[0001] Hohle Gusskörper oder Rohblöcke werden für eine Reihe von Anwendungen, insbesondere
zur Herstellung von mechanischen Teilen in der Industrie, benötigt.
[0002] Diese werden entweder direkt nach dem Gießen weiterverarbeitet oder davor noch einer
weiteren Warmverarbeitung durch Walzen oder Schmieden unterzogen. Bei unlegierten
oder niedriglegierten Stählen ist es zur Herstellung der hohlen Gusskörper üblich,
einen Vollblock zu gießen und diesen vor der weiteren Warmformgebung warm durch einen
Pressvorgang zu lochen.
[0003] Das letztgenannte Verfahren ist jedoch bei höher legierten Stählen, wie beispielsweise
austenitischen, ferritischen und martensitischen korrosions- und hitzebeständigen
Stählen, aber auch bei Werkzeugstählen unterschiedlichster Zusammensetzung kaum mehr
möglich, da diese für einen Warmlochvorgang kein ausreichendes Warmverformungsvermögen
mehr aufweisen. Noch weniger ist dies bei den noch schwerer verformbaren Ni- und Co-
Basislegierungen möglich. Für die Herstellung von Hohlkörpern aus schwer verformbaren
Stählen und Legierungen ist es daher vielfach erforderlich einen vollen Gussblock
oder sogar vorverformten Rohling durch mechanische Bearbeitung auszubohren und dann
anschließend warm zu verformen. Dieses Verfahren ist jedoch mit hohen Kosten verbunden,
da die hochlegierten Stähle und Legierungen mechanisch nur schwer zu bearbeiten sind
und außerdem vielfach vor einer mechanischen Bearbeitung einer Wärmebehandlung unterzogen
werden müssen.
[0004] Um diese o.a. Schwierigkeiten zu umgehen, wurde in der Vergangenheit mehrfach vorgeschlagen,
hochlegierte Hohlkörper und für die Weiterverarbeitung insbesondere durch Schmieden
bestimmte Hohlblöcke nach dem Verfahren des Elektroschlacke - Umschmelzens mit selbstverzehrbaren
Elektroden herzustellen, da dieses Verfahren zu einer hohen Qualität der hergestellten
Hohlblöcke führt. So ist aus dem Stand der Technik ein Verfahren zur Herstellung von
Hohlblöcken nach dem Elektroschlacke Umschmelzverfahren bekannt, bei welchem in einer
kurzen wassergekühlten Kokille runden Querschnitts von oben ein ebenfalls wassergekühlter
konischer Dorn konzentrisch so eingesetzt ist, dass zwischen der Kokille und dem Dorn
ein Ringspalt verbleibt. Für die Herstellung eines Hohlblocks werden in dem Ringspalt
stangenförmige Abschmelzelektroden konzentrisch angeordnet und der Schmelzstrom wird
über die Abschmelzelektroden in das im Spalt befindliche Schlackenbad geleitet und
über das Schmelzbad und die Bodenplatte wieder abgeleitet. Auf Grund der beim Stromdurchgang
durch das Schlackenbad entstehenden Joule'schen Wärme werden die Abschmelzelektroden
abgeschmolzen. Das nach unten tropfende flüssige Metall wird im Ringspalt gesammelt
und erstarrt dort kontinuierlich zu einem Hohlblock. Mit diesem Verfahren gelingt
es Hohlblöcke zufriedenstellender Qualität zu erzeugen. Der Aufwand für die Herstellung
und Vorbereitung der langen, dünnen, stangenförmigen Abschmelzelektroden ist jedoch
hoch, und außerdem ist deren konzentrische Anordnung im Ringspalt, insbesondere bei
Herstellung von Hohlblöcken mit geringer Wandstärke mit nicht unerheblichen Schwierigkeiten
verbunden. Hier kann es hilfreich sein, wenn im Bereich des Schlackenbads trichterförmig
nach oben erweiterte, sogenannte T-Kokillen zum Einsatz kommen, weil dann, im Vergleich
zur Wandstärke des Hohlblocks, dickere Abschmelzelektroden zum Einsatz kommen können.
[0005] Bei einem anderen bekannten Verfahren wird von der Unterseite der Kokille durch eine
Öffnung in der Bodenplatte ein in der wassergekühlten Kokille konzentrisch angeordneter
Dorn in der Weise nach oben bewegt, in der der Block auf der Bodenplatte aufgebaut
wird, wobei das obere Ende des Dorns immer bis in das Schlackenbad reicht, aber von
diesem immer vollständig bedeckt bleibt. Damit wird es möglich, im Schlackenbad oberhalb
des Dorns große Abschmelzelektroden abzuschmelzen. Das von den Abschmelzelektroden
abschmelzende Metall tropft auf die gekrümmte Oberfläche des Dorns und läuft von dort
in den Ringspalt zwischen der Kokillenwand und dem Dorn, sodass wieder ein Hohlblock
gebildet wird. Bei diesem Verfahren ist die Herstellung der Abschmelzelektroden zwar
wesentlich vereinfacht, jedoch bereitet die konzentrische Führung des Dorns bei der
Herstellung längerer Blöcke nicht unerhebliche Schwierigkeiten, sodass oft eine nicht
unerhebliche Exzentrizität der Bohrung im hohlen Gusskörper entsteht. Auch führt eine
schlechte Qualität der Oberflächenausbildung in der Bohrung immer wieder zu Schwierigkeiten
bei der Weiterverarbeitung. Wenn diese vermieden werden sollen, ist es vielfach erforderlich,
die Bohrung vor der Warmformgebung mechanisch zu bearbeiten.
[0006] Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Hohlblöcken mit Stromzuleitung über die
Elektroden ist in der
AT 332.575 beschrieben. In der
DE 23 03 629 B2 wird der Schmelzstrom ebenfalls über die Abschmelzelektroden zugeleitet, zusätzlich
wird noch eine rotierende Bodenplatte beschrieben, um eine bessere Wärmeverteilung
im Ringspalt zu erzielen.
[0007] Aus der
AT 409729 B ist ein Verfahren bekannt, bei welchem eine an sich bekannte stromleitende Kokille
mit einem stromleitenden Dorn verwendet wird. Der Schmelzstrom wird dann beispielsweise
dem Schlackenbad über die Kokille zugeleitet und aus diesem über den Dorn wieder abgeleitet.
Eine stromführende Elektrode wird nicht benötigt. Die Metallzufuhr kann in Form flüssigen
Metalls aber auch in Form festen Metalls erfolgen, wobei sowohl Granalien, Späne,
aber auch Stangen in Frage kommen, die aber stromlos bleiben. Damit wird erreicht,
dass die Temperatur des Schlackenbads, unabhängig von der Zufuhrrate des flüssigen
oder festen Metalls, geregelt werden kann.
[0008] Obwohl das zuletzt genannte Verfahren an sich brauchbare Ergebnisse hinsichtlich
der Qualität der erzeugten Hohlblöcke liefert, hat es bei Verwendung von festen Abschmelzelektroden
den Nachteil eines hohen Energieverbrauches, da die über die stromleitenden Elemente
in das Schlackenbad eingebrachte Energie nur sekundär über die erzielte Temperatur
im Schlackenbad für das Schmelzen der Elektroden wirksam wird. Erst bei einer entsprechenden
Überhitzung des Schlackenbads, die aber zu hohen Wärmeverlusten führt, gelingt es
daher eine ausreichende Abschmelzrate zu erzielen.
Offenbarung der Erfindung
[0009] Die Nachteile der einzelnen Verfahren nach dem Stand der Technik können erfindungsgemäß
aber weitgehend vermieden werden, wenn Abschmelzelektroden Anwendung finden, deren
Durchmesser wesentlich größer als der Ringspalt ist, der durch die Differenz der den
Außendurchmesser des Hohlblockes formenden Kokillenwand und dem Durchmesser des Dorns
bestimmt ist, und wenn mindestens zwei Abschmelzelektroden gleichzeitig umgeschmolzen
werden, wobei die Kokille im Bereich der Abschmelzelektroden nach oben hin im Bereich
des Schlackenbads insbesondere T-förmig erweitert ist und das Niveau des Metallspeigels
unterhalb der Erweiterung gehalten wird.
[0010] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich demnach um ein Verfahren zur
Herstellung hohler Gusskörper durch Abschmelzen selbstverzehrbarer Elektroden in einem
Schlackenbad in einer kurzen, wassergekühlten Kokille und unter Verwendung eines von
oben in die Kokille eingeführten ebenfalls wassergekühlten Dorns unter Verwendung
von mindestens zwei Abschmelzelektroden, deren Durchmesser jeweils mindestens das
1,0-fache des Ringspalts zwischen der den Außendurchmesser des Hohlblocks formenden
Kokillenwand und dem Durchmesser des Dorns beträgt, wobei die Abschmelzelektroden
in einer im Bereich der Abschmelzelektroden für die Aufnahme des Schlackenbads insbesondere
T-förmig erweiterten Kokille abgeschmolzenen werden, und wobei das Niveau des Metallspiegels
unterhalb der Erweiterung eingestellt und gehalten wird.
[0011] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In den Rahmen der Erfindung fallen alle Kombinationen aus zumindest zwei von in den
Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Ferner sollen
zur Vermeidung von Wiederholungen anlagenmäßig offenbarte Merkmale verfahrenstechnisch
und verfahrenstechnisch offenbarte Merkmale anlagentechnisch beanspruchbar sein.
[0012] Die Kontrolle und Regelung des Metallspiegels kann durch verschiedene Maßnahmen erreicht
werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Lage des Metallspiegels mittels radioaktiver
γ-Strahlen bestimmt wird, die von einer außerhalb der Kokille in einer dem Niveau
des Metallspiegels entsprechenden Position eingebracht werden, und die von einem im
Inneren des wassergekühlten Dorns auf gleichem Niveau angebrachten Empfänger empfangen
werden. Damit ist es möglich, im Zusammenwirken mit einer geeigneten Steuerung der
Abzugsbewegung des auf einer Bodenplatte ruhenden Blocks das Niveau des Metallspiegels
in die Kokille konstant zu halten.
[0013] Für die Erzeugung qualitativ hochwertiger Hohlkörper mit einer homogenen und dichten
Erstarrungsstruktur hat es sich weiters als vorteilhaft erwiesen, die Schmelzrate
so einzustellen, dass sie in kg/h dem 0,8 bis 2,5-fachen der Summe von Außen- und
Innendurchmesser in mm entspricht.
[0014] Hinsichtlich der Führung des Schmelzstroms ergeben sich bei Verwendung von mindestens
zwei Abschmelzelektroden mehrere Möglichkeiten, die je nach den vorherrschenden Umständen
zum Einsatz kommen können.
[0015] Bei einer Variante wird der Schmelzstrom von einem Pol einer einphasigen Stromquelle
auf die mindestens zwei Abschmelzelektroden verteilt und über das Schlackenbad und
die Bodenplatte zum zweiten Pol der Stromquelle geleitet.
[0016] Bei dieser Art der Zuleitung über die Abschmelzelektrode ist es aber auch möglich,
den Schmelzstrom vom Schlackenbad über die Kokille und/oder den Dorn zum zweiten Pol
der Stromquelle zurückzuleiten. Dabei können für die Ableitung von Kokille bzw. Dorn
an sich bekannte stromleitende Elemente verwendet werden.
[0017] Es besteht aber bei Verwendung einer einphasigen Stromquelle auch die Möglichkeit,
den gesamten Schmelzstrom von einem Pol zu einer der mindestens zwei Abschmelzelektroden,
und von dort über das Schlackenbad und den Schmelzsumpf zur zweiten der mindestens
zwei Elektroden, und von dort weiter zum zweiten Pol der Stromquelle zu leiten.
[0018] Um eine gleichmäßige Wärmeverteilung im Schmelzsumpf sicherzustellen kann es vorteilhaft
sein, diesen in eine Drehbewegung innerhalb des Spalts in horizontaler Richtung durch
den Einsatz von geeigneten Rührspulen zu bringen. Eine derartige Rührbewegung kann
sich auch vorteilhaft auf die Erstarrungsstruktur des erzeugten Hohlkörpers auswirken.
[0019] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend
näher erläutert.
[0020] Diese zeigt in:
- Fig.1
- eine vereinfachte Draufsicht einer erfindungsgemäßen Anlage zur Erzeugung von hohlen
Gusskörpern,
- Fig. 2
- einen Längsschnitt durch die Anlage gemäß der Fig. 1 in der Ebene II-II der Fig. 1
und
- Fig.3
- einen Längsschnitt durch die Anlage gemäß der Fig. 1 in der Ebene III-III der Fig.
1.
[0021] In den Fig. 1 bis 3 ist eine wassergekühlte Kokille 10 mit einer vorzugsweise im
Längsschnitt (siehe Fig. 2) T-förmigen Erweiterung 11 im Bereich zweier Abschmelzelektroden
12 dargestellt, die in einem Schlackenbad 13 abgeschmolzen werden, wobei sich das
abgeschmolzene Metall in einem Schmelzsumpf 14 sammelt und nach der Erstarrung in
einem Spalt 15 zwischen der Kokille 10 und einem ebenfalls wassergekühlten Dorn 17
zu einem im weiteren Verlauf als Hohlblock 18 bezeichneten Umschmelzblock bzw. Gusskörper
bildet, der durch eine geeignete, hier nicht gezeigte Vorrichtung, durch welche eine
Bodenplatte 19 bewegt wird, nach unten aus der Kokille 10 abgezogen wird. Der Dorn
17 wird durch eine Halteplatte 21 in Position gehalten. Man erkennt weiterhin einem
im Dorn 17 angeordneten γ-Strahlenempfänger 22 und einen außerhalb der Kokille 10
befindliche γ-Strahlenquelle 23. Eine elektromagnetische Rührspule 24 kann optional
im Bereich des Schmelzsumpfs 14 angeordnet sein.
[0022] In einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Anlage 100 sind erfindungsgemäß
mindestens zwei Abschmelzelektroden 12 angeordnet, die durch entsprechende, hier nicht
gezeigte Tragelemente gehalten und bewegt werden, über die auch die Zuführung des
Schmelzstroms erfolgt, und mittels derer sie in der Weise in das Schlackenbad 13 nachgeführt
werden, wie sie abschmelzen. Dabei ist, wie aus Fig.1 1 und Fig. 2 hervorgeht, die
das Schlackenbad 13 enthaltende Kokille 10 im Bereich der Abschmelzelektroden 12 vorzugsweise
T-förmig erweitert, um die Abschmelzelektroden 12, die einen Durchmesser D aufweisen,
der dem mindestens 1,0-fachen der Spaltweite s des Spalts 15 entspricht. Die Spaltweite
s wird durch die die Außenoberfläche des Hohlblocks 18 bildende Kokillenwand 25 und
den Durchmesser des Dorns 17 bestimmt ist, wobei der Dorn 17, von oben in Richtung
nach unten, das heißt in Richtung der Bodenplatte 19 betrachtet, konisch sich verjüngt.
Die Konizität des Dorns 17 beträgt dabei mindestens 1,5 %, bezogen auf den Dorndurchmesser
und bezogen auf die Länge des Dorns 17 in der Erstarrungszone des Metalls in der Kokille
10.
[0023] Vorzugsweise ist außerhalb der Kokille 10 in einer Position unterhalb der T-förmigen
Erweiterung 11 in der gewünschten Position des Metallspiegels die γ-Strahlenquelle
23, sowie im Inneren des wassergekühlten Dorns 17 der γ-Strahlenempfänger 22 zur laufenden
Kontrolle des Niveaus des Metallspiegels 27 angebracht. Im Zusammenwirken mit einer
entsprechenden Steuerung wird der gebildete, auf der Bodenplatte 19 ruhende Hohlblock
18 so aus der Kokille 10 abgezogen, dass das Niveau des Metallspiegels 27 auf konstant
bleibt.
[0024] Die Zu- und Rückleitung des Schmelzstroms zu den Abschmelzelektroden 12 kann in unterschiedlicher
Weise angeordnet sein.
[0025] Bei einer ersten Anordnung ist ein Pol einer hier nicht gezeigten einphasigen Stromquelle
parallel mit beiden Abschmelzelektroden 12 verbunden, während der andere Pol mit der
Bodenplatte 19, auf welcher der Hohlblock 18 ruht, verbunden ist.
[0026] Es ist auch möglich, dass der zweite Pol mit der Kokille 10 und/oder dem Dorn 17
verbunden ist.
[0027] Es ist aber auch eine Anordnung möglich, bei der je eine der mindestens zwei Abschmelzelektroden
12 mit je einem Pol der Schmelzstromquelle verbunden ist.
[0028] In einer besonderen Ausstattungsvariante ist außerhalb der Kokille 10 die elektromagnetische
Rührspule 24 so angeordnet, dass im Sumpf 14 eine Rotationsbewegung des Schlackenbads
13 um die (Längs-) Achse des Hohlblocks 18 bewirkt werden kann.
1. Verfahren zur Herstellung hohler Gusskörper (18) durch Abschmelzen von Abschmelzelektroden
(12) in einem Schlackenbad (13) in einer wassergekühlten kurzen Kokille (10) unter
Verwendung eines von oben in die Kokille (10) eingeführten, ebenfalls wassergekühlten
Dorns (17),
dadurch gekennzeichnet,
dass gleichzeitig mindestens zwei Abschmelzelektroden (12) mit einem Durchmesser (D),
der mindestens dem 1,0-fachen eines ringförmigen Spalts (15) zwischen dem den äußeren
Gießquerschnitt formenden Teil der Kokille (10) und dem Dorn (17) entspricht, in der
im Bereich der Abschmelzelektroden (12) eine insbesondere T-förmige Erweiterung (11)
aufweisenden wassergekühlten Kokille (10) abgeschmolzen werden, wobei der innere Durchmesser
des Gusskörpers (18) durch den in die Kokille (10) eingebrachten, wassergekühlten
Dorn (17) gebildet wird, der im Bereich des Metallspiegels (27) eines Schmelzsumpfes
(14) einen von oben nach unten abnehmenden Durchmesser, vorzugsweise zumindest in
der Erstarrungszone mit einer Konizität von mindestens 1,5 %, bezogen auf den Durchmesser
des Dorns (17), aufweist, und dass das Niveau des Metallspiegels (27) unterhalb der
Erweiterung (11) eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Niveau des Metallspiegels (27) durch eine außerhalb der Kokille (10) angebrachte
γ-Strahlenquelle (23) im Zusammenwirken mit einem innerhalb des Dorns (17) eingebauten
Empfänger (22) gemessen wird, wobei das Niveau des Metallspiegels (27) vorzugsweise
durch eine Steuerung in Abhängigkeit von der Abschmelzrate der Abschmelzelektroden
(12) konstant gehalten wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschmelzrate der Abschmelzelektroden (12) so eingestellt wird, dass sie in kg/h
dem 0,8 - 2,5-fachen der Summe des Aussen- und Innendurchmessers des Gusskörpers (18)
in mm entspricht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzstrom von einem Pol einer einphasigen Schmelzstromquelle über die mindestens
zwei Abschmelzelektroden (12) parallel in das Schlackenbad (13) und über eine Bodenplatte
(19) zurück zum anderen Pol der Stromquelle geleitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzstrom von einem Pol einer einphasigen Schmelzstromquelle über die mindestens
zwei Abschmelzelektroden (12) parallel in das Schlackenbad (13) und über die Kokille
(10) und/oder den Dorn (17) zum anderen Pol der Stromquelle geleitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzstrom von der Kokille (10) und/oder den Dorn (17) im Bereich zwischen
den Abschmelzelektroden (12) über stromleitende Elemente abgeleitet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Schmelzstrom einer einphasigen Stromquelle über mindestens eine der Abschmelzelektroden
(12) in das Schlackenbad (13) geleitet wird und von dort über mindestens eine zweite
der Abschmelzelektroden (12) zur Stromquelle zurückgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Schmelzsumpfes (14) durch eine elektromagnetische Rührspule (24) eine
horizontale Bewegung des Schmelzsumpfes (14) entlang des Spalts (15) um die Längsachse
des Gusskörpers (18) hervorgerufen wird.
9. Anlage (100) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausbilden hohler Gusskörper (18) mindestens zwei Abschmelzelektroden (12) gleichzeitig
in der Anlage (100) angeordnet sind, deren Durchmesser (D) mindestens dem 1,0-fachen
des Ringspalts zwischen dem den Gießquerschnitt formenden Teil der Kokille (10) und
einem Dorn (17) beträgt, und dass die Kokille(10) zumindest im Bereich der zwei Abschmelzelektroden
(12) insbesondere eine T-förmige Erweiterung (11) aufweist, wobei der von oben in
die Kokille (10) eingeführte Dorn (17) im Bereich der Erstarrungszone gleichmäßig
einen von oben nach unten abnehmenden Durchmesser entsprechend einer Konizität von
mindestens 1,5 %, bezogen auf den Durchmesser des Dorns (17), aufweist.
10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschmelzelektroden (12) mit einem Pol einer einphasigen Schmelzstromquelle und
eine Bodenplatte (19) mit dem anderen Pol verbunden sind.
11. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschmelzelektroden (12) mit einem Pol einer einphasigen Schmelzstromquelle verbunden
sind und von der Kokille (10) und/oder dem Dorn (17) eine Verbindung zum anderen Pol
hergestellt ist.
12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille (10) und/oder der Dorn (17) im Bereich zwischen trichterförmigen Erweiterungen
der Kokille (10) über stromleitende Elemente verfügen, die mit einem Pol der Schmelzstromversorgung
verbunden sind.
13. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass je eine der mindestens zwei Abschmelzelektroden (12) mit je einem Pol einer einphasigen
Schmelzstromquelle verbunden ist.
14. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille (10) im Bereich des Schmelzsumpfes (14) mit einer elektromagnetischen
Rührspule (24) ausgestattet ist, deren Kraftlinien eine Bewegung des Schmelzsumpfes
(14) in horizontaler bzw. tangentialer Richtung um die Längsachse des Gusskörpers
(18) bewirken.
15. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits an der Außenseite der Kokille (10) in der dem gewünschten Niveau des Metallspiegels
(27) entsprechenden Position eine γ-Strahlenquelle (23) und andererseits im Inneren
des Dorns (17) ein γ-Strahlenempfänger (22) zur Messung der Position des Metallspiegels
(27) angeordnet sind.