METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING INGOTS

Abstract: In the method/device, a metallic melt (12), e.g. molten steel, is introduced into a one- or multi-part ingot mould having a cap (9), in particular a water-cooled head, preferably to just below the cap, whereupon an electrically conductive slag (13), preferably liquefied hot slag, is applied to the surface of the metal, and heat and, if required, further melt is supplied to the melt via an electrode (10), in particular a consumable electrode, of a composition which may correspond essentially to the metallic melt (12), heat, in particular solidification heat, being removed and/or dissipated in a delayed fashion from the mould in its upper region (7) and hence from the solidifying ingot below the cap (9), the lower part of the mould (4), in particular the baseplate (1), preferably being cooled, preferably fluid-cooled, while heat and, if required, molten metal are supplied to the solidifying block via the electrode (10). <IMAGE>

Description: Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Blöcken Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur Herstellung von Blöcken, wobei eine metallische Schmelze, z.B. Stahlschmelze in eine ein- oder mehrteilige Kokille mit Aufsatz eingebracht wird, worauf unter Wärmezufuhr der Block erstarren gelassen wird. Die Erzeugung schwerer Schmiedeblöcke als Ausgangsprodukt für Schmiedestücke für den Kraftwerksbau stellt eine der grössten Herausforderungen für den Stahlwerker dar. Die Anforderungen der Turbinenbauer an Reinheitsgrad und Freiheit von Seigerungen sind auch mit modernen Verfahren nur schwer einzuhalten. Während Erschmelzung und Schmelzbehandlung in den letzten Jahren durch den Einsatz moderner Pfannenmetallurgieanlagen grosse Fortschritte erzielt haben, bleibt die Erstarrung im konventionellen Blockguss nach wie vor das am wenigsten zu beeinflussende Glied in der Erzeugungskette. Typische Fehlerscheinungen sind der negativ geseigerte Bodenkegel, in vielen Fällen auch mit nichtmetallischen Einschlüssen verunreinigt, Schrumpfungshohlräume, verbunden mit V-Seigerungen in der Blockachse, im Blockschopf die positive Seigerung mit Anreicherungen von C, S und P, schliesslich die A- oder #-Seigerungen mit Anreicherungen von S und P. Für die Entstehung dieser Seigerungen gibt es zurzeit noch keine allgemein anerkannte Theorie. Um nichtmetallische Einschlüsse aus dem Bodenkegel zu vermeiden, müssen bei schweren Blöcken 15 %:und mehr vom Blockboden abgesetzt werden. Der Anteil des verloreren Kopfes kann bei sehr schweren Blöcken 25 und mehr Prozente betragen. Eine Beeinflussung der Erstarrung ist nur in sehr beschränktem Ausmass über Änderungen der Blockgeometrie oder des isolierenden Haubeneinsatzes möglich. Diese Fehler können mit dem folgenden Verfahren vermieden werden. In eine herkömmliche Schmiedeblockkokille wird ein wassergekühlter Ring eingesetzt, die Kokille mit Stahl gefüllt, auf den Stahl kommt eine Schichte metallurgisch aktiver Schlacke, in die eine Elektrode eingetaucht wird. Durch Zufuhr elektrischer Energie wird das Schlackenbad so stark erhitzt, dass die Elektrode abschmilzt und während des Erstarrungsprozesses Schrumpfungshohlräume im Block ausgleicht. Durch gezielte Variation der Energiezufuhr kann auch die Erstarrung beeinflusst werden. Blöcke, die nach diesem Verfahren hergestellt werden, weisen keine negative Bodenseigerung mit den damit verbundenen Nachteilen, keine V-Seigerungen und kaum Schrumpfungshohlräume auf. Dies konnte an mehreren tausend Schmiedeblöcken, die nach diesem Verfahren hergestellt wurden, bewiesen werden. Von Turbinenherstellern wird nunmehr auch sehr fein verteilten nichtmetallischen Einschlüssen mit Ersatzfehlergrössen um 1 mm bei der Ultraschallprüfung besondere Bedeutung beigemessen. Derartige Fehler konnten mit dem oben angeführten Verfahren nicht mit ausreichender Sicherheit vermieden werden. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es erlauben, auch mit Sicherheit Ersatzfehlergrössen um 1 mm zu vermeiden, wobei gleichzeitig kein erhöhter oder kein wesentlich erhöhter Aufwand sowohl von der Energieseite als auch für die Vorrichtungen erforderlich sein soll. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Blöcken, wobei eine metallische Schmelze, z.B. Stahlschmelze, in eine ein- oder mehrteilige Kokille mit Aufsatz, insbesondere wassergekühlter Haube, vorzugsweise bis unterhalb des Aufsatzes eingebracht wird, worauf eine elektrisch leitende Schlacke,bevorzugt verflüssigte heisse Schlacke auf den Metallspiegel aufgebracht und über eine, insbesondere #selbstverzehrende Elektrode aus einer gegebenenfalls der metallischen Schmelze im wesentlichen entsprechenden Zusammensetzung, der Schmelze Wärme und gegebenenfalls weitere Schmelze zugeführt wird, besteht im wesent- lichen darin, dass der Kokille in ihrem oberen Bereich und damit dem erstarrenden Block unterhalb des Aufsatzes verzögert Wärme, insbesondere Erstarrungswärme abgeführt und/oder abgeleitet wird, wobei vorzugsweise der untere Teil der Kokille insbesondere die Bodenplatte gekühlt, vorzugsweise fluidgekühlt wird, während dem erstarrenden Block Wärme und gegebenenfalls Metallschmelze über die Elektrode zugeführt¯ird. Durch diese gezielte Wärmezufuhr und Wärmeableitung bzw. Kühlung kann erreicht werden, dass der Block schalenweise erstarrt, wobei im Blockkopf die Erstarrung so lange verhindert werden kann, dass keine flaschenhalsartigen Verengungen der bereits erstarrten Schmelze eintreten, wodurch Seigerungen oder Einschlüsse und dgl., welche den oben angeführten Fehler verursachen, vermeidbar sind. Es war nun durchaus überraschend, dass mit einer derartigen gezielten Erstarrung es auch erreicht werden kann, dass diese Fehler, welche teilweise auf nichtmetallische Einschlüsse zurückzuführen sind, durch vermutlicherweise Aufsteigen oder Aufschwimmen diese nichtmetallischen Einschlüsse beseitigt werden können. Gemäss einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird der Schlacke Wärme zugeführt mit einer Leistungsdichte von 0,4 bis 2,0, insbesondere 0,5 bis 2,0 kW/cm2 und einer Stromdlchte 2 von 8 bis 25 A/cm jeweils an der Elektrode. Damit lässt sich erreichen, dass in der Schlacke zwei sich überlagernde Kräfte auftreten, wobei die thermisch bedingte Kraft eine Badbewegung in der Weise bewirkt, dass die Schlacke unterhalb der Elektrode aufsteigt, an der Oberfläche zur Haubenaussenseite sich bewegt und sodann die nunmehr abgekühlte Schlacke an die Oberfläche der Metallschmelze kommt und damit abkühlt. Die vorteilhafte Schlackenbewegung, wel- che durch die bevorzugt grössere Lorenzkraft bewirkt wird, verläuft etwa gegensinnig in den Block hinein gerichtet, und zwar sinkt die heisse Schlacke unterhalb der Elektrode bis zur Metalloberfläche, gibt ihre Wärme an den Metallspiegel ab und bewegt sich hierauf zum Rand des Aufsatzes, steigt dort entlang der Wand hoch, und die abgekühlte Schlacke bewegt sich an der Oberfläche des Schlackenspiegels wieder zur Elektrode. Dadurch entsteht weiters ein Deckel aus erstarrter Schlacke, welcher ebenfalls erwünscht ist, da eine thermische Isolierung erreicht wird. Mit einer derartigen Schlackenbewegung wird weiters auch ein flaschenartiges Einschnüren des Blockes beim Erstarren vermieden. Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Herstellung von metallischen Blöcken mit einer Kokille1 insbesondere mehrteiligen Kokille, die einen gegebenenfalls flüssigkeitsgekühlten, Aufsatz aufweist, in welchen eine insbesondere selbstverzehrenoeElek- trode ragt, die mit einem Pol einer Spannungsauelle verbunden ist, wäh- rend eine weitere Elektrode und/oder der Bodenbeveich, lnsbesondere Hie Bodenplatte der Kokille mit einem weiteren Pol der Spannungsquelle verbunden ist, besteht im wesentliche,n darin, dass die Kokille in ihrem oberen Bereich unterhalb des Aufsatzes thermisch isolierend ist, insbesondere eine thermische Iso lierung, vorzugsweise an der Aussenwand der Kokille aufweist, die sich bevorzugt über ein Drittel der Höhe der Kokille ohne Aufsatz erstreckt und dass vorzugsweise die Bodenplatte kühlbar# insbesondere fluidkühlbar ist. Durch die thermische Isolierung der Kokille unterhalb ihres gekühlten Aufsatzes kann nun erreicht werden, dass der Block das erwünschte Erstarrungsverhalten aufweist, wobei durch eine fluidgekühlte Bodenplattedas bevorzugte Erstarren des Block fusses noch weiter gefördert werden kann. Eine derartige Einrichtung ist besonders einfach und es war auch nicht naheliegend, sie so zu konzipieren, da an einem Block unterschiedliche scheinbar zueinander entgegengesetzte Wirkungen erreì ht werden, und zwar Zuführung von Wärme, verzögertes Abkühlen und bevorzugtes Abkühlen. Gemäss einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung weist bei einer mehrteiligen Kokille im wesentlichen der gesamte obere Teil derselben eine thermische Isolierung auf. Schliesslich ist es gemäss einer weiteren Ausführungsform bevorzugt und verstärkt die Effekte der unterschiedlichen Wärmeabfuhr, wenn die Kokille zu ihrem unteren, insbesondere der Bodenplatte zugeordneten Bereich hin eine höhere Wandstärke aufweist, als zu ihrem oberen Bereich hin. Die höhere Wandstärke im unteren Bereich bewirkt infolge der höheren Masse ein höheres Wärmeaufnahmevermögen, aarüber hinaus ist die Kon iaktflche mit der Bodenplatte erhöht, während die geringere anddicke im oberen Bereich ein vermindertes Wärmeschluckvermögen bewirkt. Im folqenden wird die Erfindung anhand cer Beispiel und der Zeichnung, in welcher eine Kokille mit Blockkopfheizwng darge- stellt ist, näher erläutert. Die in der Zeichnung schematisch dargestellte Vorrichtung zur Herstellung von Blöcken weist eine Bodenplatte 1 auf, die über Wasserzu- und -ableitungen 2, 3 mit Kühlwasser versorgt wird, eine Kühlung mit einem anderen Fluid z.B. Flüssigmetall, Gase od. dgl. kann ebenfalls erfolgen. Auf der Bodenplatte liegt ein unterer Teil 4 der Kokille auf, welcher eine Ausnehmung 5 besitzt, in welche der Giesskanal für einen steigenden Guss mündet. Der mittlere Teil 6 der Kokille weist einen leicht konischen nach oben sich öffnenden Querschnitt auf. Auf diesem Kokillenteil 6 ist ein oberer Kokillenteil 7 aufgesetzt, der an seiner Aussenseite eine thermische Isolierung 8 trägt, die mit einer mineralischen Isolierung1 beispielsweise Mineralwolle, Vermiculit oder Asbest gefüllt ist, und einen Blechmantel zum Schutz gegen mechanische Beschädigung aufweist. Weiters ist ein wassergekühlter Aufsatz 9 vorgesehen, in welchem eine abschmelzende Elektrode 10 angeordnet ist. Sowohl die Bodenplatte 1 als auch die Elektrode 10 sind mit einer schematisch dargestellten Spannungsquelle II verbunden. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, reicht die Metallschmelze 12 nicht bis zum Aufsatz 9, sondern es befindet sich zwischen Aufsatz und Metallschmelze eine erschmolzene Schlacke 13. Beispiel 1: In einer Vorrichtung gemäss der Zeichnung wurden 36 t einer Schmelze folgender chemischer Zusammensetzung in Gew.-% C 0,27, S 0,001, P 0,003, Mn 0,40, Cr 1,32, Mo 0,44, Ni 2,64, V 0,05 und danach eine Elektrode mit einem Durchmesser von 300 mm eingebracht. Auf die Me tallschmelze wurde sodann eine flüssige, erschmolzene Schlacke aufgebracht, worauf der Aufsatz in die Schlacke eingetaucht wurde, wooei ein Eintauchen desselben in die Metallschmelze vermieden wurde. Sodann wurde eine Elektrode mit einem Durchmesser von 300 mm in die Schlacke eingetaucht. Der Schmelze wurde sodann über die Elektrode im Laufe des Erstarrens von 10 Stunden Wärme und zwar anfänglich mit einer LeistSnasc von 1,33 kW/cm2 und einer Stromdichte von 12 Ampere/cm2 an der Elektrode zugeführt. Der Block war nach 16 Stunden vollkommen erstarrt, worauf sowohl die Kühlmittelzufuhr zur Bodenplatte als auch zum Aufsatz unterbrochen wurde, und gleichzeitig nicht weitere Wärme über die abschmelzende Elektrode zugeführt wurde. Der so erhaltene Block wurde mit Ultraschall geprüft und wies weder im Fuss noch im Zentrum ¯noch im Kopf Einschlüsse mit Ersatzfehlergrössen um 1 mm auf. Beispiel 2: Es wurde analog Beispiel 1 vorgegangen, jedoch hatte die Vorrichtung keine thermische Isolierung im oberen Drittel der Kokille. Der Block wies zwar keinen negativ ge seigerten Bodenkegel mit teilweise groben nichtmetallischen Einschlüssen auf, besass kaum Lambda- oder Schattenstreifen, und es waren.keine V-Seigerungen und kaum Schwindungshohl räume vertreten, jedoch bei der Ultraschallprüfung konnten nichtmetallische Einschlüsse mit Ersatzfehlergrössen um 1 mm festgestellt werden.

Claims: Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von Blöcken, wobei eine metallische Schmelze (12), z.B. Stahlschmelze, In eine ein- oder mehrteilige Kokille mit Aufsatz (9), insbesondere wassergekühlter Haube, vorzugsweise bis unterhalb des Aufsatzes eingebracht wird, worauf eine elektrisch leitende Schlacke (13), bevorzugt verflüssigte heisse Schlakke auf den Metallspiegel aufgebracht, und über eine insbesondere selbstverzehrende Elektrode (10) aus einer, gegebenenfalls der metallischen Schmelze (12) im wesentlichen entsprechenden Zusammensetzung der Schmelze Wärme und gegebenenfalls weitere schmelze zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kokille in ihrem oberen Bereich (7) und damit dem erstarrenden Block unterhalb des Aufsatzes (9) verzögert Wärme, insbesondere Erstarrungswärme abgeführt und/oder abgeleitet wird, wobei vorzugsweise der untere Teil der Kokille (4), insbesondere die Bodenplatte (1) gekühlt, vorzugsweise fluidgekühlt wird, während dem erstarrenden Block Wärme und gegebenenfalls Metallschmelze über die Elektrode (10) zugeführt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssigen Schlacke (13) Wärme mit einer Leistungs 2 dichte von zumindest 0,4 bis 2,0 kW/cm2 und Stromdichte A/cm2 8 bis 25 A/cm2 jeweils an der Elektrode eingebracht wird. 3. Vorrichtung zur Herstellung von metallischen Blöcken mit einer Kokille, insbesondere mehrteiligen Kokille, die einen, gegebenenfalls flüssigkeitsgekühlten Aufsatz (9) aufweist, in welchen eine, insbesondere selbstverzehrende Elektrode (10) ragt, die mit einem Pol einer SPannungsquelle (all) verbunden ist, während eine weitere Elektrode und/oder der Bodenbereich der Kokille, insbesondere deren Bodenplatte (l) mit einem weiteren Pol der Spannungsquelle (11) verbunden ist, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille, vorzugsweise in ihren oberen Bereich (7) unterhalb des Aufsatzes (9) thermisch isolierend ist, insbesondere eine thermische Isolierung (8), vorzugsweise an der Aussenwandung der Kokille aufweist, die sich bevorzugt über ein Drittel der Höhe der Kokille ohne Aufsatz erstreckt, und dass vorzugsweise die Bodenplatte (1) kühlbar, insbesondere fluidkühlbar ist. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer mehrteiligen Kokille im wesentlichen der gesamte obere Teil (7) der Kokille eine thermische Isolierung (8) aufweist. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille in ihrem unteren Bereich (4) bzw. ihrem unteren Bereich (4) zugewandt, eine höhere Wandstärke aufweist als in ihrem oberen Bereich (7) bzw. ihrem oberen Bereich (7) zugewandt.

Inventors: BARG, HERBERT, MACHNER, PETER, DIPL.-ING., MEYER, WILFRIED, DR., MITTER, WERNER, DR., SCHWARZ, KURT, ING.
Applicants: BOEHLER GESELLSCHAFT M.B.H.
Application year: 1986
Main classification: B22D27
IPC codes: C22B9, B22D27, C21C7