DE2143445C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von metallischen Blöcken - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von metallischen Blöcken aus festen oder flüssigen Ausgangsstoffen durch von unten aufsteigende Kristallisation in einer flüssigkeitsgekühlten Kokille mit ebenfalls flüssigkeitsgekühltem, von der Kokille abziehbarem Kokillenboden.

Ein solches "Verfahren wird stets dann angewandt, wenn metallische Blöcke beliebigen Querschnitts erzeugt werden sollen, deren Länge die der Gießform übersteigt. In derartigen Fällen wird der in Bildung begriffene Block nach Bildung einer erstarrten Oberfläche mit mehr oder weniger gleichförmiger Geschwindigkeit entweder nach unten aus der Kokille herausgezogen, oder die Kokille wird nach oben angehoben. Dies hat zur Folge, daß die frisch gebildete und noch auf hoher Temperatur befindliche Blockoberfläche der umgebenden Atmosphäre ausgesetzt wird, wo sie durch Strahlung und Konvektion sehr rasch weitere Wärme verliert.

Die Wärmeabfuhr erfolgt aber nicht nur von der zylindrischen oder prismatischen Oberfläche des Blocks, sondern zu einem beträchtlichen Teil auch über den flüssigkeitsgekühlten Kokillenboden, auf dem sich der Block infolge seines Eigengewichts abstützt. Die an dieser Stelle pro Zeiteinheit abgeführte Wärmemenge hängt jedoch wiederum von der Temperaturdifferenz und damit von der jeweiligen Blocklänge bzw. dem Abstand zwischen der noch schmeizflüssigen Blockobereke und S Blockfuß ab. Hieraus folgt, daß die Wärmeabfuhr über den Blockfuß während des Blockaufbaus nicht gleichmäßig verläuft, sondern daß vielmehr zu Beginn der Blockbildung ein sehr viel höherer Anteil der Wärme über den Blockfuß abgeführt wird als bei Fertiestellung des Blocks. Dabei verläuft der Temperaturgradient am Anfang sehr steil, gegen Ende des Schmclzens jedoch erheblich flacher. Man kann dies so auffassen, daß das Blockmaterial selbst als thermischer Isolator zwischen Schmelzsee und Kokillenboden dient.

Eine unterschiedliche Wärmeabfuhr ist jedoch sehr unerwünscht, insbesondere dann, wenn es sich um Blökke von relativ begrenzter Länge handelt, die mn einer sehr geringen Wachstumsgeschwindigkeit erzeugt werden Dies ist beispielsweise beim Erschmelzen großer Blöcke mittels des Elektroschlackeumschmelzverfahrens der Fall. Der Blockaufbau benötigt dabei eine beträchtliche Zeit: Für einen Block von etwa 200 Tonnen Gewicht werden etwa 200 Schmelzstunden angesetzt. Während der obere Teil des Blocks auf Schmelztemperatur gehalten wird, kühlt gemäß den obigen Ausführungen der untere Teil des Blockes ab. Blockgrößen der genannten Art werden vornehmlich für die Herstellung von Turbinenläufern benötigt, die aus speziellen Stahllegierungen, z.B. 28 Ni Cr Mo 74 (Werkstoff-Nr. 1 6589Ϊ bestehen. Für diese und ähnliche Stahllegierungen gibt es nun eine kritische Abkühlgeschwindigkeu unter eine bestimmte Grenztemperatur, die nicht überschritten werden darf. Andernfalls treten Risse im Block auf, die zu einer Verwerfung des Blockes führen.

Die Anfahrphase eines Elektroschlacke-Umschmelzprozesses verlangt aus bekannten Gründen einen wassergekühlten Boden, der dicht mit dem zylindrischen bzw prismatischen Kokillenmantel abschließen muß. Dieser Kokillenboden hat auf Grund der Wasserkühlung und der Materialbeschaffenheit - er besteht in der Regel aus einer hohlen Kupferplatte — die geschilderte Wirkung. Nach einer Reihe von Schmelzstunden, d. h. bei genügend großem Abstand zwischen Schmelzsee und "ßlockunterkante, kann im Bereich des Kokillenbodens die kritische Grenztemperatur unterschritten werden, so daß die gefürchteten Blockrisse auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den unterschiedlichen Einfluß des gekühlten Kokillenbodens während des Blockaufbaus einzuschränken und nach Möglichkeit ganz zu vermeiden. Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Wärmefluß vom Block zum Kokillenboden nach Ausbildung einer festen Blockunterseite sprunghaft verringert wird. Die Lehre gemäß der Erfindung kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden. Beispielsweise kann der Kokillenboden - zumind«. >t zeitweise - von der 31ockunterseite abgesenkt werden, wobei die Aufrechterhaltung der Stromzufuhr und die mechanische Abstützung durch einen Zapfen bewirkt werden, der zu Beginn des Umschmelzprozesses mit der sich bildenden Blockuntei seite vereinigt wurde. Der gekühlte Kokillenboden kann aber auch für eine sehr kur-r Zeitspanne von der Blockunterseite abgezogen und nach dem Einbringen einer isolierenden Zwischenlage, beispielsweise aus Asbest, wieder an die Blockunterseite angelegt werden. Auf besondere Mittel zur Abstützung des Blockes kann in diesem Falle verzichtet werden, da der Block durch unvermeidliche Reibungseinflüsse kurzzeitig von der Kokille gehalten wird. Die Unterbrechung der Stromzufuhr für wenige Sekunden kann als un-

schädlich angesehen werden. In Verbindung mit beiden Vorschlägen können zusätzlich Mittel vorgesehen werden, durch die der B'ock im Bereich seiner Unterseite zusätzlich beheizt wird. Als besonders geeignet hierfür hat sich ein gasbeheizter Ringbrenner erwiesen, der s den Block in der Nähe des Kokillenbodens ringförmig umgibt.

Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung wird unmittelbar nach der Absenkung des gekühlten Kokillenbodens gegenüber dem Block der Wärmefluß vom Block zum Kokillenboden eingedämmt. Dabei sorgt der Wärmefluß von der schmelzflüssigen Zone des Blockes zu dessen Bodenzone auf Grund der Leitfähigkeit des Metalls dafür, daß der Unterteil des Blokkes mit Sicherheit sehr lange eine Temperatur behält, die oberhalb der kritischen Grenztemperatur liegt. Bei Verwendung eines Zapfens, der mit dem Block in der Anfahrphase vereint wird, stellt sich ein unzulässig hoher Temperaturgradient nur an diesem Zapfen ein. Dies ist jedoch unbedenklich, da der Zapfen gegenüber dem Block einen erheblich geringeren Querschnitt hat, so daß hierdurch der Wärmefluß begrenzt wird. Außerdem ist der Zapfen kein Bestandteil des Blockes; er wird vielmehr nach dessen Fertigstellung abgetrennt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gemäß der weiteren Erfindung gekennzeichnet durch eine mit einem Antrieb in Verbindung stehende Plattform für die Herbeiführung der Absenkbewegung des Blocks und durch einen an der Plattform eingebrachten Kokillenboden sowie durch Mittel zur Veränderung des Abstandes »31« zwischen Plattform und Kokillenboden.

Um eine sichere Abstützung des Blocks auf der Plattform über einen längeren Zeitraum zu gewährleisten, wird ferner vorgeschlagen, daß der Kokillenboden mit mindestens einer Öffnung für den Durchtritt eines mit dem Block zu vereinigenden Zapfens versehen ist. Dieser Zapfen, der beispielsweise vor Beginn des Umschmelzens in die Vorrichtung eingesetzt wird, stützt sich einerseits auf der Plattform ab und ragt andererseits durch den Kokillenboden in den Kokilleninnenraum hinein. Er dient neben der rein mechanischen Abstützung auch zur Zuführung des Schmelzstromes zum Block.

Bei besonders zeitaufwendigen Umschmelzprozessen kann es vorkommen, daß sich die Temperaturen in der Bodenzone des Blocks wieder der kritischen Grenztemperatur nähern, weil die Wärmezufuhr vom Schmelzsee den Wärmeverlust über die aus der Kokille herausragende Oberfläche nicht mehr kompensieren kann. Um dies zu vermeiden, wird gemäß de>^r weiteren Erfindung eine Einrichtung vorgeschlagen, die in den Raum zwischen K.okillenmantel und Kokillenboden einbringbar ist und zur äußeren Beheizung des Blocks von seiner Unterkante her dient. Der verminderte Wärmeabfluß zwischen Blockunterseite und (abgesenktem) Kokillenboden verhindert dabei auch, daß ein Teil der durch die Zusatzheizung aufgebrachten Wärmemenge unmittelbar durch den Kokillenboden wieder abfließt.

Der absenkbare Kokillenboden wird nach Beendigung des Schmelzprozesses wieder angehoben und übernimmt hierdurch die Unterstützung des Blockes, so daß die Kokille zum Zwecke einer Entnahme des fertigen Blockes bis über dessen Oberkante angehoben werden kann. Hierbei empfiehlt sich ebenfalls eine thermisch isolierende Zwischenlage.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine hierfür vorgesehene Vorrichtung seien nachfolgend an Hand der F i g. 1 und 2 näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Elektroschla!*- ke-Umschmelzanlage kurz nach Bildung eines festen Blockunterteils und

F i g. 2 die gleiche Anlage nach längerer Schmelzdauer mit bereits abgesenktem Kokillenboden.

In F i g. 1 ist mit 1 eine Abschmelzelektrode aus einer für Turbinen-Läufer geeigneten Legierung bezeichnet, die mittels einer Zugstange 2 an einem Ausleger 3 einer Elektrodenhaltevorrichtung befestigt ist. Der Ausleger 3 ist längsverschieblich an einer senkrechten Führungssäule 4 befestigt und mittels einer Gewindespindel 5 in vertikaler Richtung bewegbar. Zu diesem Zweck befindet sich im Ausleger 3 eine Spindelmutter 6. Die Gewindespindel 5 wird an ihrem oberen Ende von einem Lager 7 aufgenommen, das mittels einer Traverse 8 an der Führungssäule 4 befestigt ist. Das untere Lager 9 der Gewindespindel befindet sich in einem Getriebekasten 10, in dem die Drehzahl eines Antriebsmotors 11 auf einen geeigneten Wert untersetzt wird. Die Teile 2 bis 11 stellen die sogenannte Elektrodenvorschubeinrichtung dar.

Die Abschmelzelektrode 1 befindet sich zumindest mit einem Teil ihrer Länge innerhalb einer Kokille 12, die aus einer Kokillenwand 13 in Form eines zylindrischen Hohlmantels mit Anschlußstutzen 14 für Ein- und Austritt einer Kühlflüssigkeit 15 besteht. In der Kokille 12 befindet sich während der ersten Schmelzphase, in der die Vorrichtung dargestellt ist, eine flüssige Schlakkeschicht 16, in welche die Abschmelzelektrode 1 in geringem Maße eintaucht. Die Elektrode schmilzt tropfenweise durch die Schlackeschicht 16 ab, sammelt sich darunter in einem Schmelzsee 17, der nachfolgend durch Wärmeentzug zu einem Schmelzblock 18 aufwächst. Für den unteren Abschluß der Kokillenwand ist ein flüssigkeitsgekühlter Kokillenboden 19 vorgesehen, der über Hydraulikzylinder 20 und Kolbenstangen 21 von einer Plattform 22 getragen wird. Unter »Plattform« soll in diesem Zusammenhang nicht nur ein ebenes Gebilde verstanden werden, sondern jede eine Bezugsebene bildende Einrichtung, zwischen welcher und der Kokillenwand 13 eine Relativbewegung möglich ist. Zu Beginn des Umschmelzen hat der Kokillenboden 19 von der Plattform 22 einen zunächst gleichbleibenden Abstand »ai«.

Die Plattform besitzt eine Reihe von Spindelmuttern 23, welche mit Gewindespindeln 24 zusammenwirken. Der Antrieb der Gewindespindeln erfolgt über Getriebe 25, die über eine durchgehende Welle 26 verbunden sind, die ihrerseits von einem Antriebsmotor 27 in Drehung versetzt wird. Die Teile 23 bis 27 stellen den Antrieb der Plattform 22 dar.

Der Kokillenboden 19 ist in seinem Zentrum mit einer kreisförmigen Öffrung versehen, die mit der Achse von Abschmelzelektrode 1 und Kokillenwand 13 fluchtet. In dieser öffnung befindet sich ein zylindrischer Zapfen 28, der vor dem Start eingesetzt wurde und sich mit seinem unteren Ende auf der Plattform 22 abstützt. In der (nicht dargestellten) Slurtphase des Umschmelzprozesses findet eine innige Verschmelzung der Oberseite des Zapfens 28 mit der Unterseite des Blocks 18 statt, wobei die ungefähre Grenze durch die gestrichelte Linie 28 dargestellt ist. Block 18 und Zapfen 28 stellen infolgedessen eine Einheit dar. Die Zuführung des Schmelzstroms erfolgt einerseits über eine Leitung 30 zur Plattform 22 und von hier über den Zap-

fen 28 zum Block 18 und andererseits über ein flexibles Kabel 31, eine Klemme 32 und die Zugstange 2 zur Abschmelzelektrode 1. In F i g. 1 ist die Vorrichtung zu einem Zeitpunkt dargestellt, in dem sich ein Teil des Blockes 18 bereits gebildet hat, welcher die Kokille auch ohne den Abschluß durch den Kokillenboden 19 nach unten abdichtet. Es kann jetzt damit begonnen werden, den Block 18 zusammen mit dem Kokillenboden 19 mittels der Plattform 22 mit einer Geschwindigkeit abzusenken, die der Wachstumsgeschwindigkeit des Blocks innerhalb der Kokille entspricht.

F i g. 2 zeigt die Vorrichtung nach Ablauf einer erheblichen Schmelzzeit, d. h. zu einem Zeitpunkt, zu dem sich bereits ein größerer Teil des Blocks gebildet hat. Gleiche Teile sind — soweit dies zum Verständnis notwendig ist — mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zusätzlich zur Absenkung der Plattform 22 hat jedoch außerdem eine Absenkung des Kokillenbodens 19 gegenüber der Plattform auf das geringere Maß »am stattgefunden, so daß sich zwischen der Unterseite des Blocks 18 und dem Kokillenboden ein ringförmiger Luftspalt 33 gebildet hat, durch den die Verbesserung der thermischen Isolation zwischen Block und Kokillenboden bewirkt wird. Die weitere Absenkung der Plattform 22 erfolgt nunmehr bei gleicher räumlicher Lage von Kokillenboden 19 und Plattform 22 zueinander. Hierbei stützt sich der Block 18 auf der Plattform 22 lediglich über den Zapfen 28 ab, der auch die Zufuhr des Schmelzstroms aufrechterhält. Irr. Raum zwischen Kokillenwand 13 mit Kokillenboden 19 befindet sich eine Wärmequelle 34 in Form eines Ringgasbrenners zur Beheizung des Blockes. Die Wärmequelle wird zweckmäßig zweiteilig ausgeführt, so daß sie nachträg· lieh in die dargestellte Position gebracht werden kann. Es ist dabei denkbar, sie zusammen mit der Plattform 22 abwärts zu bewegen und nach und nach weitere Wärmequellen in den sich ständig vergrößernden Zwischenraum zwischen Kokillenwand 13 und Kokillenbo-

■5 den 19 einzubringen. Die räumliche Lage der Wärmequelle bzw. der Wärmequellen innerhalb dieses Raumes kann jedoch auch variabel gestaltet werden.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht auf Elektroschlacke-Umschmelzprozesse beschränkt Es ist vielmehr in gleich vorteilhafter Weise auch bei Lichtbogen-Öfen, insbesondere bei Vakuum-Lichtbogenöfen einsetzbar, bei denen der Strangabzug in analoger Weise erfolgt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von metallischen Blöcken aus festen oder flüssigen Ausgangsstoffen, durch von unten aufsteigende Kristallisation in einer flüssigkeitsgekühlten Kokille mit ebenfalls flüssigkeitsgekühltem, von der Kokille abziehbarem Kokillenboden, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmefluß vom Block (18) zum Kokillenboden (19) nach Ausbildung einer festen Blockunterseite sprunghaft verringert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kokillenboden (19) mindestens zeitweise von der Blockunterseite entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Luftspalt (33) zwischen Blockunterseite und Kokillenboden (19) eine wärmeisolierende Zwischenlage eingebracht wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit einem Antrieb (23, 24, 25, 26, 27) in Verbindung stehende Plattform (22) für die Herbeiführung der Absenkbewegung des Blocks (18) und durch einen an der Plattform angebrachten Kokillenboden (19) sowie durch Mittel (20, 21) zur Veränderung des Abstandes »ai« zwischen Plattform und Kokillenboden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kokillenboden (19) mit mindestens einer öffnung für den Durchtritt eines mit dem Block (18) zu vereinigenden Zapfens (28) versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine in den Raum zwischen Kokillenwand (13) und Kokillenboden (19) einbringbare Wärmequelle (34) zur Beheizung des Blocks (18).