VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM HERSTELLEN VON BLÖCKEN ODER STRÄNGEN AUS METALL DURCH ABSCHMELZEN VON ELEKTRODEN IN EINEM ELEKTRO-SCHLACKENBAD

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Blöcken oder Strängen aus Metall -- insbesondere aus Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen -- durch Abschmelzen selbstverzehrender Elektroden in einem elektrisch leitenden Schlackenbad unter Verwendung von Wechsel- oder Gleichstrom in einer kurzen, nach unten offenen wassergekühlten Kokille nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Zudem erfasst die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

[0002] Beim Erzeugen von Umschmelzblöcken nach dem Verfahren des Elektroschlacke-Umschmelzens in Standkokillen -- aber auch in kurzen Gleitkokillen -- ist es üblich, je nach der Seigerungsanfälligkeit der umgeschmolzenen Legierung eine Abschmelzrate in Kilogramm (kg) je Stunde einzustellen, die bei Rundblöcken zwischen 70 % und 110 % des Blockdurchmessers in Millimetern (mm) beträgt. Bei vom Rundquerschnitt abweichenden Blockformen, wie Quadrat- oder Flachformaten kann mit einem äquivalenten Durchmesser gearbeitet werden, der sich aus dem Querschnittsumfang dividiert durch die Zahl Π (Pi) errechnet. Der untere Bereich wird vor allem bei stark seigernden Legierungen -- wie Werkzeugstählen oder hochlegierten Nickel Basislegierungen -- angewendet, bei welchen zur Vermeidung von Seigerungen ein flacher Metallsumpf angestrebt wird. Der Wert von 70 % kann beim konventionellen ESU-Verfahren aber kaum unterschritten werden, da dann die Leistungszufuhr von der Abschmelzelektrode in das Schlackenbad sehr stark reduziert werden muss, was eine niedrige Temperatur des Schlackenbads und in weiterer Folge eine schlechte, oft rillige Oberfläche des Umschmelzblocks zur Folge hat. Bei zu niedriger Leistungszufuhr zum Schlackenbad bildet sich dann vielfach auch ein dicker Schlackenmantel zwischen Block und Kokille, was wiederum die Wärmeabfuhr von der Blockoberfläche behindert, so dass der erwünschte flache Schmelzsumpf wiederum nicht erzielt werden kann. Andererseits kann aber auch bei wenig seigerungsempfindlichen Stählen und Legierungen ein Wert von 110 % beim konventionellen Elektroschlackeumschmelzen, dem sog. ESU-Verfahren, nicht überschritten werden, da sonst die Überhitzung des Schlackenbads zusammen mit der erhöhten Abschmelzrate einen für Umschmelzblöcke unzulässig tiefen Schmelzsumpf und damit eine unerwünscht grobe Blockstruktur -- verbunden mit Seigerungen -- zur Folge hat. Wie aus dem oben Gesagten leicht zu erkennen ist, sind beim konventionellen ESU-Verfahren, bei welchem der Schmelzstrom über die Abschmelzelektrode in das Schlackenbad geleitet sowie über den umgeschmolzenen Block und die Bodenplatte wieder abgeleitet wird, die Schlackenbadtemperatur und die Abschmelzrate -- und im Zusammenhang damit Sumpftiefe sowie Ausbildung der Oberfläche -- eng miteinander verknüpft und können nicht unabhängig voneinander sowie getrennt kontrolliert und gesteuert werden.

[0003] Beim Herstellen von Umschmelzblöcken großen Durchmessers mit 1000 mm und darüber zeigt sich, dass die Einhaltung der oben angeführten gewünschten niedrigen Abschmelzraten vor allem bei Verwendung von Abschmelzelektroden großen Durchmessers, entsprechend 65 bis 85 % des Kokillendurchmessers, zu einer zu niedrigen Schlackenbadtemperatur führt, die ihrerseits dann eine schlechte, oftmals rillige Oberfläche am Umschmelzblock zur Folge hat. Erhöht man in diesem Fall die Leistungszufuhr zum Schlackenbad, so hat dies zwar eine Verbesserung der Blockoberfläche zur Folge, gleichzeitig erhöht sich dadurch aber die Abschmelzrate über die zulässige Grenze, was zu einem tieferen Schmelzsumpf und ungünstiger Erstarrung führt. Zu dieser Erhöhung der Abschmelzrate bei erhöhter Leistungszufuhr zum Schlackenbad kommt es deshalb, weil die Abschmelzelektrode einerseits der Energiezufuhr zum Schlackenbad dient, andererseits aber umso rascher abschmilzt, je mehr man die Energiezufuhr zum Schlackenbad erhöht. Die Elektrode muss dann mit der Geschwindigkeit in das Schlackenbad nachgeführt werden, mit der sie abschmilzt. Würde die Abschmelzelektrode nicht nachgeführt, so würde sie bis knapp oberhalb der Schlackenbadoberfläche abschmelzen, womit der elektrische Kontakt und damit die Leistungszufuhr zum Schlackenbad unterbrochen wären. Der Umschmelzprozess käme somit zum Erliegen.

[0004] Ein anderer Weg, die Schlackenbadtemperatur zu erhöhen, besteht darin, Elektroden kleineren Durchmessers umzuschmelzen. In diesem Fall ist die in das Schlackenbad eintauchende Stirnfläche der Elektrode kleiner, so dass ein vergleichsweise heißeres Schlackenbad benötigt wird, um die erwünschte Abschmelzrate zu erreichen. Mit dieser Maßnahme kann zwar vielfach eine Verbesserung der Blockoberfläche erreicht werden, jedoch führt die Verwendung von Elektroden kleinen Durchmessers zu einer erhöhten Wärmekonzentration im Zentrum des Blockes, was einen V-förmig vertieften Sumpf mit erhöhter Seigerungsneigung zur Folge haben kann.

[0005] All die o. a. Schwierigkeiten hängen ursächlich damit zusammen, dass einerseits die Abschmelzrate der Elektrode durch die über die Elektrode dem Schlackenbad zugeführte Energie kontrolliert wird und anderseits eben diese Energiezufuhr auch ausreichend sein muss, um den Schmelzsumpf bis zu seinem Rand hin ausreichend flüssig zu halten und ein zeitweiliges Fortschreiten der Erstarrung über den Meniskus des Schmelzsumpfes hinweg sicher zu verhindern. Kommt es nämlich aufgrund einer zu niedrigen Temperatur des Schlackenbades zeitweilig zu einem derartigen Erstarrungsfortschritt über den Meniskus hinweg, so hat dies die Ausbildung einer für die Weiterverarbeitung der Blöcke ungünstigen rilligen Oberfläche zur Folge.

[0006] Industrielle Elektroschlacke-Umschmelzanlagen werden heute praktisch ausschließlich mit Wechselstrom betrieben, obwohl Wechselstromanlagen bei hohen Stromstärken, wie sie beim Elektroschlacke-Umschmelzen üblich sind, nicht unerhebliche Wirk- und Blindverluste zur Folge haben. Diese Nachteile werden aber in Kauf genommen, da bei Verwendung von Wechselstrom sowohl gute metallurgische Ergebnisse als auch akzeptable Energieverbrauchszahlen erreicht werden. Bereits zu Beginn der technischen Anwendung des ESU-Verfahrens wurde versucht, das Verfahren mit Gleichstrom zu betreiben. Dabei zeigte sich bei der bei konventionellen ESU-Anlagen üblichen Leitungsführung des Schmelzstroms über Elektrode, Schlackenbad und Block und Bodenplatte, dass unabhängig von der Schaltung der Anlage das flüssige Metall immer entweder an der Elektrodenspitze oder im Schmelzsumpf sowohl die Kathode als auch die Anode bildete. Grundsätzlich wäre es erstrebenswert, das flüssige Metall als Kathode zu schalten, da an der Kathodengrenzfläche der Ablauf metallurgischer Feinungsreaktionen, wie der Abbau von Sauerstoff und Schwefel begünstigt werden. Andererseits wird an der Kathode beim Stromübergang nur wenig Wärme frei, da dort aufgrund der Ansammlung äußerst beweglicher kleiner Kationen der Übergangswiderstand gering ist. An der Anode, wo sich große, schwer bewegliche Anionen ansammeln, ist der Übergangswiderstand für den elektrischen Strom und damit die Energieausbeute zwar groß, es muss aber mit der Aufnahme von Anionen, wie Sauerstoff, Schwefel etc. aus der Schlacke gerechnet werden, was eine Verschlechterung der Güte des umgeschmolzenen Metalls zur Folge hat. Im Gegensatz dazu ändert sich beim Umschmelzen mit Wechselstrom ständig die Polarität der Grenzfläche, sowohl an der Elektrodenspitze als auch an der Phasengrenze zwischen Schlacke und Schmelzsumpf mit der Frequenz des verwendeten Wechselstroms. Dies führt einerseits zu einer relativ guten Stromausnützung für das Abschmelzen des Elektrodenmetalls sowie andererseits zu guten metallurgischen Ergebnissen, da das ständige Ändern der Polarität an den Phasengrenzflächen das Erreichen des thermodynamischen Gleichgewichtszustandes begünstigt. Wenn es jedoch gelingt, alle auftretenden Phasengrenzen zwischen Metall und Schlacke als Kathode zu schalten, so ist grundsätzlich eine weitere Verbesserung der metallurgischen Ergebnisse zu erwarten.

[0007] Die DE 196 14 192 Cl der Anmelderin offenbart eine kurze, wassergekühlte sowie unten offene Kokille zum Herstellen von Blöcken oder Strängen nach dem ESU-Verfahren bzw. Stranggießverfahren, bei welcher der Meniskus des Gießspiegels durch eine elektrisch leitende Schlacke abgedeckt ist. Diese Kokille enthält im Bereich des Schlackenbades oberhalb des Gießspiegels nicht direkt wassergekühlte, stromleitende Elemente, über die ein Kontakt zu einer Stromquelle herstellbar ist. Als Werkstoff für diese stromleitenden Elemente wird Graphit oder ein hochschmelzendes Metall -- beispielsweise W, Mo, Nb od.dgl. -- eingesetzt. In einer besonderen Ausführungsform können die stromleitenden Elemente gegenüber dem wassergekühlten Teil sowie gegeneinander durch nicht wassergekühlte, den Strom nicht leitende -- beispielsweise aus Keramik gefertigte -- Elemente, elektrisch isoliert sein.

[0008] Der -- ebenfalls von der Anmelderin stammenden -- EP 0 786 531 Al ist ein Verfahren zum kontinuierlichen Umschmelzen von Metallen -- insbesondere von Stählen und Ni- bzw. Co-Basislegierungen -- in einer kurzen, unten offenen wassergekühlten Kokille zu entnehmen; zum Herstellen eines Stranges wird dieser entweder durch kontinuierliches oder schrittweises Abziehen aus der Kokille -- oder bei feststehendem Strang entsprechendes Anheben der Kokille -- erzeugt. Um einerseits eine ausreichend hohe -- und damit eine wirtschaftliche -- Schmelzrate und andererseits eine hohe Qualität der Umschmelzstränge sicherzustellen, soll die Querschnittsfläche der Abschmelzelektrode mindestens das 0,5-fache der Querschnittsfläche des Umschmelzstranges betragen und die Abschmelzrate so eingestellt werden, dass sie dem 1,5 bis 30-fachen des aus dem Umfang des Gießquerschnitts errechneten äquivalenten Strangdurchmessers entspricht.

[0009] In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, die Abschmelzrate der Elektrode unabhängig von der Temperatur des Schlackenbades kontrollieren zu können und gleichzeitig eine gute Blockoberfläche sicherzustellen. Zudem soll bei Verwendung von Gleichstrom sowohl die Stirnfläche der Abschmelzelektrode als auch die Oberfläche des Schmelzsumpfs als Kathode geschaltet werden können.

[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 dr Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale.

[0011] Die Lösung der oben umrissenen Aufgabe gelingt in überraschen einfacher Weise, wenn für das Umschmelzen selbstverzehrender Elektroden unter Schlacke eine an sich bekannte Kokille mit in die Kokillenwand im Bereich des Schlackenbades eingebauten und gegen den unteren, den Umschmelzblock formenden Teil der Kokille, elektrisch isolierten stromleitenden Elementen verwendet wird, wobei diese bei Verwendung von mindestens zwei derartigen stromleitenden Elementen auch gegeneinander isoliert sein können. Damit wird es möglich, über die stromleitenden Elemente in der Kokillenwand dem Schlackenbad Energie zuzuführen bzw. auch aus diesem abzuführen und dieses unabhängig von der Stromzu- bzw. -abfuhr über die Elektrode oder den Block zu beheizen, so dass der Metallsumpf bis zum Rand über den Meniskus hinweg flüssig gehalten werden kann. Anderseits kann die Abschmelzrate der verzehrbaren Elektrode in einfacher Weise durch die Vorschubgeschwindigkeit gesteuert werden, mit der sie in das überhitzte Schlackenbad nachgeschoben wird. Die erzielbare Abschmelzrate wird dabei umso höher sein, je größer die Stirnfläche und die Eintauchtiefe der in das Schlackenbad eintauchenden Elektrode und je höher dessen Temperatur ist. Dabei kann die Abschmelzelektrode völlig stromlos sein. Es ist aber auch möglich, einen Teilstrom über die Elektrode zu führen. Hier kann es von Interesse sein, wenn der über die Elektrode geführte Teilstrom ein Gleichstrom ist, der so geschaltet ist, dass die Elektrode den negativen Pol bildet, also die Kathode ist. Auch der Blocksumpf kann grundsätzlich stromlos bleiben oder aber mit einem Teilstrom beaufschlagt werden. Bei Verwendung von Gleichstrom ist auch beim Blocksumpf eine Schaltung als Kathode aus den oben genannten Gründen von Interesse. Werden Block und Elektrode als Kathode geschaltet, so kann die Rückleitung über als Anode geschaltete stromleitende Elemente in der Kokille erfolgen.

[0012] Die im unteren Teil der Kokille geformten Umschmelzblöcke können aus dieser entweder nach unten abgezogen werden oder die Kokille wird in der Weise angehoben, wie der auf einer Bodenplatte stehende Block wächst.

[0013] Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist also ein Verfahren zum Herstellen von Blöcken oder Strängen aus Metallen, insbesondere aus Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen durch Abschmelzen selbstverzehrender Elektroden in einem elektrisch leitenden Schlackenbad in einer kurzen, nach unten offenen wassergekühlten Kokille mit in die Kokillenwand eingebauten stromleitenden Elementen, über welche in an sich bekannter Weise mittels gegen letztere und/oder gegeneinander isolierbare stromleitende Elemente ein Stromkontakt zum Schlackenbad herstellbar ist. Erfindungsgemäß wird der zugeführte Schmelzstrom über die Abschmelzelektrode und/oder über die Bodenplatte, den Umschmelzblock und den Schmelzsumpf sowie zumindest ein stromleitendes Element der Kokille in das Schlackenbad eingeleitet, wobei die Stromverteilung zwischen den einzelnen Zuleitungswegen kontrolliert eingestellt sowie die Rückleitung des Schmelzstroms über mindestens ein stromleitendes Element der Kokille erfolgt, das gegenüber einem allfälligen ersten sowie auch den den Umschmelzblock formenden Teil der Kokille elektrisch isoliert ist. Zudem hat es sich als günstig erwiesen, dass der Anteil über die Abschmelzelektrode zugeführten Stroms bei 0 bis 100 % des gesamten zugeführten Schmelzstroms liegen kann.

[0014] Dieses hier vom Prinzip her geschilderte erfindungsgemäße Verfahren kann in vielfacher Weise an die Erfordernisse des Betreibers angepasst werden.

[0015] So kann beispielsweise die kurze, stromleitende Kokille fest in eine Arbeitsbühne eingebaut sein und der Umschmelzblock nach unten abgezogen werden.

[0016] Es kann aber auch der Block auf einer feststehenden Bodenplatte aufgebaut und die Kokille in der Weise angehoben werden, wie der Block anwächst. Das Abziehen des Blockes bzw. Anheben der Kokille können kontinuierlich oder schrittweise erfolgen.

[0017] Ferner besteht die Möglichkeit, die Kokille oszillieren zu lassen, was insbesondere bei einem kontinuierlichen Blockabzug von Interesse sein kann.

[0018] Im Falle einer schrittweisen Blockabzugs- oder Kokillenhubbewegung kann zusätzlich an jeden Hubschritt unmittelbar ein Gegenhubschritt anschließen, wobei dessen Schrittlänge bis zu 60 % der Schrittlänge des Abzugshubschrittes betragen kann.

[0019] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:

Fig. 1, 2, 4:

jeweils einen Längsschnitt durch eine Gießeinrichtung für Metalle mit Kokille;

Fig. 3:

einen vergrößerten Schnitt durch Fig. 2 nach deren Linie III - III.

[0020] Einer wassergekühlten Kokille 10 mit hohlem ringförmigem Kokillenkörper 12 ist gemäß Fig. 1 von unten her eine -ihrerseits hohle -- Bodenplatte 14 zugeordnet, deren Außendurchmesser geringfügig kürzer ist als der Innendurchmesser d der Kokille 10; die Bodenplatte 14 kann zum Anfahren der Anlage soweit in die Kokillenöffnung bzw. den Kokilleninnenraum 11 der Höhe h eingeschoben werden, bis sie unmittelbar unterhalb der Oberkante 13 des Kokillenhohlkörpers 12 verläuft.

[0021] Auf der Oberkante 13 ruht ein ringartiges Isolierelement 16 und auf diesem ein -- ebenfalls ringartig und/oder aus mehreren Teilen ausgebildetes - stromleitendes Element 18; letzteres ist von den -- den Strom nicht leitenden -- Isolierelementen 16 gegen den wassergekühlten unteren Bereich 20 der Kokille 10 elektrisch isoliert und nach oben hin durch ein oberes Isolierelement 16_a von einem seinerseits wassergekühlten Hohlring 22 als oberem Bereich getrennt. Für die erfindungsgemäße Verwendung der hier beschriebenen Anlage ist das obere Isolierelement 16_a allerdings nicht zwingend erforderlich.

[0022] Auf der Bodenplatte 14 lagert -- unterhalb eines Schlackenbades 24 sowie eines von diesem überdeckten Sumpfes 26 -ein durch ein Umschmelzverfahren mit selbstverzehrbarer Elektrode 28 erzeugter, in jenem wassergekühlten unteren Bereich 20 der Kokille 10 geformter Umschmelz- oder Vorblock 30. Um den Prozess zu starten, kann beispielsweise flüssige Schlacke in den von der Kokille 10 und der Elektrode 28 begrenzten Kokillenspalt gegossen werden, bis der Schlackenspiegel 25 des entstehenden Schlackenbades 24 etwa die Oberkante des Stromleitelements 16_a erreicht hat.

[0023] Die Zuleitung des Schmelzstroms zum Schlackenbad 26 von einer Wechsel- oder Gleichstromquelle 36 erfolgt -- je nach Stellung von Hochstromkontakten 38 und 39 -- in Hochstromleitungen 32, 32_a entweder nur über die Elektrode 28 oder nur über die Bodenplatte 14, den Umschmelzblock 30 und den Schmelzsumpf 24 oder aber über Elektrode 28 und Bodenplatte 14 gleichzeitig, wobei die Anteile des über die Elektrode 28 und die Bodenplatte fließenden Stroms durch regelbare Widerstände 42, 42_a oder andere in der Wirkung vergleichbare Vorrichtungen nach Wunsch eingestellt werden können. Die Rückleitung des gesamten Schmelzstroms erfolgt bei dieser Anordnung ausschließlich über das in die Kokillenwandung eingebaute stromleitende Element 18 und eine dieses mit der Stromquelle 36 verbindenden Rückleitung 35.

[0024] Bei einer anderen Anordnung nach Fig. 2 ist die Kokille 10 mit mindestens zwei durch Isolierelemente 16, 16_a sowohl gegeneinander als auch gegen den unteren Bereich 20 der Kokille 10 und -- hier zwingend -- gegen den oberen Bereich 22 der Kokille 10, nämlich jenen Hohlring 12, isolierten Stromleitelementen 18, 18_a ausgerüstet. Fig. 3 lässt dazu zwei jeweils teilkreisförmige Stromleitelemente 18, 18_a erkennen, die durch -- mit ihnen einen Ring bildende -- entsprechend geformte Isolierelemente 16_b voneinander getrennt sind; werden -- wie hier beschrieben -- zwei oder mehrere auf verschiedenen Potentialen liegende Stromleitelemente 18, 18_a benötigt, so können diese insbesondere bei Kokillen 10 mit um eine Längsachse A gelegten kreisförmigem Querschnitt auch kreisförmig als Ring ausgebildet und übereinander angeordnet werden sowie durch die dazwischen angeordneten -- ebenfalls ringförmigen -- Isolierelemente 16 gegeneinander isoliert sein.

[0025] Hier besteht die Möglichkeit, die Stromzuleitung zwischen Kokille 10 und Stromquelle von zwei Wechsel- oder Gleichstromquellen 36, 36_a an nur eines der stromleitenden Elemente 18 oder 18_a anzulegen. Diese auf unterschiedlichem Potential liegenden stromleitenden Elemente 18, 18_a können dabei -- jeweils gegeneinander isoliert -- über den Umfang der Kokille 10 auf mehrere Einzelelemente aufgeteilt sein. Die Rückleitung des Stroms mag dann über das jeweils andere stromleitende Element 18_a oder 18 erfolgen.

[0026] Von der in Fig. 2 rechten Stromquelle 36 kann Strom je nach Stellung der Hochstromschalter 38, 39 entweder nur über die Elektrode 28 durch Leitung 32 oder nur über Bodenplatte 14 samt Block 30 durch Leitung 32_a oder über beide gemeinsam in das Schlackenbad 26 geführt werden. Bei Zuleitung über Bodenplatte 14 und Block 30 gemeinsam kann die Aufteilung des Stroms durch regelbare Widerstände 42, 42_a eingestellt werden. Die Rückführung kann dann über eines der beiden stromleitenden Elemente -- hier 18 -- der Kokille 10 und Rückleitung 35 erfolgen. Von Rückleitung 35 führt eine Zweigleitung 37 zur linken Stromquelle 36_a, die anderseits durch eine Leitung 31 an das stromleitende Element 18_a angeschlossen ist. Wenn es sich bei der Stromquelle 36 um eine Gleichstromquelle handelt, so besteht die Möglichkeit, Elektrode 28 und Block 30 als Kathode zu schalten.

[0027] Werden -- wie hier beschrieben -- zwei oder mehrere auf verschiedenen Potentialen liegende stromleitende Elemente 18, 18_a benötigt, so können diese insbesondere bei Kokillen 10 mit kreisförmigem Querschnitt auch kreisförmig als Ring ausgebildet und übereinander angeordnet werden und durch dazwischen angeordnete, ebenfalls ringförmige Isolierelemente gegeneinander isoliert sein.

[0028] In Fig. 4 ist eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit drei parallel angeordneten, getrennt regelbaren Schmelzstromversorgungen oder Stromquellen 36, 36_a, 36_b dargestellt. Dabei ist beispielsweise die Zuleitung von der in Fig. 4 linken Schmelzstromversorgung 36_b zur Bodenplatte 14 und dem Umschmelzblock 30 über Leitung 31_a, die Zuleitung von der mittleren Schmelzstromversorgung 36_a zu mindestens einem stromleitenden Element 18_a über Leitung 31 und die Zuleitung von der rechten Schmelzstromversorgung 36 zur Abschmelzelektrode 28 über Leitung 32 geführt. Eine gemeinsame Rückleitung wird von mindestens einem weiteren, gegenüber dem ersteren und gegenüber dem unteren und dem oberen Bereich 20 bzw. 22 der Kokille 10 isolierten stromleitenden Element 18 zu den drei Stromversorgungen 36, 36_a, 36_b zurückgeführt. Die einzelnen Stromkreise können über Hochstromschalter 41, 41_a, 41_b in Rückleitung 35 bzw. Zweigleitungen 37_a, 37_b unterbrochen werden. Diese Anordnung ermöglicht unterschiedliche Arbeitsweisen. Werden als Schmelzstromversorgungen drei parallel geschaltete Wechselstromquellen 36, 36_a, 36_b verwendet, so können über jede der Zuleitungen 32, 31, 31_a unabhängig einstellbare Ströme gefahren werden.

[0029] Die drei Stromversorgungen oder Stromquellen 36, 36_a, 36_b können beispielsweise aber auch an die drei Phasen einer Drehstromversorgung angeschlossen werden, wobei die Rückleitung zum Sternpunkt geführt wird. Damit wird es möglich, im Schlackenbad und Metallsumpf eine durch das Drehfeld induzierte Rührbewegung aufzubauen. Es ist aber auch möglich, Elektrode 28 und Bodenplatte 14 als Kathode zu schalten, wenn als Stromquellen oder Schmelzstromversorgungen 36 und 36_b Gleichstromquellen verwendet werden, wobei die einzelnen Stromstärken unabhängig voneinander eingestellt und geregelt werden können. Als Stromversorgung 36_a kann dann eine Wechselstromquelle eingesetzt werden, die über die stromleitenden Elemente 18, 18_a der Kokille 10 für eine effiziente Beheizung des Schlackenbad 24 sorgt.

[0030] Durch Auswechseln der Elektroden 28 können in den erfindungsgemäßen Anlagen -- unabhängig von der Elektrodenlänge -- auch lange Umschmelzblöcke hergestellt werden.

[0031] Die Elektrode 28 und das Schlackenbad 24 können durch hier nicht dargestellte gasdichte Hauben, die auch gegen den Kokillenflansch abdichtbar sind, gegen Luftzutritt geschützt werden. Damit kann das Umschmelzen unter kontrollierter Atmosphäre und Ausschluss des Luftsauerstoffs stattfinden, womit auch die Herstellung höchstreiner Umschmelzblöcke 30 ermöglicht und ein Abbrand sauerstoffaffiner Elemente verhindert wird.

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von Blöcken oder Strängen aus Metall, insbesondere aus Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen, durch Abschmelzen selbstverzehrender Elektroden (28) in einem elektrisch leitenden Schlackenbad (24) unter Verwendung von Wechsel- oder Gleichstrom in einer kurzen, nach unten offenen wassergekühlten Kokille, über welche mittels gegen letztere und gegeneinander isolierbare stromleitende Elemente (18, 18_a) ein Stromkontakt zum Schlackenbad (24) herstellbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zugeführte Schmelzstrom über die Abschmelzelektrode (28) und über die Bodenplatte (14), den Umschmelzblock (30) und den Schmelzsumpf (26) sowie mindestens ein stromleitendes Element (18_a) der Kokille (10) in das Schlackenbad (24) eingeleitet wird, wobei die Stromverteilung zwischen den einzelnen Zuleitungswegen kontrolliert eingestellt sowie die Rückleitung des Schmelzstroms über mindestens ein weiteres, gegenüber einem allfälligen ersten sowie gegen den den Umschmelzblock formenden Teil der Kokille (10) elektrisch isoliertes stromleitendes Element (18) der Kokille rückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der über die Bodenplatte (14) zugeführte Anteil des gesamten zugeführten Schmelzstroms zwischen 0 und 100 % gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der über die Abschmelzelektrode zugeführte Anteil des gesamten zugeführten Schmelzstroms zwischen 0 und 100 % gewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der über das mindestens eine stromleitende Element der Kokille zugeführte Anteil des gesamten zugeführten Schmelzstroms zwischen 0 und 100 % gewählt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Gleichstrom die Zuleitung zu Elektrode und/oder Bodenplatte und Block als Kathode geschaltet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gebildete Block kontinuierlich aus der Kokille abgezogen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gebildete Block schrittweise aus der Kokille abgezogen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gebildete Block feststeht und die Kokille kontinuierlich angehoben wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gebildete Block feststeht und die Kokille schrittweise angehoben wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille eine oszillierende Bewegung ausführt.

11. Verfahren nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass an jeden Hubschritt unmittelbar ein Gegenhubschritt in entgegengesetzter Richtung angeschlossen wird, wobei die Hublänge des Gegenhubschritts höchstens 60 % der Hublänge des vorangegangenen Hubschritts beträgt.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der voraufgehenden Patentansprüche, unter Verwendung einer kurzen wassergekühlten Kokille (10) mit Bodenplatte (14) zum Aufbau eines Umschmelzblocks (30) sowie mit zumindest einem im Bereich des Schlackenbads (24) vorgesehenen stromleitenden Element (18, 18_a), das gegenüber dem unteren, den Umschmelzblock (30) formenden Bereich (20) der Kokille (10) und/oder gegen andere stromleitende Elemente isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (32, 32_a) des Schmelzstroms von mindestens einer Stromquelle (36, 36_a) sowohl zur Abschmelzelektrode (28) als auch zur Bodenplatte (14) sowie zu einem stromleitenden Element (18_a) der Kokille (10) geführt ist, dass die Stromverteilung zwischen den Zuleitungen durch Steuerelemente (42, 42_a) kontrolliert einstellbar ist, und dass die Rückleitung (35) zu der mindestens einen Stromquelle oder Schmelzstromversorgung (36, 36_a, 36_b) über mindestens ein stromleitendes Element (18) der Kokille (10) geführt ist, welches gegenüber dem zumindest einen anderen stromleitenden Element (18_a) sowie gegen den den Umschmelzblock (30) formenden Teil (20) der Kokille (10) elektrisch isoliert ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch zwei oder drei voneinander unabhängig regelbare Stromquellen oder Stromversorgungen (36, 36_a, 36_b).

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (36) einerseits an ein stromleitendes Element (18) der Kokille (20) angeschlossen sowie anderseits mit der Abschmelzelektrode (28) und mit der Bodenplatte (14) verbindbar ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Stromquellen (36, 36_a) einerseits an ein stromleitendes Element (18) der Kokille (10) angeschlossen sind sowie andernends die eine der Stromquellen (36_a) mit einem anderen stromleitenden Element (18_a) der Kokille und die andere Stromquelle (36) mit der Abschmelzelektrode (28) und mit der Bodenplatte (14) verbindbar ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Stromquellen (36, 36_a, 36_b) einerseits an ein stromleitendes Element (18) der Kokille (10) angeschlossen sind sowie anderseits eine der Stromquellen (36) mit der Abschmelzelektrode (28), eine weitere Stromquelle (36_b) mit der Bodenplatte (14) und eine weitere Stromquelle (36_a) mit einem anderen stromleitenden Element (18_a) der Kokille verbunden ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Stromstärken zwischen den einzelnen Zuleitungen (31, 31_a, 32, 32_a) durch regelbare Widerstände (42, 42_a) einstellbar ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (42, 42_a) in der Leitung (32, 32_a) für die Abschmelzelektrode (28) und für die Bodenplatte (14) angeordnet sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von drei Stromquellen oder Stromversorgungen (36, 36_a, 36_b) diese an die drei Phasen eines Drehstromnetzes angeschlossen sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmelzstromversorgung Gleichrichteranlagen vorgesehen sind.

Claims

1. Method for manufacturing billets or slabs from metal, in particular from steels as well as Ni- and Co-based alloys, by melting consumable electrodes (28) in an electrically conductive slag bath (24) using alternating or direct current in a short, open-bottomed, water-cooled chill mould via which electrical contact with the slag bath (24) can be made by means of electrically conductive elements (18, 18_a) which can be insulated from the chill mould and from each other, characterised in that the melting current supplied is introduced into the slag bath (24) via the consumable electrode (28) and via the bottom plate (14), the remelt billet (30) and the melting sump (26) as well as at least one electrically conductive element (18_a) of the chill mould (10), wherein the current distribution between the individual supply paths is adjusted in a controlled fashion, and the return of the melting current is conducted back via at least one further electrically conductive element (18) of the chill mould which is electrically insulated from a possible first portion of the chill mould (10) and from the chill mould portion forming the remelt billet.

2. Method according to claim 1, characterised in that the proportion of the total melting current supplied which is supplied via the bottom plate (14) is selected between 0 and 100%.

3. Method according to claim 1, characterised in that the proportion of the total melting current supplied which is supplied via the consumable electrode is selected between 0 and 100%.

4. Method according to claim 1, characterised in that the proportion of the total melting current supplied which is supplied via the at least one electrically conductive element of the chill mould is selected between 0 and 100%.

5. Method according to any of claims 1 to 4, characterised in that, if direct current is used, the supply to the electrode and/or bottom plate and billet is connected as the cathode.

6. Method according to any of claims 1 to 5, characterised in that the billet formed is removed from the chill mould continuously.

7. Method according to any of claims 1 to 5, characterised in that the billet formed is removed from the chill mould stepwise.

8. Method according to any of claims 1 to 5, characterised in that the billet formed is stationary and the chill mould is lifted continuously.

9. Method according to any of claims 1 to 5, characterised in that the billet formed is stationary and the chill mould is lifted stepwise.

10. Method according to any of claims 6 to 8, characterised in that the chill mould performs an oscillating movement.

11. Method according to claim 7 or 9, characterised in that each stroke step is immediately followed by a counter-stroke step in the opposite direction, wherein the stroke length of the counter-stroke step is not more than 60% of the stroke length of the previous stroke step.

12. Apparatus for carrying out the method according to any of the preceding patent claims, using a short water-cooled chill mould (10) with a bottom plate (14) for building up a remelt billet (30) and with at least one electrically conductive element (18, 18_a) which is provided in the region of the slag bath (24) and which is insulated from the lower region (20) of the chill mould (10) forming the remelt billet (30) and/or from other electrically conductive elements, characterised in that the supply (32, 32_a) of the melting current is conducted from at least one current source (36, 36_a) both to the consumable electrode (28) and to the bottom plate (14) as well as to an electrically conductive element (18_a) of the chill mould (10), in that the current distribution between the supply lines is adjustable by control elements (42, 42_a) in a controlled fashion, and in that the return (35) is conducted to the at least one current source or melting current supply (36, 36_a, 36_b) via at least one electrically conductive element (18) of the chill mould (10) which is electrically insulated from the at least one other electrically conductive element (18_a) and from the portion (20) of the chill mould (10) forming the remelt billet (30).

13. Apparatus according to claim 12, characterised by two or three current sources or current supplies (36, 36_a, 36_b) which can be regulated independently of each other.

14. Apparatus according to claim 12, characterised in that the current source (36) is on the one hand connected to an electrically conductive element (18) of the chill mould (20) and on the other hand designed to be capable of being connected to the consumable electrode (28) and to the bottom plate (14).

15. Apparatus according to claim 12 or 13, characterised in that at least two current sources (36, 36_a) are on the one hand connected to an electrically conductive element (18) of the chill mould (10) and at the other end one of the current sources (36_a) is designed to be capable of being connected to another electrically conductive element (18_a) of the chill mould and the other current source (36) is designed to be capable of being connected to the consumable electrode (28) and to the bottom plate (14).

16. Apparatus according to claim 12 or 13, characterised in that at least the current sources (36, 36_a) are on the one hand connected to an electrically conductive element (18) of the chill mould (10) and on the other hand one of the current sources (36) is connected to the consumable electrode (28), a further current source (36_b) is connected to the bottom plate (14) and a further current source (36_a) is connected to another electrically conductive element (18_a) of the chill mould.

17. Apparatus according to any of claims 12 to 16, characterised in that the division of current intensities between the individual supplies (31, 31_a, 32, 32_a) is adjustable by variable resistors (42, 42_a).

18. Apparatus according to claim 17, characterised in that the resistors (42, 42_a) are arranged in the line (32, 32_a) for the consumable electrode (28) and for the bottom plate (14).

19. Apparatus according to claim 13 or 16, characterised in that, if three current sources or current supplies (36, 36_a, 36_b) are used, they are connected to the three phases of a three-phase current network.

20. Apparatus according to any of claims 12 to 19, characterised in that rectifier systems are provided as the melting current supply.

Revendications

1. Procédé de fabrication de lingots ou barres métalliques, en particulier en acier, ainsi qu'en alliages à base de Ni et Co, par fusion d'électrodes (28) auto-consommables dans un bain de laitier (24) électroconducteur moyennant l'utilisation de courant alternatif ou continu dans une courte lingotière, ouverte vers le bas et refroidie à l'eau, qui permet d'établir un contact électrique avec le bain de laitier (24) au moyen d'éléments électroconducteurs (18, 18_a), aptes à être isolés par rapport à la lingotière et l'un par rapport à l'autre,
   caractérisé en ce que le courant de fusion acheminé est introduit dans le bain de laitier (24) en passant par l'électrode de fusion (28) et en passant par la plaque du fond (14), le lingot en formation (30) et le pied de bain (26), ainsi que par au moins un élément électroconducteur (18_a) de la lingotière (10), la répartition du courant entre les différents trajets des lignes d'admission étant ajustée de manière contrôlée et la ligne de retour du courant de fusion étant guidée en passant par au moins un autre élément électroconducteur (18) de la lingotière, isolé électriquement par rapport à un éventuel premier élément électroconducteur, ainsi que par rapport à la partie de la lingotière (10) constituant le lingot en formation.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la part du courant de fusion global acheminé, introduite en passant par la plaque du fond (14), est choisie entre 0 et 100 %.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la part du courant de fusion global acheminé, introduite en passant par l'électrode de fusion, est choisie entre 0 et 100 %.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la part du courant de fusion global acheminé, introduite en passant par au moins un élément électroconducteur de la lingotière, est choisie entre 0 et 100 %.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, en présence d'un courant continu, la ligne d'admission vers l'électrode et/ou la plaque du fond et le lingot est branchée en tant que cathode.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le lingot formé est retiré en continu hors de la lingotière.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le lingot formé est retiré par étapes hors de la lingotière.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le lingot formé est fixe et la lingotière est soulevée en continu.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le lingot formé est fixe et la lingotière est soulevée par étapes.

10. Procédé selon la revendication 6 ou 8, caractérisé en ce que la lingotière fait l'objet d'un mouvement oscillant.

11. Procédé selon la revendication 7 ou 9, caractérisé en ce que chaque étape d'une course est suivie directement par une étape de contre-course dans le sens opposé, la longueur de la contre-course étant égale à 60 % au maximum de la longueur de la course précédente.

12. Dispositif destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, moyennant l'utilisation d'une lingotière (10) courte, refroidie à l'eau, avec une plaque de fond (14) pour la constitution du lingot en formation (30), et avec au moins un élément électroconducteur (18, 18_a), prévu dans la zone du bain de laitier (24) et isolé par rapport à la zone inférieure (20) de la lingotière (10), constituant le lingot en formation (30), et/ou par rapport à d'autre éléments électroconducteurs, caractérisé en ce que la ligne d'admission (32, 32_a) du courant de fusion est guidée à partir d'au moins une source de courant (36, 36_a) vers une électrode de fusion (28), de même que vers la plaque du fond (14), ainsi que vers un élément électroconducteur (18_a) de la lingotière (10), en ce que la répartition du courant entre les lignes d'admission est destinée à être ajustée de manière contrôlée par des éléments de commande (42, 42_a) et en ce que la ligne de retour (35) vers au moins une source de courant ou un bloc d'alimentation en courant de fusion (36, 36_a, 36_b) est guidée en passant par au moins un élément électroconducteur (18) de la lingotière (10), lequel est isolé électriquement par rapport à un autre élément électroconducteur (18_a), ainsi que par rapport à la partie (20) de la lingotière (10) constituant le lingot en formation (30).

13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que deux ou trois sources de courant ou blocs d'alimentation en courant (36, 36_a, 36_b) sont aptes à être réglées indépendamment les unes des autres.

14. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que la source de courant (36), d'une part, est raccordée à un élément électroconducteur (18) de la lingotière (10) et, d'autre part, est conçue pour être reliée à l'électrode de fusion (28) et à la plaque de fond (14).

15. Dispositif selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que, d'une part, au moins deux sources de courant (36, 36_a) sont raccordées à un élément électroconducteur (18) de la lingotière (10) et, d'autre part, l'une des sources de courant (36_a) est conçue pour être reliée à l'autre élément électroconducteur (18_a) de la lingotière (10), et l'autre source de courant (36) est conçue pour être reliée à l'électrode de fusion (28) et à la plaque de fond (14).

16. Dispositif selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que, d'une part, au moins les sources de courant (36, 36_a, 36_b) sont raccordées à un élément électroconducteur (18) de la lingotière (10) et, d'autre part, l'une des sources de courant (36) est conçue pour être reliée à l'électrode de fusion (28), une autre source de courant (36_b) pour être reliée à la plaque de fond (14) et autre source de courant (36_a) pour être reliée à un autre élément électroconducteur (18_a) de la lingotière.

17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, caractérisé en ce que la répartition des intensités de courant entre les différentes lignes d'admission (31, 31_a, 32, 32_a) peut être ajustée par des résistances (42, 42_a) réglables.

18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que les résistances (42, 42_a) sont montées dans la ligne (32, 32_a) pour l'électrode de fusion (28) et pour la plaque du fond (14).

19. Dispositif selon la revendication 13 ou 16, caractérisé en ce que, en présence de trois sources de courant ou blocs d'alimentation en courant (36, 36_a, 36_b), celles-ci sont raccordées aux trois phases d'un réseau de courant triphasé.

20. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 19, caractérisé en ce que des groupes de redresseurs de courant sont prévues pour former le bloc d'alimentation en courant de fusion.

Zeichnung