EP1339885B2 - Verfahren zum herstellen von blöcken oder strängen aus metall durch abschmelzen von elektroden sowie vorrichtung zu dessen durchführung - Google Patents
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- EP1339885B2 EP1339885B2 EP01993711A EP01993711A EP1339885B2 EP 1339885 B2 EP1339885 B2 EP 1339885B2 EP 01993711 A EP01993711 A EP 01993711A EP 01993711 A EP01993711 A EP 01993711A EP 1339885 B2 EP1339885 B2 EP 1339885B2
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
- C22B9/16—Remelting metals
- C22B9/18—Electroslag remelting
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D23/00—Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00
- B22D23/06—Melting-down metal, e.g. metal particles, in the mould
- B22D23/10—Electroslag casting
Definitions
- the invention relates to a method for producing blocks or strands of metal - in particular of steels and Ni and Co base alloys - by melting self-consuming electrodes in an electrically conductive slag bath using alternating or direct current in a short, downwardly open water-cooled mold, via which a current contact is made to the slag bath and which is associated with a bottom plate.
- the invention covers an apparatus for carrying out this method.
- the value of 70% can hardly be undershot in the conventional ESU process, because then the power supply from the Abschmelzelektrode must be greatly reduced in the slag, which is a low temperature of the slag and subsequently a poor, often rillige surface of the remelt entails. If too low power supply slag bath then often forms a thick slag coat between the block and mold, which in turn hinders the heat dissipation from the block surface, so that the desired flat melt sump can not be achieved again.
- the slag bath temperature and the meltdown rate are - and in context so that sump depth as well as formation of the surface - are closely linked and can not be controlled and controlled independently of each other and separately.
- Another way to increase slag bath temperature is to remelt smaller diameter electrodes.
- the end face of the electrode immersed in the slag bath is smaller, so that a comparatively hotter slag bath is needed to achieve the desired melting rate.
- the use of small diameter electrodes results in an increased heat concentration in the center of the block, which can result in a V-shaped sump with increased tendency to segregation.
- the DE 196 14 185 C the Applicant describes a short, water-cooled, downwardly open mold for the ESU process or continuous casting process, in which the meniscus of the casting mirror is covered by an electrically conductive slag and which does not contain directly water-cooled, current-conducting elements in the region of the slag bath above the casting mirror, via which a contact to a power source can be produced.
- materials for these current-conducting elements graphite or a refractory metal - for example, W, Mo, Nb od. Like. - Used.
- the current-conducting elements can be electrically insulated from the water-cooled part as well as from one another by non-water-cooled, non-conductive elements, for example made of ceramic.
- the materials used for these current-conducting elements are graphite or a refractory metal, for example W, Mo, Nb or the like.
- the current-conducting elements can be electrically insulated from the water-cooled part and from one another by non-water-cooled elements which are not made of ceramic, such as ceramic.
- a potential difference should be set which is small enough to avoid so-called flashovers, which in themselves are caused by the fact that a potential difference builds up between the mold and the block and the slag skin adhering to the block is not always and not at all Represent a sufficient resistance to a current transfer between mold wall and block surface represents.
- a partial flow is to be directed from the mold directly back to the power supply, although the discharge of all the current across the block and electrode would give a better result in terms of desulfurization.
- a potential difference should be set which is small enough to avoid so-called flashovers, which in themselves are caused by the fact that a potential difference builds up between the mold and the block and the slag skin adhering to the block is not always and not at all Represent a sufficient resistance to a current transfer between mold wall and block surface represents.
- a partial flow is to be directed from the mold directly back to the power supply, although the discharge of all the current across the block and electrode would give a better result in terms of desulfurization.
- the inventor has set the goal of being able to control the melting rate of the electrode independently of the temperature of the slag bath and at the same time to ensure a good block surface.
- the Abschmelzelektrode can be completely de-energized. But it is also possible to lead a partial flow through the electrode.
- the Umschmelzblöcke formed in the lower part of the mold can be pulled out of this either down or the mold is raised in the manner in which the block standing on a bottom plate grows.
- the present invention is therefore a process for the production of blocks or strands of metals, in particular of steels and Ni and Co base alloys by melting self-consuming electrodes in an electrically conductive slag bath in a short, downwardly open water-cooled mold over which in known manner, a current contact to the slag is produced, wherein the supplied melt stream controlled controllably introduced both via the Abschmelzelektrode and on the mold in the slag with respect to the distribution of the current between the electrode and mold and the return of the melt stream both on the mold and on optionally returning the block and bottom plate; the distribution of the streams is adjusted by means of a controlled control and constructed on the bottom plate block relative to the mold either by raising or lowering of the bottom plate moves and held the metal or slag in the mold.
- the proportion of current supplied via the consumable electrode can be from 0 to 100% of the total supplied melt stream.
- the proportion of the stream returned to the melt power supply via the bottom plate may also be 0 to 100% of the total melt flow returned.
- the short, electrically conductive mold can be permanently installed in a working platform and the remelting block can be pulled down.
- melt current supply a direct-current power source is used as the melt current supply
- the supply line with all the above-mentioned variants can be connected either as a cathode or as an anode by incorporating a pole-changing switch in each of the two melt current supplies.
- a short water-cooled mold with associated bottom plate and at least two provided in the slag bath current-conducting element is used, in which the supply of the melt stream of at least one power source to both the Abschmelzelektrode and at least one current-conducting element of the mold either individually or is jointly adjustable by a suitable control arrangement, and that the return line to the at least one power source of both at least one current-conducting element of the mold and the Umschmelzblock supporting movable in the longitudinal axis of the mold base plate is selectively adjustable either individually or jointly by a control arrangement.
- the power source may be a rectifier system whose polarity is reversible.
- insulating elements separate electrically conductive elements are arranged in a horizon of the mold.
- the distribution of the current intensities between the individual supply and return lines can be set by adjustable resistors.
- a water-cooled mold 10 with hollow annular mold body 12 is according to Fig. 1 from the bottom, on the one hand hollow - bottom plate 14 associated with the outer diameter is slightly shorter than the inner diameter d of the mold 10; the bottom plate 14 can be inserted so far into the mold opening or the inner mold cavity 11 of the height h for starting the plant, until it extends directly below the upper edge 13 of the Kokillenhohl stressess 12.
- a ring-like insulating member 16 On the upper edge 13 rests a ring-like insulating member 16 and on this one - also ring-like and / or formed of several parts - current-conducting element 18; The latter is electrically insulated from the - non-conductive the current - insulating elements 16 against the water-cooled lower portion 20 of the mold 10 and upwardly separated by an upper insulating member 16 a from a water-cooled hollow ring 22 as the upper region.
- the upper insulating 16 a is not absolutely necessary.
- the electrode 28 on the one hand and the bottom plate 14 on the other hand are connected via high current lines 32, 34 with one pole of a DC or AC source 36; from the line 32 branches off a high current line 32 a , which is connected at the other end to the current conducting element 18.
- the supply of the melt stream to the slag 24 takes place from that AC or DC source 36 - depending on the position of these connected by the lines 32, 32 a high current contacts 38, 39 - either only via the electrode 28 or only via the current-conducting element 18th the mold 10 or via electrode 28 and mold 10 at the same time, wherein the proportion of current flowing through the electrode 28 and the Stromleitelement 18 current through adjustable resistors 42 and 42 a - or other comparable in the effect facilities - set as desired can be.
- the return of the entire melt stream is carried out in this arrangement exclusively on the remelting block 30 and the lowerable bottom plate 14 through the return line 34th
- Fig. 2 In an inventive arrangement according to Fig. 2 is the mold 10 with at least two insulating elements 16, 16 a both against each other and against the lower portion 20 of the mold 10 and - here mandatory - against the upper portion 22 of the mold 10, namely those hollow ring 12, insulated Stromleitmaschinen 18, 18 a equipped.
- two partial circuit-shaped current-conducting elements 18, 18 a can be seen, which are separated from each other by correspondingly shaped insulating elements 16 b, forming a ring with them; - As described here - two or more lying at different potentials Stromleitieri 18, 18 a required, they can be formed in particular with molds 10 laid around a longitudinal axis A circular cross-section circular as a ring and arranged one above the other and through the between attached - also annular - insulating elements 16 against each other to be isolated.
- Fig. 4 an arrangement for carrying out a method with two parallel controllable current sources 36, 36 a for the melt power supply is shown.
- the supply of the melt stream of each of the two current sources 36, 36 a individually or collectively either only to the electrode 28 or only to the current-conducting Element 18 a - or to both together - done, depending on the position of the high-current switch 38, 38 a , 38 b and 39 in the lines 32 and 32 a and the high-current switch 38 b in the branch line 32 n between the power source 36 a and electrode 28.
- the return of the melt stream can also be done individually or jointly to one of the two current sources 36, 36a or to both together from the current element 18 in the mold 10 and / or the bottom plate 14, depending on the position of the arranged in the return line 34 and 35 high-current switch 40, 40 a and 41 or the high-current switch 40 b in a return line 34 to the second current source 36 a connecting branch line 34 n .
- Table 1 The switching options that allow this arrangement when using alternating current, are summarized in Table 1 below. Their revelation is of particular importance.
- Block & mold 38,39,38a / 40,41,40a 38b / 40b 10 36a electrode block 38,38b / 40,41a 39,38a / 41,40a 11 36a electrode mold 38,38b / 41,40b 39,38a / 40,40a 12 36a electrode Block & mold 38,38b / 40,41,40a 39,38a / 40a 13 36a mold block 39,38a, 38b / 40,40b 38 / 41,40a 14 36a mold mold 39,38a, 38b / 41,40b 38 / 40,40a 15 36a mold Block & mold 39,38a, 38b / 40,41,40b 38 / 40a 16 36a Electr. & Coke.
- the electrode and the slag bath can be protected against the ingress of air by gas-tight hoods (not shown here) which can also be sealed against the mold flange.
- gas-tight hoods not shown here
- the remelting under controlled atmosphere and exclusion of atmospheric oxygen take place, which also allows the production of ultrahigh remelting strands and prevents burning of oxygen-related elements.
- the entire melt stream was first passed over the electrode and remelted by the conventional ESU process until the slag mirror with the Kokillenring with the power supply line covered. Up to this point about 470 kg had melted away from the electrode.
- the melt rate was last 460 kg / h with a power supply to the slag bath of 450 kW, the current 8.0 kA at 58 V secondary voltage. From this point on, the mold stroke was adjusted so that the steel mirror was held about 30 to 50 mm below the insulation against the current-conducting ring of the mold and thus always in the region of the slag bath. After reaching the current-conducting ring, there was a division of the melt current between the current-conducting ring and the consumable electrode, at the same time the transformer voltage was lowered to 44 V.
- the current through the electrode went back to 6.1 kA, while a current flow through the mold of 11.4 kA was established.
- the corresponding active power amounted to 27 kW at the electrode and 385 kW via the mold.
- the melting rate decreased to 390 kg / h under these conditions. With these conditions was about 3.5 hours. melted.
- the energy supply to the electrode was switched off, so that the supply of the melt stream took place exclusively via the mold.
- the voltage at the transformer was again increased to 55 V, which resulted in an increase of the mold current to 13.9 kA.
- the power input to the slag bath was 480 kW, while at the same time the melting rate decreased to 275 kg / h.
- the block produced had a smooth surface over the entire length, and especially in the upper part, built up at a low melting rate, which had no grooves or overlaps.
- the structure of the block produced after forging was integrity over the entire length.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Blöcken oder Strängen aus Metall -- insbesondere aus Stählen sowie Ni-und Co-Basislegierungen -- durch Abschmelzen selbstverzehrender Elektroden in einem elektrisch leitenden Schlackenbad unter Verwendung von Wechsel- oder Gleichstrom in einer kurzen, nach unten offenen wassergekühlten Kokille, über welche ein Stromkontakt zum Schlackenbad hergestellt wird und der eine Bodenplatte zugeordnet ist. Zudem erfasst die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
- Beim Erzeugen von Umschmelzblöcken nach dem Verfahren des Elektroschlacke-Umschmelzens in Standkokillen -- aber auch in kurzen Gleitkokillen -- ist es üblich, je nach der Seigerungsanfälligkeit der umgeschmolzenen Legierung eine Abschmelzrate in Kilogramm (kg) je Stunde einzustellen, die bei Rundblöcken zwischen 70 % und 110 % des Blockdurchmessers in Millimetern (mm) beträgt. Bei vom Rundquerschnitt abweichenden Blockformen, wie Quadrat- oder Flachformaten kann mit einem äquivalenten Durchmesser gearbeitet werden, der sich aus dem Querschnittsumfang dividiert durch die Zahl Π (Pi) errechnet. Der untere Bereich wird vor allem bei stark seigernden Legierungen -- wie Werkzeugstählen oder hochlegierten Nickel Basislegierungen -- angewendet, bei welchen zur Vermeidung von Seigerungen ein flacher Metallsumpf angestrebt wird. Der Wert von 70 % kann beim konventionellen ESU-Verfahren aber kaum unterschritten werden, da dann die Leistungszufuhr von der Abschmelzelektrode in das Schlackenbad sehr stark reduziert werden muss, was eine niedrige Temperatur des Schlackenbads und in weiterer Folge eine schlechte, oft rillige Oberfläche des Umschmelzblocks zur Folge hat. Bei zu niedriger Leistungszufuhr Schlackenbad bildet sich dann vielfach auch ein dicker Schlackenmantel zwischen Block und Kokille, was wiederum die Wärmeabfuhr von der Blockoberfläche behindert, so dass der erwünschte flache Schmelzsumpf wiederum nicht erzielt werden kann. Andererseits kann aber auch bei wenig seigerungsempfindlichen Stählen und Legierungen ein Wert von 110 % beim konventionellen Elektroschlackeumschmelzen, dem sog. ESU-Verfahren, nicht überschritten werden, da sonst die Überhitzung des Schlackenbads zusammen mit der erhöhten Abschmelzrate einen für Umschmelzblöcke unzulässig tiefen Schmelzsumpf und damit eine unerwünscht grobe Blockstruktur -- verbunden mit Seigerungen -- zur Folge hat. Wie aus dem oben Gesagten leicht zu erkennen ist, sind beim konventionellen ESU-Verfahren, bei welchem der Schmelzstrom über die Abschmelzelektrode in das Schlackenbad geleitet sowie über den umgeschmolzenen Block und die Bodenplatte wieder abgeleitet wird, die Schlackenbadtemperatur und die Abschmelzrate -- und im Zusammenhang damit Sumpftiefe sowie Ausbildung der Oberfläche -- eng miteinander verknüpft und können nicht unabhängig voneinander sowie getrennt kontrolliert und gesteuert werden.
- Beim Herstellen von Umschmelzblöcken großen Durchmessers mit 1000 mm und darüber zeigt sich, dass die Einhaltung der oben angeführten gewünschten niedrigen Abschmelzraten vor allem bei Verwendung von Abschmelzelektroden großen Durchmessers, entsprechend 65 bis 85 % des Kokillendurchmessers, zu einer zu niedrigen Schlackenbadtemperatur führt, die ihrerseits dann eine schlechte, oftmals rillige Oberfläche am Umschmelzblock zur Folge hat. Erhöht man in diesem Fall die Leistungszufuhr zum Schlackenbad, so hat dies zwar eine Verbesserung der Blockoberfläche zur Folge, gleichzeitig erhöht sich dadurch aber die Abschmelzrate über die zulässige Grenze, was zu einem tieferen Schmelzsumpf und ungünstiger Erstarrung führt. Zu dieser Erhöhung der Abschmelzrate bei erhöhter Leistungszufuhr zum Schlackenbad kommt es deshalb, weil die Abschmelzelektrode einerseits der Energiezufuhr zum Schlackenbad dient, andererseits aber umso rascher abschmilzt, je mehr man die Energiezufuhr zum Schlackenbad erhöht. Die Elektrode muss dann mit der Geschwindigkeit in das Schlackenbad nachgeführt werden, mit der sie abschmilzt. Würde die Abschmelzelektrode nicht nachgeführt, so würde sie bis knapp oberhalb der Schlackenbadoberfläche abschmelzen, womit der elektrische Kontakt und damit die Leistungszufuhr zum Schlackenbad unterbrochen wären. Der Umschmelzprozess käme somit zum Erliegen.
- Ein anderer Wege, die Schlackenbadtemperatur zu erhöhen, besteht darin, Elektroden kleineren Durchmessers umzuschmelzen. In diesem Fall ist die in das Schlackenbad eintauchende Stirnfläche der Elektrode kleiner, so dass ein vergleichsweise heißeres Schlackenbad benötigt wird, um die erwünschte Abschmelzrate zu erreichen. Mit dieser Maßnahme kann zwar vielfach eine Verbesserung der Blockoberfläche erreicht werden, jedoch führt die Verwendung von Elektroden kleinen Durchmessers zu einer erhöhten Wärmekonzentration im Zentrum des Blockes, was einen V-förmig vertieften Sumpf mit erhöhter Seigerungsneigung zur Folge haben kann.
- All die o. a. Schwierigkeiten hängen ursächlich damit zusammen, dass einerseits die Abschmelzrate der Elektrode durch die über die Elektrode dem Schlackenbad zugeführte Energie kontrolliert wird und anderseits eben diese Energiezufuhr auch ausreichend sein muss, um den Schmelzsumpf bis zu seinem Rand hin ausreichend flüssig zu halten und ein zeitweiliges Fortschreiten der Erstarrung über den Meniskus des Schmelzsumpfes hinweg sicher zu verhindern. Kommt es nämlich aufgrund einer zu niedrigen Temperatur des Schlackenbades zeitweilig zu einem derartigen Erstarrungsfortschritt über den Meniskus hinweg, so hat dies die Ausbildung einer für die Weiterverarbeitung der Blöcke ungünstigen rilligen Oberfläche zur Folge.
- Der
EP 786 521 B1 - Die
DE 196 14 185 C der Anmelderin beschreibt eine kurze, wassergekühlte, unten offene Kokille für das ESU-Verfahren bzw. Stranggießverfahren, bei welcher der Meniskus des Gießspiegels durch eine elektrisch leitende Schlacke abgedeckt ist und die im Bereich des Schlackenbades oberhalb des Gießspiegels nicht direkt wassergekühlte, stromleitende Elemente enthält, über die ein Kontakt zu einer Stromquelle herstellbar ist. Als Werkstoffe für diese stromleitenden Elemente werden Graphit oder ein hochschmelzendes Metall -- beispielsweise W, Mo, Nb od. dgl. -- eingesetzt. In einer besonderen Ausführungsform können die stromleitenden Elemente gegenüber dem wassergekühlten Teil sowie gegeneinander durch nicht wassergekühlte, den Strom nicht leitende -- beispielsweise aus Keramik geformte -- Elemente elektrisch isoliert sein. - In der
SU-A-1 768 657 DE 196 14 182 C der Anmelderin beschreibt eine kurze, wassergekühlte, unten offene Kokille für das ESU-Verfahren bzw. Stranggießverfahren, bei welcher der Meniskus des Gießspiegels durch eine elektrisch leitende Schlacke abgedeckt ist und die im Bereich des Schlackenbades oberhalb des Gießspiegels nicht direkt wassergekühlte, stromleitende Elemente enthält, über die ein Kontakt zu einer Stromquelle herstellbar ist. Als Werkstoffe für diese stromleitenden Elemente werden Graphit oder ein hochschmelzendes Metallbeispielweise W, Mo, Nb od. dgl. eingesetzt. In einer besonderen Ausführungsform können die stromleitenden Elemente gegenüber dem wassergekühlten Teil sowie gegeneinander durch nicht wassergekühlte, den Strom nicht leitendebeispielsweise aus Keramik geformte -- Elemente elektrisch isoliert sein. In dieser Schrift wird auch auf ein abgewandeltes Elektroschlacke-Verfahren zum Strangschmelzen von kleinen strangähnlichen Querschnitten in entweder stranggußähnlichen geraden Kokillen oder in - zum Stand der Technik gehörenden - nach oben T-förmig erweiterten Kokillen hingewiesen, bei denen gegebenenfalls die für die gewünschte Abschmelzrate erforderliche Leistung bzw. Stromstärke über den Gießquerschnitt allein nicht abgeleitet werden kann, da es sonst zu einer Überhitzung des Metallsumpfes und weiterhin wieder zur Ausbildung einer ungünstigen Erstarrungsstruktur komme. Es wird erwähnt, dass man in Japan versucht habe, einen Teil des Stroms aus dem Schlackenbad über die Kokillenwand abzuleiten, wobei es allerdings zum Auftreten von Mikrolichtbögen zwischen dem Meniskus des Schlackenbads und der Kokillenwand komme. Dies führe zu einer Erosion des Kupfers der Kokille in der Höhe des Schlackenbades und damit zu einer erheblichen Verringerung der Kokillenstandzeit. - In der
SU-A-1 768 657 - Widerstand kontrollierbaren Teilstroms vom Schlackenbad über die Kokille zurück zu der als Gleichstromquelle ausgebildeten Stromquelle, die so angeordnet ist, dass die Abschmelzelektrode als Anode und der Umschmelzblock als Kathode geschaltet sind. Je größer der Anteil des über den Block abgeführten Teilstroms im Verhältnis zum gesamten über die Elektrode eingebrachten Strom ist, umso besser soll die Entschwefelung sein. Zwischen Block und Kokille soll eine Potentialdifferenz eingestellt werden, die klein genug ist, um sog. Überschläge zu vermeiden, die an sich dadurch bewirkt werden, dass sich eine Potentialdifferenz zwischen Kokille und Block aufbaut und die am Block anhaftende Schlackenhaut nicht immer und nicht an allen Stellen einen ausreichenden Widerstand gegen einen Stromübergang zwischen Kokillenwand und Blockoberfläche darstellt. Ein Teilstrom soll von der Kokille direkt zurück zur Stromversorgung geleitet werden, obwohl die Ableitung des gesamten Stroms über den Block und die Elektrode ein besseres Ergebnis hinsichtlich Entschwefelung bringen würde.
- In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, die Abschmelzrate der Elektrode unabhängig von der Temperatur des Schlackenbades kontrollieren zu können und gleichzeitig eine gute Blockoberfläche sicherzustellen.
- Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Anspruches; die Ünteransprüche geben günstige Weiterbildungen an.
- Die Lösung der oben umrissenen Aufgabe gelingt in überraschen einfacher Weise, wenn für das Umschmelzen selbstverzehrender Elektroden unter Schlacke eine an sich bekannte Kokille mit in die Kokillenwand im Bereich des Schlackenbades eingebauten und gegen den unteren, den Umschmelzblock formenden Teil der Kokille, elektrisch isolierten stromleitenden Elementen verwendet wird. Damit wird es möglich, einerseits durch Energiezufuhr über die Kokillenwand das Schlackenbad unabhängig vom Elektrodenvorschub zu beheizen, so dass der Metallsumpf bis zum Rand über den Meniskus hinweg flüssig gehalten werden kann. Anderseits kann die Abschmelzrate der verzehrbaren Elektrode in einfacher Weise durch die Vorschubgeschwindigkeit gesteuert werden, mit der sie in das überhitzte Schlackenbad nachgeschoben wird.
- Dabei kann die Abschmelzelektrode völlig stromlos sein. Es ist aber auch möglich, einen Teilstrom über die Elektrode zu führen. Die im unteren Teil der Kokille geformten Umschmelzblöcke können aus dieser entweder nach unten abgezogen werden oder die Kokille wird in der Weise angehoben, wie der auf einer Bodenplatte stehende Block wächst.
- Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist also ein Verfahren zur Herstellung von Blöcken oder Strängen aus Metallen, insbesondere aus Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen durch Abschmelzen selbstverzehrender Elektroden in einem elektrisch leitenden Schlackenbad in einer kurzen, nach unten offenen wassergekühlten Kokille, über welche in an sich bekannter Weise ein Stromkontakt zum Schlackenbad herstellbar ist, wobei der zugeführte Schmelzstrom sowohl über die Abschmelzelektrode als auch über die Kokille in das Schlackenbad hinsichtlich der Verteilung des Stroms zwischen Elektrode und Kokille kontrolliert regelbar eingeleitet und die Rückleitung des Schmelzstroms sowohl über die Kokille als auch über den Block und die Bodenplatte wahlweise rückgeführt wird; die Aufteilung der Ströme wird mittels einer Regelung kontrolliert eingestellt sowie der auf der Bodenplatte aufgebaute Block relativ zur Kokille entweder durch deren Anheben oder durch Absenken der Bodenplatte bewegt sowie der Metall- bzw. Schlackenspiegel in der Kokille gehalten.
- Zudem hat es sich als günstig erwiesen, dass der Anteil über die Abschmelzelektrode zugeführten Stroms bei 0 bis 100 % des gesamten zugeführten Schmelzstroms liegen kann. Der Anteil des über die Bodenplatte zur Schmelzstromversorgung zurückgeleiteten Stroms kann gleichfalls 0 bis 100 % des gesamten zurückgeleiteten Schmelzstroms betragen.
- Dieses hier vom Prinzip her geschilderte erfindungsgemäße Verfahren kann in vielfacher Weise an die Erfordernisse des Betreibers angepasst werden.
- So kann beispielsweise die kurze, stromleitende Kokille fest in eine Arbeitsbühne eingebaut sein und der Umschmelzblock nach unten abgezogen werden.
- Es kann aber auch der Block auf einer feststehenden Bodenplatte aufgebaut und die Kokille in der Weise angehoben werden, wie der Block anwächst. Das Abziehen des Blockes bzw. Anheben der Kokille können kontinuierlich oder schrittweise erfolgen.
- Als günstig hat es sich auch erwiesen, dass Zuleitung und Rückleitung für den Strom vertauscht werden, wobei insbesondere Gleichstrom eingesetzt wird. Zudem soll der entstehende Strang kontinuierlich oder aber schrittweise aus der Kokille abgezogen werden.
- Ferner besteht die Möglichkeit, die Kokille oszillieren zu lassen, was insbesondere bei einem kontinuierlichen Blockabzug von Interesse sein kann.
- Im Falle einer schrittweisen Blockabzugs- oder Kokillenhubbewegung kann zusätzlich an jeden Hubschritt unmittelbar ein Gegenhubschritt anschließen, wobei die Schrittlänge des Gegenhubschritts bis zu 60 % der Schrittlänge des Abzugshubschritts betragen kann.
- Wird erfindungsgemäß als Schmelzstromversorgung eine Gleichstromquelle benützt, so kann durch Einbau eines Polumschalters bei jeder der beiden Schmelzstromversorgungen die Zuleitung mit all den oben angeführten Varianten entweder als Kathode oder als Anode geschaltet werden.
- Auch hat es sich als günstig erwiesen, durch Auswechseln der Elektroden in den erfindungsgemäßen Anlagen in an sich bekannter Weise auch lange Umschmelzblöcke -- unabhängig von der Elektrodenlänge -- herzustellen.
- Im Rahmen der Erfindung wird eine kurze wassergekühlte Kokille mit zugeordneter Bodenplatte sowie mit zumindest zwei im Bereich des Schlackenbads vorgesehenen stromleitenden Element eingesetzt, bei der die Zuleitung des Schmelzstroms von mindestens einer Stromquelle sowohl zur Abschmelzelektrode als auch zu mindestens einem stromleitenden Element der Kokille entweder einzeln oder gemeinsam durch eine geeignete Regelungsanordnung gezielt einstellbar ist, und dass die Rückleitung zu der mindestens einen Stromquelle sowohl von wenigstens einem stromleitenden Element der Kokille als auch der den Umschmelzblock stützenden in Längsachse der Kokille bewegbaren Bodenplatte entweder einzeln oder gemeinsam durch eine Regelunganordnung gezielt einstellbar ist.
- Bevorzugt werden zwei voneinander unabhängig regelbare Stromquellen, deren eine an die Abschmelzelektrode angeschlossen ist, wohingegen die andere Stromquelle sowohl an die Abschmelzelektrode als auch an das stromleitende Element anschließt.
- Von der Stromquelle' soll jeweils eine Zuleitung zur Abschmelzelektrode und eine andere Zuleitung zum stromleitenden Element geführt sein oder es führen zur Stromquelle Rückleitungen von der Bodenplatte und dem stromleitenden Element. Die Stromquelle kann eine Gleichrichteranlage sein, deren Polung umschaltbar ausgebildet ist.
- Als günstig hat es sich erwiesen, dass in einem Horizont der Kokille mehrere durch Isolierelemente getrennte stromleitende Elemente angeordnet sind. Letztere bilden erfindungsgemäß mit den Isolierelementen einen Ring, wobei gegebenenfalls zwei stromleitende Elemente vorhanden sind, von denen eines an die Zuleitung und eines an die Rückleitung angeschlossen ist.
- Im Rahmen der Erfindung liegt auch, dass die Aufteilung der Stromstärken zwischen den einzelnen Zu- bzw. Rückleitungen durch regelbare Widerstände einstellbar ist.
- Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
- Fig. 1, 2, 4:
- jeweils einen Längsschnitt durch eine Gießeinrichtung für Metalle mit Kokille ; Zeichnung 2 ist gemäß der Erfindung.
- Fig. 3:
- einen vergrößerten Schnitt durch
Fig. 2 nach deren Linie III - III. - Einer wassergekühlten Kokille 10 mit hohlem ringförmigem Kokillenkörper 12 ist gemäß
Fig. 1 von unten her eineihrerseits hohle -- Bodenplatte 14 zugeordnet, deren Außendurchmesser geringfügig kürzer ist als der Innendurchmesser d der Kokille 10; die Bodenplatte 14 kann zum Anfahren der Anlage soweit in die Kokillenöffnung bzw. den Kokilleninnenraum 11 der Höhe h eingeschoben werden, bis sie unmittelbar unterhalb der Oberkante 13 des Kokillenhohlkörpers 12 verläuft. - Auf der Oberkante 13 ruht ein ringartiges Isolierelement 16 und auf diesem ein -- ebenfalls ringartig und/oder aus mehreren Teilen ausgebildetes - stromleitendes Element 18; letzteres ist von den -- den Strom nicht leitenden -- Isolierelementen 16 gegen den wassergekühlten unteren Bereich 20 der Kokille 10 elektrisch isoliert und nach oben hin durch ein oberes Isolierelement 16a von einem seinerseits wassergekühlten Hohlring 22 als oberem Bereich getrennt. Für die erfindungsgemäße Verwendung der hier beschriebenen Anlage ist das obere Isolierelement 16a allerdings nicht zwingend erforderlich.
- Auf der Bodenplatte 14 lagert -- unterhalb eines Schlackenbades 24 sowie eines von diesem überdeckten Sumpfes 26ein durch ein Umschmelzverfahren mit selbstverzehrbarer Elektrode 28 erzeugter, in jenem wassergekühlten unteren Bereich 20 der Kokille 10 geformter Umschmelz- oder Vorblock 30. Um den Prozess zu starten, kann beispielsweise flüssige Schlacke in den von der Kokille 10 und der Elektrode 28 begrenzten Kokillenspalt gegossen werden, bis der Schlackenspiegel 25 des entstehenden Schlackenbades 24 etwa die Oberkante des Stromleitelements 16a erreicht hat.
- Die Elektrode 28 einerseits sowie die Bodenplatte 14 anderseits sind über Hochstromleitungen 32, 34 mit je einem Pol einer Gleich- oder Wechselstromquelle 36 verbunden; von der Leitung 32 zweigt eine Hochstromleitung 32a ab, die andernends an dem Stromleitelement 18 angeschlossen ist. Die Zuleitung des Schmelzstroms zum Schlackenbad 24 erfolgt von jener Wechsel- oder Gleichstromquelle 36 -- je nach Stellung von an diese durch die Leitungen 32, 32a angeschlossenen Hochstromkontakten 38, 39 -- entweder nur über die Elektrode 28 oder nur über das stromleitende Element 18 der Kokille 10 oder aber über Elektrode 28 und Kokille 10 gleichzeitig, wobei der Anteil des über die Elektrode 28 bzw. das Stromleitelement 18 fließenden Stroms durch regelbare Widerstände 42 bzw. 42a -- oder andere in der Wirkung vergleichbare Einrichtungen -- nach Wunsch eingestellt werden kann. Die Rückleitung des gesamten Schmelzstroms erfolgt bei dieser Anordnung ausschließlich über den Umschmelzblock 30 und die absenkbare Bodenplatte 14 durch die Rückleitung 34.
- Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung nach
Fig. 2 ist die Kokille 10 mit mindestens zwei durch Isolierelemente 16, 16a sowohl gegeneinander als auch gegen den unteren Bereich 20 der Kokille 10 und -- hier zwingend -- gegen den oberen Bereich 22 der Kokille 10, nämlich jenen Hohlring 12, isolierten Stromleitelementen 18, 18a ausgerüstet.Fig. 3 lässt dazu zwei jeweils teilkreisförmige Stromleitelemente 18, 18a erkennen, die durch -- mit ihnen einen Ring bildende -- entsprechend geformte Isolierelemente 16b voneinander getrennt sind; werden -- wie hier beschrieben -- zwei oder mehrere auf verschiedenen Potentialen liegende Stromleitelemente 18, 18a benötigt, so können diese insbesondere bei Kokillen 10 mit um eine Längsachse A gelegtem kreisförmigem Querschnitt auch kreisförmig als Ring ausgebildet und übereinander angeordnet werden sowie durch die dazwischen angebrachten -- ebenfalls ringförmigen -- Isolierelemente 16 gegeneinander isoliert sein. - Erfolgt die Rückleitung über ein Stromleitelement 18 in der Kokille 10 und die Bodenplatte 14 gemeinsam, so ermöglichen regelbare Widerstände 44 und 44a in der die Bodenplatte 14 mit der Stromquelle 36 verbindenden Rückleitung 34 und einer die Stromquelle 36 an das/die Stromleitelement/e 18 anschließenden und an die Rückleitung 34 angefügten Leitung 35 -- oder eine andere in der Wirkung vergleichbare Einrichtung -- das Einstellen des über die Bodenplatte 14 rückfließenden Stromanteils.
- In
Fig. 4 wird eine Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens mit zwei parallel angeordneten regelbaren Stromquellen 36, 36a zur Schmelzstromversorgung dargestellt. Dabei kann die Zuleitung des Schmelzstroms von jeder der beiden Stromquellen 36, 36a einzeln oder gemeinsam entweder nur zur Elektrode 28 oder nur zum stromleitenden Element 18a -- oder zu beiden gemeinsam -- erfolgen, dies je nach Stellung der Hochstromschalter 38, 38a, 38b bzw. 39 in den Leitungen 32 bzw. 32a bzw. des Hochstromschalters 38b in der Zweigleitung 32n zwischen Stromquelle 36a und Elektrode 28. - Die Rückleitung des Schmelzstroms kann ebenfalls zu einer der beiden Stromquellen 36, 36a oder zu beiden gemeinsam vom Stromelement 18 in der Kokille 10 und/oder der Bodenplatte 14 einzeln oder gemeinsam erfolgen, dies je nach Stellung der in der Rückleitung 34 bzw. 35 angeordneten Hochstromschalter 40, 40a bzw. 41 oder des Hochstromschalters 40b in einer die Rückleitung 34 mit der zweiten Stromquelle 36a verbindenden Zweigleitung 34n. Die Schaltmöglichkeiten, die diese Anordnung bei Verwendung von Wechselstrom gestattet, sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengestellt. Deren Offenbarung ist von besonderer Bedeutung.
Tabelle 1 Schaltungsmöglichkeiten bei zwei Stromversorgungen und stromleitender Kokille Schaltung Transformator Zuleitung Rückleitung geschlossen Zu/Rück offen Zu/Rück 1 36 Elektrode Block 38,38b/40,40a 39,38b/41,40b 2 36 Elektrode Kokille 38,38b/41,40a 39,38b/40,40b 3 36 Elektrode Block & Kokille 38,38b/40,41,40a 39,38b/40b 4 36 Kokille Block 39/40,40a 38,38a,38b/41,4 5 36 Kokille Kokille 39/41,40a 38,38a,38b/40,4 6 36 Kokille Block & Kokille 39,40/41,40a 38,38a,38b/40 7 36 Elektr.& Kok. Block 38,39,38a/40,40a 38b/41,40b 8 36 Elektr.& Kok. Kokille 38,39,38a/41,40a 38b/40,40b 9 36 Elektr.& Kok. Block & Kokille 38,39,38a/40,41,40a 38b/40b 10 36a Elektrode Block 38,38b/40,41a 39,38a/41,40a 11 36a Elektrode Kokille 38,38b/41,40b 39,38a/40,40a 12 36a Elektrode Block & Kokille 38,38b/40,41,40a 39,38a/40a 13 36a Kokille Block 39,38a,38b/40,40b 38/41,40a 14 36a Kokille Kokille 39,38a,38b/41,40b 38/40,40a 15 36a Kokille Block & Kokille 39,38a,38b/40,41,40b 38/40a 16 36a Elektr.& Kok. Block 38,39,38a,38b/40,40b -/41,40a 17 36a Elektr.& Kok. Kokille 38,39,38a,38b/41,40a -/40,40a 18 36a Elektr.& Kok. Block & Kokille 38,39,38a,38b/40,41,40b -/40b 19 36 + 36a Elektrode Block 38,38a,38b/40,40a,40b 39/41 20 36 + 36a Elektrode Kokille 38,38a,38b/41,40a,40b 39/40 21 36 + 36a Elektrode Block & Kokille 38,38a,38b/40,41,40a,40b 39/- 22 36 + 36a Kokille Block 39,38a,38b/40,40a,40b 38/41 23 36 + 36a Kokille Kokille 39,38a, 38b/41, 40a,40b 38/40 24 36 + 36a Kokille Block & Kokille 39,38a,38b/40,41,40a,40b 38/- 25 36 + 36a Elektr. & Kok. Block 38,39,38a,38b/40,40a,40b -/41 26 36 + 36a Elektr. & Kok. Block 38,39,38b/40,40a,40b 38a/41 27 36 + 36a Elektr. & Kok. Kokille 38,39,38a,38b/41,40a,40b -/40 28 36 + 36a Elektr. & Kok. Kokille 38,39,38b/41,40a,40b 38a/40 29 36 + 36a Elektr. & Kok. Block & Kokille 38,39,38a,38b/40,41,40a,40b -/- 30 36 + 36a Elektr. & Kok. Block & Kokille 38,39,38b/40,41,40a,40b 38a/- - Die Elektrode und das Schlackenbad können durch hier nicht dargestellte gasdichte Hauben, die auch gegen den Kokillenflansch abdichtbar sind, gegen den Luftzutritt geschützt werden. Damit kann das Umschmelzen unter kontrollierter Atmosphäre und Ausschluss des Luftsauerstoff stattfinden, womit auch die Herstellung höchstreiner Umschmelzstränge ermöglicht und ein Abbrand sauerstoffaffiner Elemente vorhindert wird.
- An einer ESU-Anlage mit Hebekokillen 10 wurde ein Versuch gefahren, bei dem die Stromzufuhr zum Schlackenbad 24 sowohl über die Abschmelzelektrode 28 als auch die Kokille 10 sowie die Rückleitung über den Block 30 und die Bodenplatte 14 geführt wurden.
Kokille: Zylindrische Kokille mit 500 mm Durchmesser mit einem stromleitenden Ring im Bereich des Schlackenbads, der gegen den unteren Teil elektrisch isoliert war. Abschmelzelektrode: 320 mm Durchmesser Stahl Ck 45 - Nach dem Aufschmelzen von 75 kg Schlacke der Zusammensetzung 30 % CaO, 30 % Al2O3, 40 % CaF2 wurde zunächst der ge-samte Schmelzstrom über die Elektrode geführt und diese nach dem konventionellen ESU-Verfahren umgeschmolzen, bis der Schlackenspiegel den Kokillenring mit der Stromzuleitung bedeckte. Bis zu diesem Punkt waren etwa 470 kg von der Elektrode abgeschmolzen. Die Schmelzrate betrug zuletzt 460 kg/h bei einer Leistungszufuhr zum Schlackenbad von 450 kW, die Stromstärke 8,0 kA bei 58 V Sekundärspannung. Ab diesem Zeitpunkt wurde der Kokillenhub so eingestellt, dass der Stahlspiegel etwa 30 bis 50 mm unterhalb der Isolierung gegen den stromleitenden Ring der Kokille und dieser somit immer im Bereich des Schlackenbades gehalten wurde. Ab Erreichen des stromleitenden Rings kam es zu einer Aufteilung des Schmelzstroms zwischen stromleitendem Ring und Abschmelzelektrode, wobei gleichzeitig die Trafospannung auf 44 V abgesenkt wurde.
- In der Folge ging der Strom über die Elektrode auf 6,1 kA zurück, während sich ein Stromfluss über die Kokille von 11,4 kA einstellte. Die entsprechenden Wirkleistungen betrugen 27 kW an der Elektrode und 385 kW über die Kokille. Die Abschmelzrate ging bei diesen Bedingungen auf 390 kg/h zurück. Mit diesen Bedingungen wurde etwa 3,5 Stunden. geschmolzen. Anschließend wurde die Energiezufuhr zur Elektrode weggeschaltet, so dass die Zufuhr des Schmelzstroms ausschließlich über die Kokille erfolgte. Die Spannung am Transformator wurde wieder auf 55 V erhöht, was eine Erhöhung des Kokillenstroms auf 13,9 kA zur Folge hatte. Die Leistungszufuhr zum Schlackenbad stellte sich auf 480 kW ein, während gleichzeitig die Schmelzrate auf 275 kg/h zurückging.
- Nach weiteren zwei Stunden wurde die Stromzufuhr abgeschaltet und der Block aus der Anlage genommen. Der erzeugte Block wies über die gesamte Länge und insbesondere auch im oberen Teil, der mit niedriger Abschmelzrate aufgebaut wurde, eine glatte Oberfläche auf, die weder Rillen noch Überlappungen aufwies. Das Gefüge des erzeugten Blockes nach dem Schmieden war über die ganze Länge einwandfrei.
Claims (16)
- Verfahren zum Herstellen von Blöcken oder Strängen aus Metall, insbesondere aus Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen, durch Abschmelzen selbstverzehrender Abschmelzelektroden in einem elektrisch leitenden Schlackenbad unter Verwendung von Wechsel- oder Gleichstrom in einer kurzen, nach unten offenen wassergekühlten Kokille, über welche ein Stromkontakt zum Schlackenbad hergestellt wird und der eine Bodenplatte zugeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schmelzstrom sowohl über die Abschmelzelektrode als auch über die Kokille in das Schlackenbad eingeleitet wird, dass dabei die Verteilung des Schmelzstroms zwischen Abschmelzelektrode und Kokille kontrolliert geregelt wird und dass die Rückleitung des Schmelzstroms sowohl über die Kokille als auch über den Block und die Bodenplatte wahlweise durchgeführt wird, wobei die Aufteilung der Ströme mittels einer Regelung kontrolliert eingestellt sowie der auf der Bodenplatte aufgebaute Block relativ zur Kokille entweder durch deren Anheben oder durch Absenken der Bodenplatte bewegt sowie der Metall- bzw. Schlackenspiegel in der Kokille konstant gehalten wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der über die Abschmelzelektrode zugeführte Anteil des gesamten zugeführten Schmelzstroms zwischen 0 und 100 % gewählt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Bodenplatte zurückgeleitete Anteil des Schmelzstroms zwischen 0 und 100 % gewählt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Zuleitung und Rückleitung für den Strom vertauscht werden, wobei insbesondere Gleichstrom eingesetzt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der entstehende Strang kontinuierlich aus der Kokille abgezogen wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der gebildete Strang schrittweise aus der Kokille abgezogen wird.
- Verfahren nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Kokille eine oszillierende Bewegung ausgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass an jeden Hubschritt unmittelbar ein Gegenhubschritt in entgegen gesetzter Richtung anschließt, wobei die Hublänge des Gegenhubschritts höchstens 60 % der Hublänge des vorangegangenen Hubschritts beträgt.
- Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Herstellen von Blöcken oder Strängen aus Metall, insbesondere aus Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen, durch Abschmelzen selbstverzehrender Abschmelzelektroden (28) in einem elektrisch leitenden Schlackenbad (24), nach einem der voraufgehenden Patentansprüche, unter Verwendung einer kurzen wassergekühlten Kokille (10) mit zugeordneter Bodenplatte (14) sowie mit zumindest zwei im Bereich des Schlackenbads (24) vorgesehenen stromleitenden Elementen (18, 18a), die gegenüber dem unteren, den Umschmelzblock (30) formenden Bereich (20) der Kokille (10) und gegebenenfall gegen andere stromleitende Elemente isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (32, 32a) des Schmelzstroms von mindestens einer Stromquelle (36, 36a) sowohl zur Abschmelzelektrode (28) als auch zu mindestens einem stromleitenden Element (18) der Kokille (10) entweder einzeln oder gemeinsam durch eine geeignete Regelungsanordnung gezielt einstellbar ist, und dass die Rückleitung (34, 35) zu der mindestens einen Stromquelle sowohl von wenigstens einem stromleitenden Element (18a) der Kokille (10) als auch der den Umschmelzblock (30) stützenden in Längsachse (A) der Kokille (10) bewegbaren Bodenplatte (14) entweder einzeln oder gemeinsam durch eine Regelungsanordnung gezielt einstellbar ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch zwei Stromquellen (36, 36a), deren eine an die Abschmelzelektrode (28) angeschlossen ist, wobei die andere Stromquelle (36a) sowohl an die Abschmelzelektrode als auch an das stromleitende Element (18a) angeschlossen ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch zwei voneinander unabhängig regelbare Stromquellen (36, 36a).
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass von der Stromquelle (36) jeweils eine Zuleitung (32) zur Abschmelzelektrode (28) und eine andere Zuleitung (32a) zum stromleitenden Element (18) geführt ist oder, dass zur Stromquelle (36) Rückleitungen (34, 35) von der Bodenplatte (14) und dem stromleitenden Element (18) führen.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Horizont der Kokille (10) mehrere durch Isolierelemente (16b) getrennte stromleitende Elemente (18, 18a) angeordnet sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die stromleitenden Elemente (18, 18a) mit den Isolierelementen (16b) einen Ring bilden, wobei gegebenenfalls zwei stromleitende Elemente (18, 18a) vorhanden sind, von denen eines an die Zuleitung (42a) und eines an die Rückleitung (35) angeschlossen ist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9, 10 oder 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Stromstärken zwischen den einzelnen Zu- bzw. Rückleitungen (32, 32a; 35) durch regelbare Widerstände (42, 42a; 44, 44a) einstellbar ist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, gekennzeichnet durch Gleichrichteranlagen als Stromquelle/n (36, 36a), deren Polung umschaltbar ausgebildet ist.
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