[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Blöcken aus Metallen, insbesondere
aus Stählen nach dem Prinzip des wachsenden Blockes durch Abschmelzen verzehrbarer
Elektroden in kurzen wassergekühlten Gleitkokillen durch Elektronenstrahl, Plasma,
Lichtbogen oder insbesondere auch in Elektroschlackeumschmelzanlagen.
[0002] Die dabei verwendeten Gleitkokillen werden entsprechend dem nach oben wachsenden
Block nach oben bewegt, bzw. es wird der wachsende Block relativ zur feststehenden
Gleitkokille nach unten bewegt. Dabei kann die Bewegung der Gleitkokille oder des
Blockes kontinuierlich oder schrittweise erfolgen.
[0003] Während Vakuumlichtbogenöfen mit selbstverzehrenden Elektroden ausschließlich mit
Standtiegeln betrieben werden, wird bei Elektronenstrahlöfen und Plasmaumschmelzanlagen
vorzugsweise mit Blockabzugsvorrichtungen gearbeitet, wobei die aufgebauten Blöcke
sowohl kontinuierlich als auch schrittweise aus den Kokillen abgezogen werden.
[0004] Elektroschlacke-Umschmelzanlagen (ESU) waren ursprünglich mit Standkokillen ausgerüstet,
bei welchen die maximale Blocklänge durch die Kokillenlänge begrenzt war. Die Beschränkung
und die hohen Kosten für die langen Standkokillen führten bald zur Entwicklung von
ESU-Anlagen mit kurzen Gleitkokillen, welche die Herstellung relativ langer Umschmelzblöcke,
unabhängig von der Kokillenlänge ermöglichten. Im Zusammenhang damit kam es auch zur
Entwicklung der Elektrodenwechseltechnik, mit Hilfe derer mehrere Abschmelzelektroden
hintereinander abgeschmolzen werden konnten. Damit war die Herstellung langer ESU-Blöcke
unabhängig von der Länge der Abschmelzelektrode und der Länge der Kokille möglich
geworden.
[0005] Um lange ESU-Blöcke herzustellen muß nun entweder bei feststehender Bodenplatte.die
wassergekühlte Kokille in dem Maße nach oben bewegt werden, wie der Block durch Abschmelzen
der Elektrode aufgebaut wird, um den Metall-und Schlackenspiegel in der kurzen Kokille
auf annähernd gleichem Niveau zu halten. Eine andere, ebenfalls angewandte Möglichkeit
ist es die kurze Kokille fest in die Anlagenstruktur einzubauen und die Bodenplatte
mit dem darauf aufgebauten Block entsprechend der Wachstumsgeschwindigkeit des Blockes
abzusenken, so daß wieder das Niveau von Schlacke und Metall in der Kokille annähernd
konstant gehalten wird.
[0006] Die mittlere Geschwindigkeit des Kokillen- oder Bodenplattenhubs wird dabei vielfach
so gewählt, daß sie möglichst genau der Blockwachstumsgeschwindigkeit des Blokkes
entspricht und somit mit einer annähernd gleichmäßigen und konstanten Block- oder
Kokillenabzugsgeschwindigkeit gearbeitet wird.
[0007] Bei anderen Verfahrensweisen werden Kokillen bzw. Block schrittweise mit einer höheren
Geschwindigkeit abgezogen als es der Blockaufbaugeschwindigkeit entspricht, so daß
die Kokille dem Niveau des Schlacken- bzw. Metallspiegels vorauseilt, worauf anschließend
die Bewegung solange unterbrochen wird, bis der Schlackenspiegel wieder das ursprüngliche
Niveau erreicht hat. Anschließend erfolgt ein weiterer Abzugsschritt, der wieder von
einer Pause gefolgt wird.
[0008] Diese Verfahrensvarianten bringen bei der Herstellung von Blöcken im Durchmesserbereich
bis etwa 700 mm relativ gute Ergebnisse und werden auch für Blöcke mit größeren Durchmessern
angewendet. Bei der Herstellung von Blöcken mit größeren Durchmessern treten jedoch
fallweise Schwierigkeiten auf, welche sich in der Ausbildung schlechter und schuppiger
Blockoberflächen äußern und in ungünstigen Fällen auch zum Auslaufen von Metall- und
Schlacke führen.
[0009] Diese Probleme werden bei der Herstellung von mittel- und hochlegierten Werkzeugstählen
relativ selten beobachtet. Bei niedriggekohlten austenitischen, ferritischen und martensitischen
Stählen, aber auch bei niedriggekohlten Kohlenstoffstählen und niedriglegierten Stählen
kommen diese Erscheinungen immer wieder vor und haben erhebliche Störungen in der
Produktion zur Folge.
[0010] Vielfach behilft man sich damit die Abschmelzrate einzuschränken, was einen nachteiligen
Einfluß auf die Produktionsleistung der Anlage hat. Es wurde auch vorgeschlagen die
Schlackenmengen zu erhöhen, was ebenfalls eine nachteilige Auswirkung auf die Produktionskosten
hat. Vielfach beschränkt man sich auch auf die Herstellung nur kurzer Blökke oder
weicht überhaupt wieder auf die herkömmlichen Standkokillen aus.
[0011] Alles in allem ist jedenfalls die Herstellung einer Reihe von Stahlqualitäten, wenn
Blockdurchmesser über 700 mm benötigt werden, in kurzen Gleitkokillen mit immer wieder
auftretenden, unvermeidlichen Schwierigkeiten verbunden, die eine ständige genaue
Überwachung erforderlich machen, ohne daß damit dieses Problem sicher gelöst werden
kann. Selbst wenn es gelingt einen Ausbruch von Metall und Schlacke zu vermeiden,
so weisen die so hergestellten Blöcke aufgrund von Tränen und Überlappungen unter
denen oft noch Schlacke eingeschlossen sein kann, stets eine sehr schlechte Blockoberfläche
auf, die eine Nachbearbeitung der Oberfläche vor der Weiterverarbeitung erforderlich
macht, was zu Verzögerungen im Produktionsablauf, Verringerung des Ausbringens und
zu einer Erhöhung der Herstellungskosten führt.
[0012] Grundsätzlich bestehen diese hier für das ESU-Verfahren geschilderten Schwierigkeiten
auch dann, wenn die selbstverzehrbaren Elektroden im Vakuum durch Lichtbogen oder
Elektronenstrahl oder aber durch einen Plasmalichtbogen abgeschmolzen und das abgeschmolzene
Metall aus Gleitkokillen abgezogen wird. Die Probleme sind bei diesen Verfahren deshalb
nicht so auffällig, weil diese in der Regel nur für kleinere Blöcke eingesetzt werden.
Legierungen, bei denen die oben angeführten Schwierigkeiten auftreten, werden meist
nicht nach den hier angeführten Verfahren umgeschmolzen. Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde durch eine geeignete Verfahrensweise die oben geschilderten Schwierigkeiten
beim Arbeiten mit kurzen Gleitkokillen zu beheben. Dabei wird von der Überlegung ausgegangen,
daß ein Auftreten von Lappen, Tränen und letzlich ein Auslaufen von flüssigem Metall
nur dann erfolgen kann, wenn die an der Kokillenwand bereits erstarrte Randschicht
des Blockes oder der Schlacke beim Abzughub an der Kokillenwand hängen bleibt und
aufreißt. Wenn dieser Riß ausreichend groß ist, kann flüssiges Metall in diesen eindringen,
wobei es im allgemeinen im Kontakt mit der wassergekühlten Kokille wieder erstarrt.
Wenn die erstarrte Randschicht jedoch aufgrund der Schrumpfung von der Kokillenwand
abgehoben hat und somit ein Spalt zwischen Kokillenwand und erstarrter Randschicht
besteht, kann das durch den Riß austretende Metall in diesen Spalt eindringen, wo
es im günstigsten Fall unter Bildung von Lappen oder Tränen erstarrt. Ist der Spalt
jedoch zu groß,was insbesondere bei Blöcken größeren Durchmessers der Fall ist, so
kann es vorkommen, daß das Metall im Spalt nicht mehr erstarrt und es kommt zum Auslaufen
von Metall und Schlacke und damit zu einer Unterbrechung des Umschmelzvorganges.
[0013] Zur Lösung dieser Aufgabe bei dem eingangs angegebenen bekannten Verfahren führt
der Vorschlag, daß der Metallspiegel in der Kokille durch einen Abzugsvorhub zunächst
mit einer Geschwindigkeit von mindestens dem Doppelten der
Blockaufbaugeschwindigkeit um mindestens 1 mm abgesenkt und darauffolgend durch einen
sich unmittelbar anschließenden Rückhub, der kleiner als der Abzugsvorhub ist, mit
einer Geschwindigkeit von mindestens dem Doppelten der Blockauf-
baugeschwindigkeit wieder angehoben wird, und daß Abzugs- vorhub und Rückhub so
-aufeinander abgestimmt werden, daß das Niveau der Metallschmelze in der Kokille innerhalb
von zwei zulässigen Grenzbereichen-gehalten wird.
[0014] Eine abgewandelte Lösung der vorbeschriebenen Aufgabe besteht weiterhin darin, daß
der Metallspiegel in der Kokille durch einen Abzugsvorhub zunächst mit einer Geschwindigkeit
von mindestens dem Doppelten der Blockaufbaugeschwindigkeit um mindestens 1 mm abgesenkt
und darauffolgend durch einen sich unmittelbar anschließenden Rückhub, der kleiner
als der Abzugsvorhub ist, mit einer Geschwindigkeit von mindestens dem Doppelten der
Blockaufbaugeschwindigkeit wieder angehoben wird, woran sich ein kurzzeitiger Bewegungsstillstand
anschließt, während welchem der Block in der Kokille wie in einer Standkokille aufgebaut
wird und Abzugsvorhub, Rückhub und die Länge des Bewegungsstillstands so aufeinander
abgestimmt werden, daß das Niveau der Metallschmelze in der Kokille innerhalb von
zwei zulässigen Grenzbereichen gehalten wird.
[0015] Die Wirkung des raschen Abzuges der Kokille relativ im Vergleich zur Blockoberfläche
kann je nach Anlagenkonzeption auf verschiedene Weise erreicht werden.
[0016] Bei Anlagen, welche mit feststehender Bodenplatte und hebbaren Kokillen ausgelegt
sind, wird die Kokille rasch angehoben (Abzugshub), so daß der Metallspiegel bzw.
der Schlackenspiegel abgesenkt wird, und unmittelbar daran wieder so rasch abgesenkt
(Rückhub), daß der Metall- bzw. Schlackenspiegel stärker ansteigt als es dem Anwachsen
des Blockes entspricht. Daran kann eine Pause anschließen, w
äh- rend welcher der Block in der Kokille wie in einer Standkokille aufgebaut wird.
[0017] Daher wird eine weitere Verfahrensweise dahingehend vorgeschlagen, daß einer kontinuierlichen
Relativbewegung zwischen Kokille und Block eine oszillierende Bewegung mit einem Hubschritt
von mindestens 1 mm und einer Hubfrequenz von mindestens 0,01 je sec. überlagert
[0018] Weitere wesentliche Uerfahrensmerkmale bestehen noch darin, daß einer kontinuierlichen
Relativbewegung zwischen Kokille und Block eine weitere Relativbewegung mit einem
Hubschritt von mindestens 1 mm überlagert wird, die ebenfalls oszilliert, jedoch zwischen
jedem aus Vor- und Rückhub bestehenden Doppelhub einen kurzzeitigen Bewegungsstillstand
einhält.
[0019] Das Verfahren kann mit feststehender Kokille und absenkbarer Bodenplatte oder aber
auch mit hebbarer Kokille und feststehender Bodenplatte durchgeführt werden.
[0020] Bei feststehender Kokille wird die Bodenplatte des abgeschmolzenen Blockes während
des Umschmelzvorganges aufeinanderfolgend immer wieder um einen Schritt abgesenkt
und darauf um einen kleineren Schritt angehoben oder in Abwandlung hiervon bei feststehender
Kokille die Bodenplatte des abgeschmolzenen Blockes während des Umschmelzvorganges
aufeinanderfolgend immer wieder um einen Schritt abgesenkt und darauf um einen kleineren
Schritt angehoben werden und vor dem folgenden Absenkhub kurzzeitig stillstehen.
[0021] Weiterhin kann bei feststehender Bodenplatte des abgeschmolzenen Blockes während
des Umschmelzvorganges die Kokille aufeinanderfolgend immer wieder um einen Schritt
angehoben und darauf um einen kleineren Schritt abgesenkt werden.
[0022] Eine Abwandlung dieses Verfahrens besteht auch noch darin, daß bei feststehender
Bodenplatte des abgeschmolzenen Blokkes während des Umschmelzvorganges die Kokille
aufeinanderfolgend immer wieder um einen Schritt angehoben und darauf um einen kleineren
Schritt abgesenkt wird und vor dem folgenden Anheben kurzzeitig stillsteht.
[0023] Schließlich kann die Erfindung auch in der Weise ausgeführt werden, daß die Bodenplatte
mit kontinuierlicher Geschwindigkeit absenkbar ist und die Kokille eine oszillierende
Hubbewegung ausführt, oder aber dadurch, daß die Kokille kontinuierlich anhebbar ist
und die Bodenplatte eine oszillierende Hubbewegung ausführt.
[0024] Bei Anlagen, welche mit einer in die Anlagenstruktur fest eingebauten Kokille und
absenkbarer Bodenplatte ausgerüstet sind wird der Abzugshub, der ein Absenken des
Metall- bzw. Schlackenspiegels in der Kokille zur Folge hat durch ein rasches Absenken
der Bodenplatte bewirkt, die unmittelbar darauf wieder so rasch angehoben wird, so
daß der Metall- bzw. Schlackenspiegel in der Kokille stärker ansteigt als es dem Anwachsen
des Blockes in der Kokille entspricht. Daran kann sich ebenfalls wieder eine Pause
anschließen, während welcher der Block in der Kokille wie in einer Standkokille aufgebaut
wird.
[0025] Der erfindungsgemäße Zweck des raschen unmittelbar auf einen Absenkvorhubschritt
folgende Rücklaufhubschritt kann bei Anlagen mit hebbarer Kokille oder absenkbarer
Bodenplatte auch dadurch erreicht werden, daß entweder die Kokille mit konstanter,
der Blockaufbaugeschwindigkeit entsprechenden Geschwindigkeit angehoben bzw. die Bodenplatte
abgesenkt wird und der Effekt des Abzugvorhubs und Rückhubs dadurch erreicht wird;
daß der gleichmäßigen Geschwindigkeit von Kokille oder Bodenplatte eine oszillierende
Bewegung mit oder ohne Pause überlagert wird, wobei diese überlagerte Bewegung sowohl
von der Kokille als auch von der Bodenplatte ausgeführt werden kann, wobei der Hubschritt
wieder mindestens 1 mm beträgt und eine Hubfrequenz von mindestens 0,01 je sec. eingehalten
wird.
[0026] Anlagentechnisch kann dies durch folgende Anordnung erreicht werden:
Bei Anlagen, die mit einer Senkbühne ausgestattet sind, die mit kontinuierlicher Geschwindigkeit
absenkbar ist, kann entweder die darauf aufgebaute Bodenplatte oder die Kokillenaufhängung
durch eine geeignete Vorrichtung auf-und abbewegbar sein.
[0027] Bei Anlagen, die mit einer an sich feststehenden Bodenplatte und einem mit kontinuierlicher
Geschwindigkeit anhebbaren Kokillentragarm ausgestattet sind, kann entweder die Bodenplatte
oder die auf den Kokillentragarm aufgebaute Kokillenaufhängung durch eine geeignete
Vorrichtung auf- und abbewegbar sein.
[0028] In der Zeichnung sind die Bewegungsmöglichkeiten von Gleitkokille und Bodenplatte
schematisch dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung nach der Erfindung,
Fig. 1a ein Weg-Zeit-Diagramm der Kokillenbewegung mit Stillstandspause,
Fig. 1b ein Weg-Zeit-Diagramm der Kokillenbewegung mit und ohne Stillstandspause,
Fig. 1c ein Weg-Zeit-Diagramm der Kokillenbewegung und gleichzeitiger Bodenplattenbewegung,
Fig. 2 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung nach der Erfindung in abgewandelter
Ausführung,
Fig. 2a ein Weg-Zeit-Diagramm von Kokillen- und Bodenplatten-Bewegung mit Stillstandspause,
Fig. 2b ein Weg-Zeit-Diagramm von Kokillen- und Bodenplatten-Bewegung ohne Stillstandspause,
Fig. 2c ein Weg-Zeit-Diagramm von Kokillen- und Bodenplatten-Bewegung mit und ohne
Stillstandspause.
[0029] In den Figuren ist die Gleitkokille mit 11 und der Sumpf mit 12 bezeichnet. Über
dem Sumpf 12 befindet sich in der Gleitkokille 11 das Schlackenbad 13, in welches
die Elektrode 14 eintaucht. Der Block 15 steht auf der Bodenplatte 16.
[0030] Weiterhin bedeuten in den Figuren
UB = die Block-Aufbaugeschwindigkeit "7"
UK = Geschwindigkeit der mittleren Bewegung der Kokille "8"
UP = Geschwindigkeit der mittleren Bewegung der Bodenplatte "9"
[0031] In dem Diagramm Fig. 1a steht die Bodenplatte 16 fest. Dies ist durch die Punktreihe
in der Zeitachse angedeutet. Die Gleitkokille 11 macht bei jedem Hubspiel zuerst den
Abzugs-Vorhub 1, auf den der Rückhub 2 folgt, und an den sich die kurze Stillstandszeit
3 anschließt. Dieser Verlauf ist mit dem gestrichelten Kurvenzug 8 dargestellt, dessen
Gradiente der Block-Aufbaugeschwindigkeit 7 entspricht.
[0032] In dem Diagramm Fig. 1b ist dem Rückhub 2 keine Stillstandszeit nachgeschaltet.
[0033] Eine weitere Möglichkeit der Verwirklichung dieses Prinzips besteht nach Fig. 1c
noch darin, daß die Gleitkokille 11 eine stetige Aufwärtsbewegung ausführt, die der
Block- aufbaugeschwindigkeit entspricht, und daß die Bodenplatte 16 jeweils eine gleichgroße
Vor- und Rückhubbewegung 1 und 2 ausführen, wobei sich an jeden Rückhub 2 eine kurze
Stillstandszeit 3 anschließt.
[0034] Eine weitere Variante diese Abwandlung ist in Fig. 1c -rechte Hälfte- dargestellt.
Diese entspricht in ihrer Charakteristik der Funktionsweise gemäß Fig. 1b, also ohne
Stillstandspause nach dem Rückhub. Dementsprechend entfällt auch hier die Stillstandspause
nach dem Rückhub 2 der Bodenplatte.
[0035] Diesselbe Bewegungs-Charakteristik der Figuren 1a und 1b ist aus den Figuren 2a und
2b ersichtlich, jedoch mit stillstehender Gleitkokille 11 und oszillierender Bodenplatte
16, wie aus dem punktiert dargestellten Geschwindigkeitsuerlauf 9 ersichtlich ist.
In Fig. 2a und 2b ist der Blockaufbau-Verlauf wieder mit 7 und die stillstehende Gleitkokille
11 mit 8 (in der Zeitachse liegend) bezeichnet. Die Bodenplatte 16 führt in Fig. 2a
nach jedem Abzugs-Uorhub O1 und anschließendem Rückhub 0.2 einen kurzen Stillstand03
aus, wie aus dem punktiert dargestellten Geschwindigkeitsverlauf 9 ersichtlich ist.
Der Stillstand 3 fällt bei der Funktions-Charakteristik gem. Fig. 2b weg, woraus sich
der sinusähnliche Geschwindigkeitsverlauf 9 ergibt.
[0036] Die weitere Möglichkeit der Verwirklichung dieses Prinzips nach Fig. 2 ist in dem
Diagramm Fig. 2c dargestellt. Dort führt die Bodenplatte 16 eine stetige Abwärtsbewegung
9 aus, die der Blockaufbau-Geschwindigkeit 7 entspricht. Jedoch bewegt sich die Gleitkokille
11 mit je einer gleichgroßen Vor- und Rückhubbewegung 1 und 2; der Rückhubbewegung
2 kann eine kurze Stillstandszeit 3 nachgeschaltet sein, wie aus der linken Hälfte
des Diagramms ersichtlich ist.
Verfahren zur Herstellung von Blöcken aus Metallen, insbesondere aus Stählen nach
dem Prinzip des wachsenden Blockes durch Abschmelzen verzehrbarer Elektroden in kurzen
wassergekühlten Gleitkokillen durch Elektronenstrahl, Plasma, Lichtbogen oder insbesondere
auch in Elektroschlackeumschmelzanlagen,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Metallspiegel in der Kokille durch einen Abzugs- vorhub zunächst mit einer
Geschwindigkeit von mindestens dem Doppelten der Blockaufbaugeschwindigkeit um mindestens
1 mm abgesenkt und darauffolgend durch einen sich unmittelbar anschließenden Rückhub,
der kleiner als der Abzugsvorhub ist, mit einer Geschwindigkeit von mindestens dem
Doppelten der Blockaufbaugeschwindigkeit wieder angehoben wird, und daß Abzugsvorhub
und Rückhub so aufeinander abgestimmt werden, daß das Niveau der Metallschmelze in
der Kokille innerhalb von zwei zulässigen Grenzbereichen gehalten wird.
2.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer kontinuierlichen Relativbewegung
zwischen Kokille und Block eine oszillierende Bewegung mit einem Hubschritt von mindestens
1 mm und einer Hubfrequenz von mindestens 0,01 je sec. überlagert.
3.Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei feststehender
Kokille die Bodenplatte des abgeschmolzenen Blockes während des Umschmelzvorganges
aufeinanderfolgend immer wieder um einen Schritt abgesenkt und darauf um einen kleineren
Schritt abgehoben wird.
4.Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei feststehender
Bodenplatte des abgeschmolzenen Blockes während des Umschmelzvorganges die Kokille
aufeinanderfolgend immer wieder um einen Schritt angehoben und darauf um einen kleineren
Schritt abgesenkt wird.
5,Verfahren nach einem der 'Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte
mit kontinuierlicher Geschwindigkeit absenkbar ist und die Kokille eine oszillierende
Hubbewegung ausführt.
6.Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kokille kontinuierlich anhebbar ist und die Bodenplatte eine oszillierende
Hubbe- . wegung ausführt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Rückhub ein
kurzzeitiger Bewegungsstillstand anschließt, während welchem der Block in der Kokille
wie in einer Standkokille aufgebaut wird, und Abzugsvorhub Rückhub und Bewegungsstillstandsdauer
so aufeinenander abgestimmt werden, daß das Niveau der Metallschmelze in der Kokille
innerhalb von zwei zulässigen Grenzbereichen gehalten wird.
B. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß bei feststehender Kokille auf eine mit kontinuierlicher Geschwindigkeit absenkbare
Senkbühne eine Bodenplatte aufgebaut ist, die eine oszillierende Bewegung ausführt.
9.Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß bei feststehender Bodenplatte auf einen mit kontinuierlicher Geschwindigkeit hebbaren
Tragarm eine Kokille aufgesetzt ist, die eine oszillierende Bewegung ausführt.