VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUM HERSTELLEN VON GUSSKÖRPERN AUS METALL

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zum Herstellen von Gußkörpern nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Im Energiemaschinenbau besteht heute ein Trend zum Einsatz stationärer Gasturbinen mit hoher spezifischer Leistung als Alternative zu den aus Umweltgründen vielfach abgelehnten Atomkraftwerken, bei welchen mit Dampfturbinen das Auslangen gefunden werden konnte. Die höheren Arbeitstemperaturen von Gasturbinen verlangen den Einsatz von hochlegierten Eisen- und insbesondere Nickelbasislegierungen, die zur Erzielung der geforderten Eigenschaften erhebliche Gehalte an Ti, Al, B, Nb, Ta, W etc. aufweisen. Bisher wurden Gasturbinen vorzugsweise als Triebwerke für Flugzeuge eingesetzt, für die mit vergleichsweise kleinen Turbinenwellen das Auslangen gefunden werden konnte. Für deren Herstellung wurden relativ kleine Blöcke mit Durchmessern von 500 mm und darunter benötigt, die mittels Umschmelzverfahren mit selbstverzehrbaren Elektroden mit einem ausreichenden Qualitätsstandard hergestellt werden konnten. Unter ausreichendem Qualitätsstandard wird insbesondere ein Rohblock verstanden, der weitgehend frei ist von makroskopischen Gefüge- und Strukturinhomogenitäten, wie Seigerungen und anderen Fehlererscheinungen, die als "Freckles" und "White Spots" bekannt sind.

[0003] White Spots sind Fehlstellen, die im Vergleich zum übrigen Material an Legierungselementen verarmt sind. Diese Fehlererscheingung ist nur vom Vakuumlichtbogen-Verfahren mit selbstverzehrenden Elektroden her bekannt und es wird angenommen, dass diese Fehlererscheinung durch von der Elektrodenspitze herabfallende, im Schmelzsumpf nicht aufgeschmolzene Dendritenäste hervorgerufen wird. Beim Elektroschlacke-Umschmelzverfahren mit selbstverzehrbaren Elektroden wurde diese Fehlererscheinung bisher nicht beobachtet.

[0004] Bei Freckles handelt es sich um vereinzelt auftretende punkt- oder fleckenförmige Entmischungen, die bei der Erstarrung hochlegierter Blöcke entlang der Dendriten auftreten können, wenn die Legierung Elemente enthält, deren Dichte sich erheblich von der Dichte der Grundlegierung unterscheidet. Sohin sind Eisen- oder Nickelbasislegierungen, die hohe Gehalte an spezifisch leichten Elementen, wie Ti oder Al, aber auch spezifisch schwere Elemente, wie W, Nb, Ta, enthalten, besonders anfällig für diese Fehlererscheinung. Während bei Blöcken kleinerer Abmessungen bis etwa 400 bis 500 mm Blockdurchmesser dieser Fehler nur vereinzelt und nur bei ungünstigen Umschmelzbedingungen auftritt, ist die Herstellung von fehlerfreien Blöcken mit größerem Durchmesser auch bei bester Kontrolle der Umschmelzbedingungen so gut wie unmöglich. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die bei der Herstellung großer Umschmelzblöcke unvermeidlichen langen Erstarrungszeiten und großen sumpfvolumina einerseits eine grobe Erstarrungsstruktur zur Folge haben und andererseits Entmischungsvorgänge begünstigen.

[0005] Nun werden aber für den Bau stationärer Gasturbinen mit ausreichend hoher spezifischer Leistung große Turbinenwellen benötigt, für deren Herstellung wieder entsprechend große Rohblöcke mit Durchmessern von wesentlich über 500 mm, vorzugsweise bis zu 1000 mm, erforderlich sind. Nach dem heutigen Stand der Technik des Umschmelzens mit selbstverzehrbaren Elektroden können ausreichend fehlerfreie Rohblöcke aus den dafür benötigten Legierungen nicht hergestellt werden.

[0006] Die DE 196 14 182 C offenbart eine kurze wassergekühlte, unten offene Kokille zum Herstellen von Blöcken oder Strängen, bei der ein Gießspiegel durch eine elektrisch leitende Schlacke abgedeckt ist, in welcher der Block oder Strang im unteren Teil geformt und daraus entweder durch Heben der Kokille oder durch Absenken des Blockes oder Stranges abgezogen wird. In die aus wassergekühlten Elementen gebildete Kokillenwand ist wenigstens ein nicht direkt wassergekühltes, stromleitendes Element so eingebaut, dass es einerseits mit dem Schlackenbad in Berührung kommt sowie andererseits nicht bis zum Spiegel des flüssigen Metalls reicht; über dieses vollständig unterhalb der Oberfläche des Schlackenbades liegende Element wird ein Kontakt zu einer Stromquelle hergestellt.

[0007] Aus der US-A-5 799 721 ist ein Verfahren zum Umschmelzen insbesondere von Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen, zu einem Strang durch Abschmelzen zumindest einer selbstverzehrenden Elektrode in einem elektrisch leitenden Schlackenbad, wobei das Verhältnis der Querschnittsfläche einer oder mehrerer Abschmelzelektroden zur Querschnittsfläche des herzustellenden Stranges als Gießquerschnitt größer als 0,5 gewählt sowie eine Abschmelzrate in kg/h eingestellt wird, die dem 1,5-fachen bis 30-fachen des Strangdurchmessers entspricht; der vom Rundquerschnitt abweichende äquivalente Strangdurchmesser wird aus dem Umfang des Gießquerschnitts errechnet. In einer Trichterkokille entspricht die Abschmelzrate in kg/h dem 5 bis 15-fachen des aus dem Umfang des Gießquerschnitts errechneten äquivalenten Strangdurchmessers, und das Verhältnis der Querschnittsfläche/n der Abschmelzelektrode/n zur Querschnittsfläche des Gießquerschnitts ist gleich oder größer als 1,0, wobei der Strang im unteren, engen Teil der Trichterkokille geformt wird sowie das Schlackenbad bis in deren erweiteren oberen Teil reicht.

[0008] Bei einem Verfahren zum Herstellen von Gußkörpern aus Metall wird nach GB-A-1 568 746 die ESU-Kokille mit elektrisch isolierten wassergekühlten Stromleitelementen versehen. Dem Schlackenbad wird kontinuierlich festes Metall in Form von Granalien zugeführt, um einen Vorblock in beliebiger Länge umzugießen. Derartige Granalien haben im festen Zustand eine höhere Dichte sowohl als das Schlackenbad als auch das flüssige Metall des Schmelzsumpfes mit der Folge, dass derartige Granalien sehr rasch durch die heiße Schlacke fallen und dort aufgrund der geringen Verweilzeit nicht bzw. nur sehr teilweise aufschmelzen. Gelangen unaufgeschmolzene Teilchen in den flüssigen Metallsumpf, so sinken sie auch dort aufgrund ihrer höheren Dichte bis an die Phasengrenze fest-flüssig ab. Dort aber schmelzen sie nicht mehr auf, da in diesem Bereich kein ausreichendes Wärmeangebot mehr vorhanden ist. Bei fortschreitender Erstarrung werden derartige Teilchen dann im unaufgeschmolzenen Zustand als arteigene Fremdmetalleinschlüsse im Erstarrungsgefüge eingeschlossen. Da solche unaufgeschmolzene Teilchen eine andere Gefügestruktur -- und damit andere Eigenschaften -- als das umgeschmolzene Metall haben, sind sie in Umschmelzblöcken, von denen ein gleichmäßiges, feines und fehlerfreies Erstarrungsgefüge verlangt wird, unerwünscht.

[0009] In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, ein technisch gut durchführbares Verfahren zum Herstellen von weitgehend seigerungs- und insbesondere freckelfreien Gußkörpern aus Metall, insbesondere aus hochlegierten Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen großer Abmessung nach einem Elektroschlacke Schmelz- oder Gießverfahren unter Verwendung einer an sich bekannten kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille, zu schaffen, in deren Wand stromleitende, nicht direkt wassergekühlte Elemente elektrisch isoliert gegenüber dem den Gußkörper formenden Teil der Kokille eingebaut sind.

[0010] Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Anspruches; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale.

[0011] Erfindungsgemäß wird ein weitgehend seigerungs- und freckelfreier Vorblock, dessen Flächenquerschnitt höchstens 90 % des den Gußkörper formenden Teils der Kokille beträgt, in dieser angeordnet und unter Verwendung eines durch den Stromdurchgang erhitzten, sich im Bereich der stromleitenden Elemente der Kokille befindlichen Schlackenbades durch fortgesetztes dosiertes Eingießen flüssigen Metalls mit dem zugeführten Metall verbunden; durch eine Relativbewegung zwischen Kokille und Block wird das Niveau des Schlackenspiegels in der Kokille annähernd solange konstant gehalten, bis der Vorblock in der gewünschten Länge radial aufgedoppelt also von einer angegossenen Mantelschicht umgeben ist dieser Vorgang vermag mit dem aufgedoppelten Vorblock mit einer Kokille größerer Abmessung einmal oder mehrmals solange wiederholt zu werden bis die gewünschte Endabmessung des Gußkörpers erreicht ist. Das Verfahren ist grundsätzlich für beliebige Querschnittsformen geeignet. Werden jedoch Rohblöcke benötigt, die durch Schmieden weiterverarbeitet werden, so werden am zweckmäßigsten Rundblöcke hergestellt.

[0012] Bei der Durchführung des Verfahrens ist es wichtig, dass die Gieß- respektive Schmelzgeschwindigkeit so eingestellt wird, dass die daraus resultierende Sumpftiefe eine nach oben gerichtete seigerungsfreie Erstarrung ermöglicht. Als günstig hat es sich erwiesen, die durchschnittliche Gießoder Schmelzgeschwindigkeit in kg/Std. so einzustellen, dass sie zwischen dem 0,25-fachen und 5-fachen der Summe aus äquivalentem Vorblockdurchmesser und Kokillendurchmesser in mm beträgt, wobei der äquivalente Durchmesser für von Rundquerschnitten abweichende Formen durch den Quotienten Umfang/π bestimmt wird. Bei überaus seigerungsempfindlichen Legierungen werden die besten Ergebnisse erzielt, wenn die Gieß- bzw. Schmelzgeschwindigkeit im Bereich zwischen dem 0,8 und 1,5-fachen der Summe der äquivalenten Durchmesser entsprechend dem o.a. Zusammenhang eingestellt wird.

[0013] Der für die Durchführung des Verfahrens benötigte Vorblock wird vorzugsweise durch ein Umschmelzverfahren mit selbstverzehrbarer Elektrode hergestellt, wobei hier eine Blockabmessung gewählt wird, die ein feinkörniges Gefüge gewährleistet und bei der mit Sicherheit ein Auftreten von Freckeln und Seigerungen vermieden werden kann. Grundsätzlich kann der Vorblock auch durch ein Elektroschlacke- oder sonstiges Gießverfahren hergestellt werden, solange eine ausreichende Freckel- und Seigerungsfreiheit sichergestellt ist.

[0014] Bei rißempfindlichen Legierungen -- und auch für eine gute und fehlerfreie Bindung zwischen dem Vorblock und der aufgedoppelten Schicht -- kann es zweckmäßig sein, den Vorblock auf eine Temperatur von bis zu 800°C vorzuwärmen. Für das Herstellen von homogenen freckel- und seigerungsfreien Blöcken und Gußkörpern für das Erzeugen von Schmiedestücken od.dgl. wird der Vorblock mit einer Legierung aufgedoppelt, welche die gleiche chemische Zusammensetzung wie der Vorblock aufweist. Für besondere Anwendungszwecke -- beispielsweise die Herstellung von Verbundwalzen, die einen zähen Kern und eine verschleißfeste Oberfläche aufweisen müssen -- kann der Vorblock auch mit einer Legierung völlig unterschiedlicher Zusammensetzung aufgedoppelt werden.

[0015] Für die Durchführung des Verfahrens ist es erforderlich, dass das flüssige Schlackenbad immer in der Höhe der in die Kokillenwand eingebauten, nicht direkt wassergekühlten und gegen den Rest der Kokille elektrisch isolierten stromleitenden Elemente sich befindet, da über diese eine Stromzuleitung in das Schlackenbad ermöglicht wird. Die Rückleitung des Stroms erfolgt dann über den Vorblock bzw. die Bodenplatte, auf welcher der Vorblock ruht. Durch den Stromdurchgang wird das Schlackenbad in flüssigem Zustand gehalten und soweit erhitzt, dass einerseits das Metall des Vorblocks oberflächlich angeschmolzen wird und dass andererseits auch bei langsamen Zugießen flüssigen Metalls zum Zweck des Aufdoppelns eine vorzeitige Erstarrung an der Stelle, wo der Meniskus des flüssigen Metallspiegels mit der wassergekühlten Wand der Kokille in Kontakt ist, vermieden wird.

[0016] Für das Anfahren des Prozesses wird der vorbereitete Vorblock auf einen -- in die lichte Kokillenöffnung passenden -- Stuhl aufgesetzt, der entweder wassergekühlt -- und somit wiederverwendbar -- sein oder auch aus dem gleichen Material wie der Vorblock bestehen kann. Der Stuhl mit dem darauf aufsitzenden Vorblock wird zunächst so in der Kokille positioniert, dass seine Oberkante gerade mit der Oberkante des unteren, wassergekühlten, die neue Blockoberfläche bildenden Teils der Kokille abschließt. Nun wird Spannung angelegt, wobei aber zunächst noch kein Strom fließt, da keine leitende Verbindung zwischen den stromleitenden Elementen und dem Vorblock bzw. der Bodenplatte besteht. Anschließend wird eine vorgeschmolzene Schlacke der gewünschten Zusammensetzung in den Spalt zwischen Vorblock und Kokillenwand eingegossen, womit ein Strom zu fließen beginnt, sobald der Schlackenspiegel in den Bereich der stromleitenden Elemente in der Kokillenwand kommt. Nun wir die gewünschte elektrische Leistung, entsprechend den Abmessungen von Vorblock und Kokille eingestellt und nach kurzer Zeit, die ausreicht um die dem Schlackenbad ausgesetzte Oberfläche des Vorblockes anzuschmelzen, mit dem Eingießen des aufzudoppenden Metalls begonnen. Um den Schlackenspiegel immer im Bereich der stromleitenden Elemente zu halten, wird entsprechend der Anlagenkonfiguration -- beispielsweise bei feststehendem Stuhl -- die Kokille kontinuierlich oder in Schritten in etwa in der Weise angehoben, wie durch die Zufuhr von Metall der Schlackenspiegel ansteigt. Verfügt die Anlage dagegen über eine feststehende Kokille, so wird der Stuhl in entsprechender Weise aus der Kokille nach unten abgezogen um so wieder ein annähernd konstantes Niveau des Schlackenspiegels in Bezug auf die stromleitenden Elemente sicherzustellen. Das Eingießen von flüssigem Metall kann dabei entsprechend der gewünschten Aufbaugeschwindigkeit kontinuierlich oder diskontinuierlich in Schritten erfolgen. Bei einer schrittweisen Zufuhr darf aber das Volumen der Metallmenge eines einzelnen Schrittes das Volumen des Schlackenbades nicht überschreiten. Sowohl bei kontinuierlicher als auch bei schrittweiser Metallzufuhr ist jedoch darauf Bedacht zu nehmen, dass die o.a. mittlere Gießrate nicht überschritten wird.

[0017] Das Anheben der Kokille bzw. das Absenken der Bodenplatte mit dem Stuhl kann in an sich bekannter Weise wieder kontinuierlich oder in Schritten erfolgen, wobei die mittlere Hub- bzw. Abzugsgeschwindigkeit wieder entsprechend auf die Metallzufuhrgeschwindigkeit abgestimmt sein muss. Bei schrittweiser Arbeitsweise ist darauf zu achten, dass der Einzelschritt nicht größer sein darf als die Höhe der in die Kokillenwand eingebauten stromleitenden Elemente. An jeden Hubschritt schließt eine Pause an solange bis der Schlackenspiegel wieder annähernd das ursprüngliche Niveau erreicht hat. Bei schrittweiser Arbeitsweise kann weiters zwischen Abzugshubschritt und Pause ein Rückhub eingeschaltet werden, wobei dann Abzugshub, Rückhub und Pause so aufeinander abgestimmt werden müssen, dass sie der mittleren Metallzufuhrgeschwindigkeit entsprechen.

[0018] Wird hingegen mit einer kontinuierlichen Abzugsgeschwindigkeit gearbeitet, so kann es für die Ausbildung einer guten Oberfläche hilfreich sein, wenn die Kokille, wie vom Stranggießen her bekannt, eine oszillierende Bewegung ausführt.

[0019] Als weitere wesentliche Maßgabe ist anzusehen, dass der auf einer absenkbaren Bodenplatte ruhende Gußkörper in der Weise aus der fest eingebauten Kokille abgezogen wird, dass das Niveau des Schlackenbads in der Kokille annähernd konstant bleibt. Zudem erfolgt das Eingießen des flüssigen Metalls oder das Aufschmelzen der zugesetzten festen Metallteile bevorzugt unter einer Schutzgasatmosphäre kontrollierter Zusammensetzung und kontrollierten Drucks; der kontrollierte Unterdruck wird im Bereich zwischen 1 und 600 mbar eingestellt, im Falle eines Überdrucks werden mehr als 2 bar bevorzugt.

[0020] Anstelle des Eingießens von flüssigem Metall kann auch festes Metall in Form von Stäben, Spänen oder Granalien in das Schlackenbad eingebracht und in diesem zum Aufschmelzen gebracht werden. Die Metallzufuhr in den Spalt zwischen Vorblock und Kokille wird in der oben beschriebenen Weise solange fortgesetzt, bis der gesamte Vorblock aufgedoppelt ist. Dann wird die Energiezufuhr zum Schlackenbad abgeschaltet und der aufgedoppelte Vorblock nach vollständiger Erstarrung der aufgedoppelten Schicht aus der Anlage entfernt.

[0021] Grundsätzlich kann das Verfahren an offener Luft durchgeführt werden, da das flüssige Schlackenbad den darunter liegenden Metallspiegel gegen den Luftsauerstoff schützt. Für die Herstellung hochwertiger Legierungen empfiehlt es sich dennoch, das Verfahren unter einer kontrollierten Schutzgasatmosphäre durchzuführen, wobei in diesem Fall je nach den Anforderungen auch unter Unter- oder Überdruck gearbeitet werden kann.

[0022] Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Herstellen seigerungs- und insbesondere freckelarmer Gußkörper aus Metall -- insbesondere aus Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen nach einem Elektroschlacke Schmelz- oder Gießverfahren -- mit einer kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille, in deren Wand nicht direkt wassergekühlte Stromleitelemente elektrisch isoliert gegenüber dem den Gußkörper formenden Teil der Kokille eingebaut sind und die mit einer der Kokille nach unten hin zugeordneten Bodenplatte versehen ist, wird zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens ein Gießspalt zur Aufnahme flüssigen Metalls durch einen auf die Bodenplatte gestellten Vorblock und die Kokille begrenzt. Bevorzugt werden zwei hintereinander geschaltete Kokillen; der Innendurchmesser der nachgeschalteten Kokille soll dabei größer sein als jener der voraufgehenden Kokille.

[0023] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in ihren drei Figuren jeweils einen Längsschnitt durch eine Gießeinrichtung mit Kokille.

[0024] In eine wassergekühlte Kokille 10 mit ringförmigem Hohlkörper 12 ist gemäß Fig. 1 von unten her eine -- ihrerseits hohle -- Bodenplatte 20 eingeschoben, die Teil eines Stuhles 22 ist. Der Außendurchmesser dieser Bodenplatte 20 ist geringfügig kürzer als der Innendurchmesser d der Kokille 10; die Bodenplatte 16 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 angeordnet ist.

[0025] Auf der Oberkante 13 ruht ein ringartiges Isolierelement 14 und auf diesem ein -- ebenfalls ringartig ausgebildetes --Stromleitelement 16; letzteres ist nach oben hin durch ein oberes Isolierelement 14_a von einem seinerseits wassergekühlten Hohlring 18 getrennt.

[0026] Ein beispielsweise durch ein Umschmelzverfahren mit selbstverzehrbarer Elektrode hergestellter Vorblock 24 ruht auf der Bodenplatte 20 des Stuhles 22, die in eine Position nahe der Oberkante 12 des unteren wassergekühlten Teils der Kokille 10 für den Startvorgang gebracht wurde. Der Vorblock 24 begrenzt mit der Kokille 10 einen Gießspalt 25 der Weite b.

[0027] Das Stromleitelement 16 sowie der Stuhl 22 sind über Hochstromleitungen 26, 26a mit je einem Pol einer Gleich- oder Wechselstromquelle 28 verbunden. Um den Prozess zu starten, wird aus einem Gefäß flüssige Schlacke in den von der Kokille 10 und dem Vorblock 24 begrenzten Kokillenspalt gegossen, bis ein Schlackenspiegel 32 eines entstehenden Schlackenbades 31 der Höhe e etwa die Oberkante des Stromleitelements 16 erreicht hat.

[0028] Anschließend wird -- wie in Fig. 2 schematisch dargestellt -- fortlaufend flüssiges Metall 34 durch das Schlackenbad 31 mit der vorgesehenen Gießgeschwindigkeit gegossen, wobei letzteres einerseits mit dem Vorblock 24 verschweißt und anderseits im Kontakt mit diesem sowie dem unteren wassergekühlten Teil der Kokille 10 erstarrt und eine mit dem Vorblock 24 fest verbundene aufgedoppelte Mantelschicht 36 bildet.

[0029] In Fig. 3 wird schematisch das nochmalige radiale Aufdoppeln eines bereits einmal aufgedoppelten Vorblocks 24 durch Aufbringen einer weiteren aufgedoppelten Schicht 38_a in einer Kokille 10 größeren Innendurchmessers d dargestellt.

[0030] Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens soll anhand des nachfolgenden Beispiels veranschaulicht werden:

[0031] Die hochwarmfeste Ni- Basislegierung Inconel 718 enthält neben den Legierungselementen Cr und Mo noch je 0,9 % Ti und Al sowie über 5 % Nb und auch B. Die Legierung ist äußerst freckelempfindlich, so dass qualitativ einwandfreie Blöcke sowohl nach dem Elektroschlacke- als auch nach dem Vakuumlichtbogen-Umschmelzverfahren nur bis zu Blockdurchmessern von etwa 450 mm mit Sicherheit herstellbar sind. Für den Bau stationärer Gasturbinen würden jedoch Blöcke aus dieser Legierung mit 12 bis 18 t Gewicht und einem Blockdurchmesser von 900 bis 1000 mm benötigt.

[0032] Für die Herstellung eines Rohblocks mit 16,5 t Gewicht bei einem Blockdurchmesser von 950 mm wurde in einer Elektroschlackeumschmelzanalge mit Standtiegel eine Abschmelzelektrode mit 340 mm Durchmesser und einer Länge von 4 m in einer Standkokille mit 420 mm Innendurchmesser mit einer Schmelzrate von 350 kg/h zu einem Block mit 2,6 m Länge umgeschmolzen. Die chemische Zusammensetzung der Abschmelzelektrode betrug 0,03 % C, 0,18 % Si, 0,21 % Mn, 19,15 % Cr, 2,97 % Mo, 52,83 % Ni, 0,89 % Ti, 0,92 % Al, 5,26 % Nb, 0,0042 % B und 17,85 % Fe. Für das Umschmelzen wurde eine Schlacke mit 70 % CaF₂ und je 15 % Al₂O₃ und CaO verwendet. Die Schlackenbadhöhe e wurde auf 14 cm eingestellt und die Leistungszufuhr zum Schlackenbad 31 im Bereich von 350 bis 380 kW bei einem Schmelzstrom zwischen 9,0 und 10,0 kA gehalten. Die Umschmelzdauer betrug knapp 10 h, wovon etwa 25 min. für das Anfahren, etwa 8 h 45 min. für den Blockaufbau und knapp 50 min. für das Hottopping anfielen. Nach dem Umschmelzen wurde der Block abgekühlt und aus der Kokille entnommen. Der Block wies eine glatte Oberfläche auf und hatte im kalten Zustand einen Durchmesser von 404 mm. Das Gewicht betrug 3060 kg.

[0033] Dieser so hergestellte Vorblock 24 wurde anschließend in einer Elektroschlacke-Umschmelzanlage mit absenkbarer Bodenplatte 20 auf den wassergekühlten Bodenplattenstuhl 22 einer stromleitenden Kokille 10 mit einem Innendurchmesser d von 700 mm aufgesetzt und die Oberkante des Stuhls 22 bis knapp unter die Oberkante des unteren wassergekühlten Teils 12 der in der Arbeitsbühne fest eingebauten Kokille 10 hochgefahren. Anschließend wurde der Hauptschalter der Stromversorgung eingeschaltet und die Spannung auf 70 V eingestellt, wobei noch kein Strom gemessen wurde. Es wurden dann etwa 70 kg flüssige Schlacke der Zusammensetzung 70 % CaF₂ und je 15 % Al₂O₃ und CaO in den Spalt zwischen Vorblock 24 und Kokille 10 eingegossen, worauf ein Strom von zunächst etwa 2,5 bis 3,0 kA zu fließen begann, der dann innerhalb von etwa 10 Minuten auf 9,0 bis 9,8 kA anstieg, womit auch eine Leistung von etwa 690 kW erreicht wurde. Es wurde nun eine erste Portion flüssigen Metalls 34 in den Spalt zwischen Vorblock 24 und Kokille 20 eingegossen, welches in einem Vakuuminduktionsofen mit 6 t Fassungsvermögen aus Cast Sticks erschmolzen worden war, die der gleichen Schmelze wie die Abschmelzelektrode des Vorblocks 24 entstammten und damit die gleiche chemische Zusammensetzung aufwiesen. Die Menge der ersten Portion betrug 15 kg, wodurch der Schlackenspiegel 32 um nicht ganz 7 mm anstieg. Dadurch wurde ein erster Abzugsschritt im Ausmaß von 3,5 mm ausgelöst, dem nach 30 sec. Pause ein weiterer Abzugsschritt von ebenfalls 3,5 mm folgte. Eine Minute nach der ersten Portion wurde eine weitere Portion von 15 kg eingegossen, wobei durch das Ansteigen des Badspiegels wieder ein Abzugsschritt von 3,5 mm ausgelöst wurde, dem ein weiterer nach 30 sec. folgte. Dieser Vorgang wurde bei Aufrechterhaltung der elektrischen Leistung fortgesetzt, bis das obere Ende des Vorblocks 24 nach 6 h und 25 min. erreicht war. Nach einer Nachkühlzeit von 25 min. wurde der aufgedoppelte Vorblock 24 aus der Anlage genommen. Dieser wies eine einwandfreie, glatte Oberfläche mit geringen Schlackenanhaftungen auf und hatte nun ein Gewicht von 8810 kg bei einem Durchmesser von 690 mm.

[0034] Dieser aufgedoppelte Vorblock 24 wurde anschließend in eine stromleitende Kokille 10 mit einem Arbeitsdurchmesser von 965 mm eingesetzt und der oben beschriebene Vorgang des Aufdoppelns oder Aufpanzerns (Cladding) abermals wiederholt, wobei folgende Parameter eingestellt wurden. Es wurden 95 kg flüssige Schlacke gleicher Zusammensetzung verwendet. Bei einer Spannung von 60 V stieg der Strom nach dem Eingießen der Schlacke innerhalb von 12 min. von 3,5 kA auf 17,0 kA an, wobei sich eine Leistung von 1020 kW einstellte. Jede Minute wurden wieder Portionen flüssigen Metalls 34 der gleichen chemischen Zusammensetzung von je 24 kg eingegossen, das Absenken erfolgte wieder alle 30 sec., wobei die einzelnen Hubschritte 3,9 mm betrugen. Dieser Vorgang wurde wieder fortgesetzt bis -- nach 5 h 35 min. -die gesamte Länge aufgedoppelt war. Nach einer Nachkühlzeit von wieder 25 min. wurde der Block aus der Anlage gehoben. Er wies einen Durchmesser von knapp über 9050 mm auf und hatte ein Gewicht von 16740 kg. Die Blockoberfläche war ausreichend, um den Block durch Schmieden direkt weiterverarbeiten zu können.

[0035] Der Block wurde daher in einem Herdwagenofen auf Schmiedetemperatur erwärmt und anschließend auf einer 4500 t - Schmiedepresse auf einen Durchmesser von 600 mm vorgeschmiedet. Bei dieser Abmessung wurde der Schmiederohling erkalten gelassen und überdreht. Bei einer Ultraschallprüfung nach dem Überdrehen konnten keine Fehleranzeigen festgestellt werden. Die Ultraschallprüfung ergab allerdings Hinweise auf Grobkorn, was aber die Verwendung nicht beeinträchtigte, da eine weitere Warmverformung vorgesehen war.

[0036] Der Stab wurde anschließend in zwei annähernd gleich lange Stücke geteilt, so dass sich die Möglichkeit ergab, aus der Blockmitte eine Scheibe für weitere Untersuchungen zu entnehmen. Diese Scheibe wurde geschliffen und einer Heißätzprüfung unterzogen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Scheibe über den gesamten Blockquerschnitt hinweg frei war von Blockseigerungen und insbesondere Freckelseigerungen. Die Bindung der aufgedoppelten Schichten war an allen Stellen einwandfrei. Das Gefüge in den aufgedoppelten Schichten war deutlich feiner als jenes im ursprünglichen Vorblock. Alles in allem zeigte eine Scheibe eine ausgezeichnete Gefügestruktur und erschien für einen Einsatz für rotierende Turbinenteile großer Abmessungen durchaus geeignet.

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von seigerungs- und insbesondere freckelarmen Gußkörpern aus Metall, insbesondere aus Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen nach einem Elektroschlacke Schmelz- oder Gießverfahren unter Verwendung einer kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille, in deren Wand nicht direkt wassergekühlte Stromleitelemente elektrisch isoliert gegenüber dem den Gußkörper formenden Teil der Kokille eingebaut sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein weitgehend seigerungs- und freckelfreier Vorblock eines Flächenquerschnitts von höchstens 90 % des den Gußkörper formenden Teils der Kokille in dieser unter Verwendung eines durch den Stromdurchgang erhitzten, sich im Bereich der Stromleitelemente der Kokille befindlichen Schlackenbades durch fortgesetztes dosiertes Eingießen flüssigen Metalls mit dem zugeführten Metall verbunden wird, und dass durch eine Relativbewegung zwischen Kokille und Block das Niveau des Schlackenspiegels in der Kokille annähernd konstant gehalten wird, bis der Vorblock in vorgegebener Länge von einer angegossenen Mantelschicht umgeben ist, wobei das Angießen der Mantelschicht, also das sog. Aufdoppeln des Vorblockes, wenigstens ein weiteres Mal in einer Kokille größeren Durchmessers bis zum Erreichen des vorgegebenen Enddurchmessers des Gußkörpers durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Gieß- oder Schmelzgeschwindigkeit in kg/Std. so eingestellt wird, dass sie zwischen dem 0,20-fachen und 5-fachen der Summe aus äquivalentem Vorblockdurchmesser und Kokillendurchmesser in mm beträgt, wobei der äquivalente Durchmesser durch den Quotienten Umfang/π bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Gieß- oder Schmelzgeschwindigkeit in kg/Std. zwischen dem 0,80-fachen und 1,5-fachen der Summe aus äquivalentem Vorblockdurchmesser und Kokillendurchmesser.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der weitgehend seigerungsarme und freckelfreie Vorblock durch ein Umschmelzverfahren mit selbstverzehrbarer Elektrode hergestellt wird, oder dass der weitgehend seigerungsarme und freckelfreie Vorblock durch Elektroschlackegießen hergestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der aufzudoppelnde Vorblock auf eine Temperatur von höchstens 800°C vorgewärmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Kreise mit konzentrischer Anordnung als geometrische Form der Querschnitte von Vorblock und Kokille/n, oder dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Form von Vorblock und Kokillen polygon, insbesondere rechteckig oder quadratisch, sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung des Vorblocks und die chemische Zusammensetzung der einen oder mehreren aufgedoppelten Schichten einander entsprechen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die chemischen Zusammensetzungen des Vorblocks und der einen oder mehreren aufgedoppelten Schichten verschieden sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Anheben der Kokille entsprechend dem Austrag des Schlackenspiegels entlang des auf einer feststehenden Bodenplatte ruhenden Gußkörpers die Relativbewegung zwischen Gußkörper und Kokille hergestellt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der auf einer absenkbaren Bodenplatte ruhende Gußkörper in der Weise aus der fest eingebauten Kokille abgezogen wird, dass das Niveau des Schlackenbads in der Kokille annähernd konstant bleibt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingießen des flüssigen Metalls oder das Aufschmelzen der zugesetzten festen Metallteile unter einer Schutzgasatmosphäre kontrollierter Zusammensetzung und kontrollierten Drucks durchgeführt wird, wobei gegebenenfalls der kontrollierte Druck im Bereich zwischen 1 und 600 mbar oder über 2 bar eingestellt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Anheben der Kokille oder Absenken der Bodenplatte in einzelnen Schritten mit anschließender Pause erfolgt, wobei bevorzugt zwischen Schritt und Pause ein kleinerer Gegenschritt durchgeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleichmäßiger Relativbewegung zwischen Gußkörper und Kokille diese oszillierend bewegt wird.

14. Anordnung zum Herstellen von seigerungs- und insbesondere freckelarmen Gußkörpern aus Metall, insbesondere aus Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen nach einem Elektroschlacke Schmelz- oder Gießverfahren, mit einer kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille (10), in deren Wand nicht direkt wassergekühlte Stromleitelemente (16) elektrisch isoliert gegenüber dem den Gußkörper formenden Teil (12) der Kokille (10) eingebaut sind, sowie mit einer der Kokille nach unten hin zugeordneten Bodenplatte (20), zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der voraufgehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen auf die Bodenplatte (20) gestellten Vorblock (24) und die Kokille (10) ein Gießspalt (25) zur Aufnahme flüssigen Metalls (34) begrenzt ist, wobei wenigstens zwei Kokillen (10) hintereinander geschaltet sind und der Innendurchmesser (d) der nachgeschalteten Kokille größer ist als jener der voraufgehenden Kokille.

Claims

1. Method of producing castings with little segregation and, in particular, few freckles, from metal, in particular steels and Ni and Co base alloys by an electroslag melting or casting process using a short, electrically conductive, water-cooled die, in the wall of which electrically conductive elements which are not directly water-cooled are installed in such a manner that they are electrically insulated from the part of the die forming the casting, characterised in that a substantially segregation-free and freckle-free bloom having a surface cross section of no more than 90 % of the part of the die forming the casting is joined therein to the metal supplied using a slag bath situated in the region of the electrically conductive elements of the die and heated by the passage of current by the continued metered pouring-in of liquid metal and that the level of the slag in the die is kept approximately constant by means of relative movement between the die and the bloom until the bloom of predetermined length is surrounded by a cast-on covering layer, the casting-on of the covering layer, i.e. what is referred to as doubling of the bloom, being carried out at least once more in a die having a larger diameter until the predetermined final diameter of the casting is achieved.

2. Method according to claim 1, characterised in that the average casting or melting rate in kg/hr is set in such a manner that it is between 0.20 times and 5 times the sum of the equivalent bloom diameter and die diameter in mm, the equivalent diameter being determined by the quotient of the circumference/π.

3. Method according to claim 2, characterised by a casting or melting rate in kg/hr of between 0.80 times and 1.5 times the sum of the equivalent bloom diameter and die diameter.

4. Method according to one of claims 1 to 3, characterised in that the substantially freckle-free bloom with little segregation is produced by a remelting process with a consumable electrode or that the substantially freckle-free bloom with little segregation is produced by electroslag casting.

5. Method according to one of claims 1 to 4, characterised in that the bloom to be doubled is preheated to a temperature of no more than 800°C.

6. Method according to one of claims 1 to 5, characterised by circles with a concentric arrangement as the geometric shape of the cross sections of the bloom and the die(s) or characterised in that the geometric shapes of the bloom and the dies are polygonal, in particular rectangular or square.

7. Method according to one of claims 1 to 6, characterised in that the chemical composition of the bloom and the chemical composition of the one or more doubled layers correspond with one another.

8. Method according to one of claims 1 to 7, characterised in that the chemical compositions of the bloom and of the one or more doubled layers are different.

9. Method according to one of claims 1 to 8, characterised in that the relative movement between the casting and the die is produced by lifting the die in accordance with the removal of slag along the casting resting on a stationary bottom plate.

10. Method according to one of claims 1 to 8, characterised in that the casting resting on a lowerable bottom plate is removed from the fixedly installed die in such a manner that the level of the slag bath in the die remains approximately constant.

11. Method according to one of claims 1 to 10, characterised in that the pouring-in of the liquid metal or the fusion of the fixed metal parts added is carried out in an inert-gas atmosphere of controlled composition under controlled pressure, the controlled pressure possibly being set in the region of between 1 and 600 mbar or more than 2 bar.

12. Method according to claim 9 or claim 10, characterised in that the lifting of the die or the lowering of the bottom plate is carried out in individual steps followed by a pause, a smaller counter step preferably being carried out between the step and the pause.

13. Method according to claim 9 or claim 10, characterised in that, given constant relative movement between the casting and the die, the latter is moved in an oscillating manner.

14. Arrangement for producing castings with little segregation and, in particular, few freckles, from metal, in particular steels and Ni and Co base alloys by an electroslag melting or casting process, comprising a short, electrically conductive, water-cooled die (10), in the wall of which electrically conductive elements (16) which are not directly water-cooled are installed in such a manner that they are electrically insulated from the part (12) of the die (10) forming the casting, and comprising a bottom plate (20) associated with the die at the bottom, for carrying out the method according to at least one of the preceding claims, characterised in that a casting gap (25) for receiving liquid metal (34) is delimited by a bloom (24) placed on the bottom plate (20) and the die (10), at least two dies (10) being arranged one behind the other and the inner diameter (d) of the downstream die being larger than that of the preceding die.

Revendications

1. Procédé de fabrication de corps en métal, présentant peu de liquations et en particulier peu de taches d'hétérogénéïté, en particulier en acier ainsi qu'en alliages à base de Ni et Co, d'après un procédé de fusion ou de coulée sous laitier électroconducteur, avec utilisation d'une coquille de coulée, conductrice du courant électrique, refroidie à l'eau, dans la paroi de laquelle sont montés des éléments conducteurs de courant non directement refroidis à l'eau, isolés électriquement par rapport à la partie de la coquille qui forme le corps coulé,
   caractérisé en ce que
   un bloc initial exempt dans une large mesure de liquations et de taches d'hétérogénéïté, d'une section transversale en surface d'au plus 90 % de la partie de la coquille qui forme le corps coulé, est lié dans celle-ci au métal apporté, par l'emploi d'un bain de laitier, chauffé par le passage de courant, et qui se trouve dans le voisinage des éléments conducteurs du courant de la coquille, par la coulée continue dosée de métal liquide, et en ce que, par un mouvement relatif entre la coquille et le bloc initial, le niveau de la surface du laitier dans la coquille est maintenu à peu près constant, jusqu'à ce que le bloc initial, sur une longueur prédéterminée, soit entouré d'une couche enveloppante coulée, la coulée de la couche enveloppante, donc ce qu'on appelle le doublage du bloc initial, étant poursuivi au moins une autre fois dans une coquille de plus grand diamètre jusqu'à ce que le diamètre final prédéterminé du corps coulé soit atteint.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse moyenne de coulée ou de fusion en kg/heure est réglée de telle sorte qu'elle est entre 0,20 et 5 fois la somme du diamètre équivalent du bloc initial et du diamètre de la coquille en mm, le diamètre équivalent étant déterminé par le quotient périmètre/π.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par une vitesse de coulée ou de fusion en kg/heure entre 0,80 et 1,5 fois la somme du diamètre équivalent du bloc initial et du diamètre de la coquille.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le bloc initial, présentant très peu de liquations et exempt de taches d'hétérogénéïté, est fabriqué par un procédé de refusion avec électrode consommable, ou que le bloc initial, présentant très peu de liquations et exempt de taches d'hétérogénéïté, est fabriqué par coulée de laitier électroconducteur.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le bloc initial à doubler est préchauffé à une température de 800°C au plus.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par des cercles en disposition concentrique en tant que forme géométrique des sections transversales du bloc initial et de la (des) coquille(s), ou caractérisé en ce que la forme géométrique du bloc initial et des coquilles est polygonale, en particulier rectangulaire ou carrée.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la composition chimique du bloc initial et la composition chimique de la ou des couches doublées correspondent l'une à l'autre.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les compositions chimiques du bloc initial et de la ou des couches doublées sont différentes.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le mouvement relatif entre le corps coulé et la coquille est produit par le soulèvement de la coquille de la façon qui correspond à la décharge de la surface du laitier le long du corps coulé reposant sur une sole fixe,.

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le corps coulé reposant sur une sole susceptible d'être abaissée est retiré de la coquille montée fixe de façon que le niveau du bain de laitier dans la coquille reste à peu près constant.

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la coulée du métal liquide ou la refusion des parties métalliques solides ajoutées est effectuée sous une atmosphère de gaz protecteur de composition contrôlée et de pression contrôlée, la pression contrôlée étant réglée le cas échéant dans la zone entre 1 et 600 mbars ou au-dessus de 2 bars.

12. Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le soulèvement de la coquille ou l'abaissement de la sole est réalisé par pas séparés suivis d'une pause, un pas en arrière plus petit étant de préférence effectué entre le pas et la pause.

13. Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'en cas de déplacement relatif régulier entre le corps coulé et la coquille, celle-ci est déplacée de façon oscillante.

14. Agencement de production de corps coulés en métal, présentant peu de liquations et en particulier peu de taches d'hétérogénéïté, en particulier en acier ainsi qu'en alliages à base de Ni et Co, d'après un procédé de fusion ou de coulée sous laitier électroconducteur, avec une coquille de coulée courte (10), conductrice du courant électrique, refroidie à l'eau, dans la paroi de laquelle sont montés des éléments (16) conducteurs du courant non directement refroidis à l'eau (16), isolés électriquement par rapport à la partie (12) de la coquille (10) qui forme le corps coulé, ainsi qu'avec une sole (20) associée à la coquille vers le bas, pour la mise en oeuvre du procédé selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, par un bloc initial (24) posé sur la sole (20) et par la coquille (10), on délimite une fente de coulée (25) pour recevoir le métal liquide (34), au moins deux coquilles (10) étant montées l'une derrière l'autre et le diamètre interne (d) de la coquille montée après étant plus grand que celui de la coquille précédente.

Zeichnung