
und mit Fortschreiten des Oberflächenbehandlungs-Vorgangs
nach oben bewegbar ist;
- Schläuche, die verlängerbar sind, wenn die Form sich nach oben bewegt, und die die Form und die öffnungen des
drehbaren AnschlußStückes verbinden und
- eine synchrone Rotationseinrichtung zur Rotation des Werkstücks und der Form um die Werkstückachse während der
Aufwärtsbewegung des Gefäßes und der Form.
Gemäß Fig. 14 ist das zylindrische Werkstück 50 drehbar und vertikal zwischen der oberen Halteeinrichtung 66 und
der unteren Halteeinrichtung 96 gehalten. Die obere und die untere Halteeinrichtung 66 und 96 sind starr an Ort
und Stelle durch einen Rahmen befestigt, der durch die Plattform 60, den stationären Boden 70 und die vier Tragsäulen
59 gebildet wird. Die Form 52 (Fig. 15), die das zylindrische Werkstück 50 mit ihrer inneren ringförmigen
Oberfläche umgibt, ist wassergekühlt und mit einem Zufuhranschlußstutzen 83 und einem Abflußanschlußstutzen 84
versehen. Der Zufuhranschlußstutzen 83 und der Abflußanschlußstutzen 84 sowie ein Wassermantel 86, der mit den
Anschlußstücken 83 und 84 kommuniziert, sind auf einer Tragplattform 87 angeordnet. Die Tragplattform 87 weist
einen herausragenden Teil 87-1 auf, der an ihrem Umfang
angebracht ist, wobei sie durch horizontale Rollen 88 mittels des horizontalen Abschnitts des herausragenden
Teil 87-1 drehbar angeordnet ist. Die Tragplattform.87
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wird während der Rotation durch die vertikalen Rollen 89 geführt, welche die horizontale Bewegung des vertikalen
Abschnitts des herausragenden Teils 87-1 begrenzen. Die
Position der vertikalen Rollen 89 kann durch eine Schraube 121 eingestellt werden. Der Antriebsmechanismus
der synchronen Rotationseinrichtung der insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist, weist einen Antriebsmotor
79-2, ein Schneckenreduziergetriebe 78-2, ein Transmissionsgetriebe 85 und einen Synchronisierungsmotor
80-2 auf, die miteinander in Wirkverbindung stehen, so daß die Form 52 in Rotation versetzt wird.
Die Arbeitsbühne 69 kann in der Nähe des Bodens 90 vorgesehen sein, auf dem die vorstehend erwähnten
Teile 79-2, 78-2, 85 und 80-2 angeordnet sind. Der Boden 90 kann mit Hilfe des Motors 56 (Fig. 14) angehoben
werden, der die Antriebskraft auf den Boden 90 über das Kettenzahnrad 67 und die Kette 68 mit dem Gegengewicht 69
überträgt.
Die untere Halteeinrichtung 96 (Fig. 14) ist koaxial zur Rotationsachse des zylindrischen Werkstücks 50 angeordnet
und an dem stationären Boden 70 über das drehbare Anschlußstück 36 angebracht, das koaxial zur unteren Halteeinrichtung
96 verläuft. Vorzugsweise sind bei der Oberflächenbehandlungsvorrichtung,
die in Fig. 15 dargestellt ist, Haspeln oder Spulen 104 für die Schläuche 105 vorgesehen,
derart, daß die Spulen 104 synchron mit der Werkstückrotation rotieren.
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Die Spulen 104 sind an den unteren Halteeinrichtungen 96 über eine Tragplatte 106 angebracht. "Die Schläuche
105 verbinden die Form 52 mit dem Kühlwassereinlaß 108 bzw. -auslaß 109 des drehbaren Anschlußstücks 63
über (a) drehbare Anschlußstücke 1O7-1 und 107-2, die
am Ende der Säulen 105 angebracht sind, die die Spulen 104-1 bzw. 104-2 tragen,(b) den Mantel 86, und
(c) die Zufuhr- und Abflußstutzen 83 bzw. 84. Die Schläuche 105 werden von den Spulen 104-1 und 104-2
entsprechend der vertikalen Bewegung der Form 52,vorzugsweise mittels (nicht dargestellter) Federn, mit
denen die Spulen 104-101 und 104-102 versehen sind, abgezogen oder aufgewickelt.
Das drehbare AnschluBstück 63 besteht aus einem äußeren Gehäuse 63-2 und einem inneren drehbaren
Körper 63-1 und ist mit einem Wassereinlaß 108 und einem Wasserauslaß 109 versehen. Eine (nicht dargestellte)
mechanische Dichtung wird damit gebildet, um einen Wasseraustritt während der Rotation des
drehbaren Anschlußstücks 63 zu verhindern. Der innere drehbare Körper 63-1 ist an der unteren Halteeinrichtung
96 befestigt und mit Hilfe des Antriebsmechanismuses 100 rotierbar. Das äußere Gehäuse
63-1 ist an dem stationären Boden 70 befestigt. Die untere Halteeinrichtung 96 liegt drehbar auf
einem Sockel 111 über Axiallager 112 auf, wobei ein Radiallager 113, das an dem Außengehäuse 63-2
angeordnet ist, mit dem inneren drehbaren Körper 63-1 in Eingriff steht, wodurch das zylindrische Werkstück
50 gleichmäßig rotieren kann.
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Der Antriebsmechanismus der synchronen Rotationseinrichtung, der insgesamt mit der Bezugsziffer
bezeichnet ist, weist ein Transmissionsgetriebe 57-2, ein Schneckenreduziergetriebe 57-1, einen Antriebsmotor
79-1 und einen Synchronisierungsmotor 80-1 auf.
Die in Fig. 14 und 15 dargestellte Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung arbeitet folgendermaßen.
Das zylindrische Werkstück 50 wird durch den Antriebsmechanismus
120 in Rotation versetzt, welcher gleichzeitig eine Rotation der Spulen 104-1, 104-2
bewirkt, die an der Tragplatte 106 befestigt sind.
Während das zylindrische Werkstück 50 wie oben angegeben rotiert, rotiert die Form 52 durch den
Antriebsmechanismus 100 mit einer Geschwindigkeit, die elektrisch mit der Rotationsgeschwindigkeit des
zylindrischen Werkstücks 50 synchronisiert ist.
Die Form 52 wird nicht nur in ümfangsrichtung bewegt,
sondern auch nach oben, während das Kühlwasser über die Schläuche 105 der Form 62 bei der
Oberflächenbehandlung zugeführt wird.
Die nachstehenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Elektroschlacke-Oberflächenbehandlung.
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Die Elektroschlacke-Oberflächenbehandlung wurde
unter folgenden Betriebsbedingungen und mit folgendem Werkstück durchgeführt.
A) Walzenwerkstück
Der Durchmesser des Walzenwerkstückkörpers, der einer Oberflächenbehandlung zu unterziehen war,
betrug 700mm und seine Länge 1800mm. Das Walzenwerkstück
war aus JIS S 45C (Kohlenstoffstahl) hergestellt.
10
10
B) Form
Der innere Durchmesser der Form betrug 90mm und somit der Oberflächenbehandlungsradius 100mm.
c) Elektroden
Die Abmessungen jeder der neun Elektroden waren 50mm χ 100mm χ 2500mm. Die Zusammensetzung der
Elektrodengußstücke betrug 1,7% C, 0,3% Si, 0,7% Mn, 2,0% Cr, 2,5% Ni und 0,7% Mo; der Rest
war im wesentlichen Fe.
D) Geschmolzenes Metall
Das geschmolzene Metall, das eine Temperatur von 1500°C hatte, wurde mit einer Geschwindigkeit von
15 Kg/min zugegeben. Die Zusammensetzung des geschmolzenen Metalls war 1,7%C, 0,3%Si, 0,7% Mn,
1,9%Cr, 2,4% Ni und 0,8% Mo; der Rest war im wesentlichen Fe.
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30A9283
E) Stromstärke
Es wurde ein Strom von 2000 bis 2200 A χ 9 Elektroden, d.h. 18000 bis 19800 A, durch die Elektroden geschickt.
5
F) Spannung
30 bis 35 Volt
(Die Stromstärke und die Spannung wurden den entsprechenden, oben angegebenen Bereichen angepaßt).
10
G) Rotationsgeschwindigkeit des Walzenwerkstücks
1 U/min Die Ergebnisse der Oberflächenbehandlung zur Herstellung
einer zusammengesetzten oder Verbundwalze unter den oben angegebenen Bedingungen sind folgendermaßen.
H) Schweißgeschwindigkeit
15mm/min 20
I) Metallzugabeverhältnis t] (Der Anteil des zugegebenen geschmolzenen Metalls
zum gesamten zugesetzen Material)
80%
25
25
J) Schweißzeit 130 min.
K) Schmelzpenetration des Walzenwerkstücks etwa 10mm
130039/1009
L) Oberflächenqualität des abgelagerten Metalls Glatt, ohne Unebenheiten oder Unregelmäßigkeiten.
Die erhaltene Verbundwalze wurde geschnitten, um ihre Struktur zu untersuchen, wobei eine vollständige
Metallablagerung, keine Ausscheidung oder Ausseigerung des abgelagerten Metalls und
keine Fehler festgestellt wurden. Es konnte also eine Verbundwalze mit hervorragender Qualität
innerhalb eines kurzen SchweißZeitraumes erhalten werden.
(Vergleichsbeispiel)
Die Elektroschlacke-Oberflächenbehandlung wurde unter folgenden Betriebsbedingungen und mit folgendem
Werkstück durchgeführt.
A) Walzenwerkstück
Der Durchmesser und die Länge des Walzenwerkstückkörpers, der einer Oberflächenbehandlung
zu unterziehen war, betrug 280mm bzw. 1500mm.
Die Länge des gesamten Walzenwerkstücks war 2600mm. Die Zusammensetzung des Walzenwerkstücks war 0,4%C,
1 % Ni und 0,5% Mo; der Rest war hauptsächlich Fe.
B) Form
Der innere Durchmesser der Form betrug 440mm und damit der Oberflächenbehandlungsradius 80mm.
130039/1009
C) Elektroden
Es wurden 15 Flux-Kern-Elektroden mit einem Durchmesser
von 3,2mm und einer Zusammensetzung von 1,2%C, 1%Ni, 1% Cr verwendet, wobei der Rest Fe
war.
D) Geschmolzenes Metall
Es wurde ein geschmolzenes Metall, das die gleiche Zusammensetzung wie die Elektrode aufwies, auf die
Schlackeschicht an einer Stelle der Schlackeschicht aufgebracht. Die Zugabegeschwindigkeit betrug 9 Kg/min.
E) Flux (Schlacke)
Der Hauptbestandteil war CaF2-CaO-SiO2-TiO2
15
F) Stromstärke
400 A χ .15 Elektroden
G) Spannung
40 Volt an jeder Elektrode
H) Rotationsgeschwindigkeit des Walzenwerkstücks 2 U/min
Die Ergebnisse der Oberflächenbehandlung zur Herstellung
eines Verbundbauteils unter den vorstehenden Bedingungen waren folgendermaßen.
I) Stromdichte im Schlackebad
6,6 A/cm2
30
30
130039/1009
J) Schweißgeschwindigkeit
17mm/min
17mm/min
K) Metallzugabeverhältnis t]
75%
75%
L) Schweißzeit
130 min
130 min
M) Schmelzpenetration des Walzenwerkstücks etwa 35mm, was einem Penetrationsverhältnis
von 0,30 entspricht.
N) Tiefe des Metallbades
81mm, was einem Metallbadverhältnis von 0,7 entspricht.
Die erhaltene zusammengesetzte oder Verbundwalze wurde geschnitten, um ihre Struktur zu untersuchen,
wobei während des Oberflächenbehandlungsvorgangs keine Bildung einer heterogenen Struktur festgestellt
werden konnte.
ο ς Beispiel 3
Die Elektroschlacke-Oberflächenbehandlung wurde unter
folgenden Betriebsbedingungen und mit folgendem Werkstück durchgeführt.
130039/1009
A) Walzenwerkstück
Der Durchmesser und die Länge des Walzenwerkstückkörpers, der einer Oberflächenbehandlung
zu unterziehen war, betrug 685 bzw. 2200mm. Die Länge des gesamten Werkstücks war 4500mm.
Die Zusammensetzung des Walzenwerkstücks war 0,8%C,1% Cr und 0,3% Mo; der Rest war hauptsächlich
Fe.
B) Form
Der innere Durchmesser der Form betrug 872mm und damit der Oberflächenbehandlungsradius 92 mm.
C) Elektroden
Der Querschnitt jeder der sechs Elektroden betrug 50mm χ 80mm. Die Zusammensetzung der Elektroden
war 1#6%C,2%Cr, 3% Ni und 1% Mo; der Rest war im wesentlichen Fe.
D) Geschmolzenes Metall
Geschmolzenes Metall, das die gleiche Zusammensetzung wie die sechs Elektroden aufwies, wurde
mit einer Geschwindigkeit von 20 Kg/min an einer Stelle der Schlackeschicht zugegeben.
E) Flux (Schlacke)
Die Hauptkomponenten waren
F) Stromstärke
2600 A χ 6 Elektroden
130039/1009
G) Spannung 30 Volt
H) Rotationsgeschwindigkeit des Walzenwerkstücks 1 U/min Die Ergebnisse der Oberflächenbehandlung zur Herstellung
einer Verbundwalze unter den. vorstehenden Bedingungen waren folgendermaßen.
I) Stromdichte im Schlackebad 7,0 A/cm2
J) Schweißgeschwindigkeit
13mm/min 15
K) Metallzugabeverhältnis f\ 84%
L) Schweißzeit 20' 170 min
M) Schmelzpenetration des Walzenwerkstücks
Etwa 10 mm, was einem Penetrationsverhältnis von 0,16 entspricht.
25
N) Tiefe des Metallbads 81mm, was einem Metallbadverhältnis von 1,1 entspricht.
130039/1009
Die erhaltene zusammengesetzte oder Verbundwalze wurde geschnitten, um ihre Struktur zu untersuchen,
wobei keine Bildung einer heterogenen Struktur bei dem Oberflächenbehandlungsvorgang festgestellt werden
konnte.
Die Erfindung, wie sie vorstehend beschrieben ist, ist beispielsweise in folgenden Fällen industriell
anwendbar.
A) Obwohl Elektroschlacke-Oberflächenbehandlungsverfahren
zylindrischer Bauteile in einer Anzahl von Patentschriften und anderer Druckschriften
beschrieben sind, weisen diese Verfahren bei der industriellen Herstellung zylindrischer Bauteile
Schwierigkeiten auf, vor allem weil die Qualität, die mit den herkömmlichen Verfahren im allgemeinen
erreicht wird, bei Betriebsbedingungen unter sehr hoher Beanspruchung nicht ausreicht.
Die Schwierigkeiten hinsichtlich der Qualität können zwar beseitigt werden, wenn die Elektroschlacke-Oberf
lächenbehandlungs vor richtung kompliziert, mit großen Abmessungen und kostspielig aufgebaut
wird, jedoch ist der Einsatz einer solchen Vorrichtung nicht mehr wirtschaftlich. Die Erfindung
beseitigt die vorstehend genannten Schwierigkeiten und stellt ein Elektroschlacke-Oberflächenbehandlungsverfahren
sowie eine Vorrichtung dafür zur Verfügung, das bzw. die in der Industrie* insbesondere
bei der Herstellung und der Erneuerung
130039/1009
von Walzwerkwalzen in der Metallindustrie Anwendung finden kann.
B) Es können zylindrische, zusammengesetzte oder
Verbundbauteile nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
bzw. mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung hergestellt werden.
C) Nach einem Merkmal der Erfindung kann eine oberflächliche, d.h. eine geringe Tiefe aufweisende
Schmelzpenetration, die auf ein minimales Ausmaß einstellbar ist, mit Vorteil zur Erneuerung
und zur Reparatur zylindrischer Verbundbauteile verwendet werden. Nach der Erfindung kann die
Schmelzpenetrxation auf ein Niveau eingestellt werden, das geringer ist als die Oberflächenschicht,
die auf dem Werkstück abgelagert worden ist, wobei das gleiche Oberflächenmetall wie diese
Schicht auf dem Werkstück abgelagert wird, während die Schmelzpenetration wie oben angegeben,
eingestellt wird.
130039/1009
Claims (27)
- Patentansprüche( 1-/Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Bauteils mit zylindrischer Oberfläche in vertikaler Richtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mehrphasen-Wechselstrom der Schlacke über mehrere abschmelzende, stangenförmige Elektroden mit großem Querschnitt zugeführt wird, und daß die Oberflächenbehandlung durchgeführt wird, während das Werkstück rotiert und der Oberfläche des Schlackenbades kontinuierlich geschmolzenes Metall zugesetzt wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei auf einem Werkstück ein Metall einer Art abgelagert wird, die gegenüber der des Werkstücks unterschiedlich ist,-2-15 130039/1009ORIGINAL INSPECTEDdadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Metall, das eine Zusammensetzung aufweist, die der des Oberflächenbehandlungsmetalls entspricht, der Oberfläche der geschmolzenen Schlacke kontinuierlich zugesetzt wird und das Metallzugabeverhältnis η(%), das durch den Anteil der zugesetzten Menge des geschmolzenen Metalls zu dem gesamten zugesetzten Metall bestimmt wirdη = 98 - 4,3pist, wobei ρ die Stromdichte in dem Schlackebad in A/cm2 ist.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeichnet, daß die Geometrie und die Anordnung der abschmelzenden Elektroden der Bedingung genügt, daß die radialen Abstände der abschmelzenden Elektroden von der Oberfläche des Werkstücks und der Innenoberfläche der Form weniger als 30mm betragen.
- 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n zeic hnet, daß diese Bedingung um die Form herum auf einer Länge von wenigstens 10%, bezogen auf die ümfangslänge der Form, erfüllt ist.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls in Bezug auf die An-Stiegsgeschwindigkeit des Metallbades derart gesteuert wird, daß die Anstiegsgeschwindigkeit pro Minute130039/1009 ~3~zwischen 7 und 25% des Spaltes zwischen der Form und dem Werkstück beträgt.
- 6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich. net, daß die Rotation der Form und die Rotation des Werkstücks synchronisiert sind.
- 7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeichnet, daß die abschmelzenden Elektroden einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
- 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die langen Seiten des viereckigen Querschnitts der abschmelzbaren Elektroden mit einem Radius gekrümmt sind, der dem Radius des Spaltes entspricht.
- 9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abschmelzenden Elektroden einen runden Querschnitt aufweisen.
- 10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die abschmelzenden Elektroden aus einer Eisen- oder Stahllegierung mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 1% bestehen.
- 11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeichnet, daß die Zusatzgeschwindigkeit-4-130039/1009des geschmolzenen Metalls zwischen 5 und 30 Kg/min beträgt.
- 12. Vorrichtung zur Elektroschlacke -Oberflächenbehandlung eines Werkstücks mit zylindrischer Oberfläche, gekennzeichnet durcheine Mehrphasen-Wechselstromquelle (11) mit Stermschaltungsausgang und konstanter Spannungscharakteristik, wobei das Werkstück (10) mit dem Nullpunkt der Sternschaltung elektrisch verbunden ist;einen Schleifring (45) zur Verbindung des Werkstücks (10) mit dem Nullpunkt der Sternschaltung (11);eine Form (17) zur Festlegung eines Oberflächenbehandlungsraumes, die in der Nähe des Werk-Stücks (10) angeordnet und mit Fortschreiten des OberflächenbehandlungsVorgangs nach oben bewegbar ist;mehrere abschmelzende, stangenförmige Elektroden (12) mit großem Querschnitt;eine Elektrodenbewegungseinrichtung zum gleichzeitigen Heben und Senken sämtlicher abschmelzender Elektroden (12);ein Gefäß (18) zum Zusetzen des geschmolzenen Metalls (13), das über dem Oberflächenbehandlungsraum angeordnet und mit Fortschreiten des Oberflächenbehandlungsvorgangs nach oben bewegbar ist; undeine synchrone Rotationseinrichtung (21,22,26) zur synchronen Rotation der Form (17) und des Werkstücks (10) um die Achse des Werkstücks (10) während der Aufwärtsbewegung des Gefäßes (18) und der Form (17) (Fig. 10*und 11).-5-130039/1009,1« It Ii .-s-
- 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichne t durcheinen stationären Boden (31); Tragsäulen (34) auf dem stationären Boden (31); einer Plattform (35), die an dem oberen Ende der Tragsäulen (34) getragen wird; einem an dem stationären Boden (31) drehbar angeordneten Drehtisch (19); und einer Halteeinrichtung (32) , die mit der Plattform (35) in Wirkverbindung steht, wobei das Werkstück (10) zwischen der Halteeinrichtung (32) und dem Drehtisch (19) vertikal gehalten ist.
- 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennze lehnet durcheinen vertikal bewegbaren Boden (33) , der entlang der Tragsäulen (34) geführt ist und der die gleichzeitige vertikale Bewegung der Form (17) und des Gefäßes (18) bewirkt; und eine Antriebseinrichtung für diesen vertikal bewegbaren Boden (33).
- 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch g e kennzeic hnet, daß die Antriebseinrichtung an der Plattform (35) angeordnet ist.
- 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine einzige vertikal bewegbare Elektrodenha1teeinrichtung (43) , an der sämtliche abschmelzenden Elektroden (12) befestigt sind.-6-130039/1009
- 17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeic hnet durch eine Antriebseinrichtung zur vertikalen Bewegung der vertikal bewegbaren Elektrodenhalteeinrichtung (43) , welche Antriebseinrichtung an der Plattform (35) angeordnet ist.
- 18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeic hnet, daß der Schleifring(45) um den Drehtisch (19) herum angebracht ist.
- 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (18) horizontal in radialer Richtung gegenüber der Achse des Werkstücks (10) bewegbar ist.
- 20. Vorrichtung zur Elektroschlacke -Oberflächenbehandlung eines Werkstücks mit zylindrischer Oberfläche, g e kennzeichnet durch einen stationären Boden (17), einen Drehtisch (61), der an dem stationären Boden (17) angeordnet ist und der ein darauf vertikal angeordnetes Werkstück (50) trägt; eine Mehrphasen-Wechselstromquelle mit einem Sternschaltungsausgang und einer konstanten Spannungscharakteristik, wobei das Werkstück (50) mit dem Nullpunkt der Sternschaltung elektrisch verbunden ist; einen Schleifring zum Anschluß des Werkstücks(50) an den Nullpunkt der Sternschaltung ;-7-130039/1009eine Form (52)' zur Festlegung eines Oberflächenbehandlungsraumes, die in der Nähe des Werkstücks (50) angeordnet ist und mit Fortschreiten des Oberflächenbehandlungs-Vorgangs nach oben bewegbar ist; mehrere abschmelzende, stangenförmige Elektroden mit großem Querschnitt;eine Elektrodenbewegungseinrichtung zum gleichzeitigen Heben und Senken sämtlicher abschmelzender Elektroden;ein Gefäß zum Zusetzen eines geschmolzenen Metalls, das über dem Oberflächenbehandlungsraum angeordnet und mit Fortschreiten des Oberflächenbehandlungsvorgangs nach oben bewegbar ist;eine Einrichtung(53) zur Aufrechterhaltung der Wärme des oberflächenbehandelten Werkstücks (50); einen vertikal bewegbaren Boden (64), auf dem die Form (52), das Gefäß und die Heizeinrichtung(53) angeordnet sind; undeine synchrone Rotationseinrichtung (54,55,65) zur synchronen Rotation des Werkstücks (50), der Form (52) und der Heizeinrichtung(53) um die Werkstückachse während einer Aufwärtsbewegung des Gefäßes und der Form (52), welche synchrone Rotationseinrichtung auf dem vertikal bewegbaren Boden (64) ist und die Rotationsgeschwindigkeit des Gefäßes, des Werkstücks (50), der Form (52) und der Heizeinrichtung (53) synchronisiert (Fig.12)—8—130039/10093Q492S3
- 21. Vorrichtung nach Anspruch 20, gekennzeic hnet durcheinen drehbaren Anschluß mit einem oberen und einem unteren Anschlußstück (62,63) einschließlich Wasserleitungen, wobei das Werkstück (50) vertikal auf dem oberen Anschlußstück (62) angeordnet ist.
- 22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch g e kennzeichnet, daß die synchrone Rotationseinrichtung separate Motoren (55-1 und 54-1) zum Antrieb der Form (52) bzw. des Werkstücks (50) aufweist, welche Motoren elektrisch synchronisiert sind.
- 23. Vorrichtung zur Elektroschlacke-Oberflächenbehandlung eines Werkstücks mit zylindrischer Oberfläche, gekennzeichne t durch einen stationären Boden (17); einen drehbaren Anschluß, der drehbar an dem stationären Boden (17) angeordnet ist und Öffnungen zum Zu- und Abfluß des Kühlwassers aufweist;eine Mehrphasen-Wechselstromquelle mit einem Sternschaltungsausgang und einer konstanten Spannungscharakteristik, wobei das Werkstück (50) an den Nullpunkt der Sternschaltung elektrisch angeschlossen ist;einen Schleifring zum Anschluß des Werkstücks(50) an den Nullpunkt der Sternschaltung; eine Form (52) zur Festlegung eines Oberflächen-130039/1009 -9-behandlungsraumes, der in der Nähe des Werkstücks (50) angeordnet ist und mit Fortschreiten des Oberflächenbehandlungsvorgangs nach oben bewegbar ist;mehrere abschmelzende, stangenförmige Elektroden mit großem Querschnitt;eine Elektrodenbewegungseinrichtung zum gleichzeitigen Heben und Senken sämtlicher abschmelzender Elektroden;ein Gefäß zum Zusetzen eines geschmolzenen Metalls, das über dem Oberflächenbehandlungsraum angeordnet und mit Fortschreiten des Oberflächenbehandlungsvorgangs nach oben bewegbar ist; Schläuche (105), die verlängerbar sind, wenn die Form (52) sich aufwärts bewegt und die die Form (52) und die öffnungen des drehbaren Anschlusses verbinden; undeine synchrone Rotationseinrichtung zur synchronen Rotation des Werkstücks (50) und der Form (52) , ^n die Werkstücksachse während einer Aufwärtsbewegung des Gefäßes und der Form (52) (Fig. 14 und 15).
- 24. Vorrichtung nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch eine untere Halterung (96), die koaxial zur Rotationsachse des Werkstücks (50) verläuft und auf dem stationären Boden (17) mittels des drehbaren Anschlusses angebracht ist.-10-130039/1009
- 25. Vorrichtung nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch Trommeln oder Haspeln (104) für die Schläuche (105), die synchron mit der Rotation des Werkstücks (50) rotieren.
- 26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommeln oder Haspeln (104) an der unteren Halterung (96) befestigt sind.
- 27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Anschluß aus einem Außengehäuse (63-2) und einem inneren Drehstück (63- 1) besteht, welches innere Drehstück (63-1) an der unteren Halterung (96) befestigt ist und mit Hilfe der synchronen Rotationseinrichtung in Rotation versetzt wird.130039/1009
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