DE1608105A1

DE1608105A1 - Schmelzelektroden-Verfahren

Info

Publication number: DE1608105A1
Application number: DE19681608105
Authority: DE
Inventors: Jack Preston; Tommaney Joseph William
Original assignee: Allegheny Ludlum Steel Corp
Current assignee: Allegheny Ludlum Steel Corp
Priority date: 1967-02-16
Filing date: 1968-02-13
Publication date: 1970-11-12
Also published as: GB1206045A; SE339699B; FR1570508A; DE1608105B2

Description

PATENTANWÄLTE

Dr. W. SCHALK · Di_Pl.-In_g. P. WlRTH · Dipl.-Ing. G. DAN NE N BERG Dr. V. SCHMIED-KOWARZiK · Dr. P. WEINHOLD

6 FRANKFURT AM MAIN 1608 1OS

GR. ESCHENHEIMER STR. 39

12. Februar 1968
Da/Fa Pall Al-470

Allegheny Ludlum Steel Corporation

2000 Oliver Building Pittsburgh, Pennsylvania / USA

Schmelzelektroden-Verfahren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschmelzen von Metallen in einem Schmelzelektrodenofeno

Lichtbogen-Elektrodenschmelzöfen sind weit verbreitete Sie enthalten im allgemeinen eine Elektrode aus dem zu schmelzenden Metall, die sich nach unten in eine Gußßfanne bzw. einen Tiegel erstreckt, der das geschmolzene Metall aufnimmt und in dem ein Gußblook gebildet wird. Die Elektrode wird dabei an den negativen Pol einer Gleichstromquelle angeschlossen, und es ist eine Einrichtung vorgesehen, über die der positive Pol dieser Gleichstromquelle mit dem Tiegel und dadurch mit dem geschmolzenen Metall verbunden wird. Gewöhnlich wird zu Beginn des Schmelzens eine geringe Menge von Spänen od. dgl. In den Tiegel gegeben» so daß

009846/0249

16081

"beim Zünden des Lichtbogens diese Späne geschmolzen werden und eine erste Metallschmelze im Tiegel "bilden, und dann der Lichtbogen zwischen der Metallschmelze und der Elektrode aufrecht erhalten wird, die ducrch die Hitze des Bogens geschmolzen wird. Während die Elektrode geschmolzen wird, sammelt sich das angeschmolzene Metall in dem Tiegel und bildet die Metallschmelze, deren unterer Teil sich während des Schmelzens der Elektrode ständig verfestigt und einen Block bildet, dessen Länge vom Boden nach oben hin zunimmt. Bei diesem Vorgang schwimmen die Verunreinigungen an die Oberfläche der Schmelze und vorausgesetzt, daß sich diese nicht während der Bildung des Gußbloeks verfestigt, wird so der Hauptteil der Unreinigk'eiten von der Hauptmasse desselben abgeschieden.

Solche Öfen werden gewöhnlich verwendet, um hochwertige rostfreie Stähle oder hochwertige legierte Stähle oder reaktive Metalle wie Titan, Zirkon und ihre legierungen herzustellenο Der Schmelzvorgang in einem solchen Ofen lauft gewöhnlich im Vakuum oder auch in einer inerten Atmosphäre ab, weil die Gegenwart von Luft die Bildung von Oxyden bewirkt, welche das entstehende Produkt verunreinigen. Die Ansprüche, die bezüglich der Kornstruktur und allgemein bezüglich der Qualität an den entstehenden Gußblock gestellt werden, sind äußerst streng· Aus diesem Grunde ist es oft notwendig oder er-

009846/0249

wünscht, sowohl einen Gußblock mit einer im wesentlichen überall gleichen Kornstruktur herzustellen, als auch Einschlüsse, Seigerungen, Stringer u. dgl* im wesentlichen völlig zu entfernen.

Bisher war eines der schwierigsten Probleme "bei der Herstellung von hochwertigen G-ußblöcken mit dem Sohmelzelektroden-Verfahren das Auftreten von "Sprenkelung" (freckles) und "weißen blecken". Sprenkel erscheinen als dunkle Stellen oder Flecken in der Mikrostruktur des Blocks und scheinen Konzentrationsstellen von eutektischen Karbiden zu sein. Y/eiße Flecken dagegen scheinen Stellen mit Karbidmangel zu sein«» Während beide Arten unerwünscht sind, dürfte das Auftreten der dunklen die häufigere Schwierigkeit sein.

Es ist bekannt, daß eine Verringerung a«r 5!±efe der Metallschmelze im gleichen Verhältnis eine Terminderung der schwarzen Sprenkel und der weißen Flecken mit sich bringt. Die industrielle Entwicklungsrichtung bei Lichtbogen-Schmelzelektroden im Vakuum geht infolgedessen dahin, niedrigere Stromstärken und dadurch flachere Schmelzen und niedrigere Sehmelzraten zu verwenden, um so das Anfallen von Blockseigerungen (vor allem Sprenkel) zu verringern, ebenso wie Verluste durch Lunker oder Y/ärmehauben, welche beide die'Ausbeute an Qualitätsmaterial, das aus einem Block gewonnen werden kann, verringern.

009846/0249

Wie leicht einzusehen ist, führt eine Verringerung der Schmelzrate zwar zu besserer Qualität, dafür aber zu höheren Herstellungskosten oder umgekehrt zu niedrigeren Herstellungsraten„

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Metallen im 3chmelzelektrodenofen zu schaffen, bei dem das Anfallen von Blockseigerungen wesentlich verringert wird.

Zu diesem Zweck kennzeichnet sich ein Verfahren nach der Erfindung dadurch, daß die Elektrode als Anode und der Tiegel als Kathode geschaltet wird, daß die atmosphärische Luft aus dem Ofen abgesaugt und der Strom eingeschaltet wird, damit sich zum Schmelzen der Elektrode ein elektrischer Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Tiegel bildete Insbesondere bei bestimmtem Metallen kann vorzugsweise ein inertes Gas in den evakuierten Ofen eingeführt werden.

Q0984R/0249

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnung "beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigen:

!ig. 1 einen e rfindungsgemäßen Lichtbogen-Schmelzelektrodenofen;

Fig. 2 eine photοgraphische Aufnahme einer grobgeätzten Platte von M-2 Werkzeugstahl, auf der die beim normalen Schmelzen mit üblicher Polarität (Elektrode negativ) entstehende starke Sprenkelung sichtbar ist;

Pig. 3 eine photographische Aufnahme einer grobgeätzten Platte von M-2 Schnelldrehstahl, der bei üblicher Polarität mit einer niedrigen Schmelzrate geschmolzen wurde;

Fig. 4 eine photοgraphische Aufnahme einer grobgeätzten Platte von M-2 Schnelldrehstahl, der gemäß der Erfindung mit umgekehrter Polarität (Elektrode positiv) bei einem Druck von 30M-geschmolzen wurde;

Fig. 5 eine photographische Aufnahme einer grobgeätzten Platte von M-2 Schnelldrehstahl, der gemäß der Erfindung mit umgekehrter Polarität bei einem Argondruok von 1 000u geschmolzen wurde, und

846/0249

Pig. 6 als Diagramm einen Vergleich der Größen von Schmelzen "bei umgekehrter und bei üblicher Polarität.

In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Lichtbogen-SchmelzelektrodenofBns nach der Erfindung schematisch dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeiehen 10 versehen. Der Ofen besitzt eine leitfähige Gußpfanne bzw. einen Tiegel 12, der beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium hergestellt sein kann. Das obere Ende des Tiegels 12 ist von einem gasundurchlässigen Gehäuse 14 zugedeckt, das bei 16 eine Anschlußstelle an eine (nicht gezeigte) Vorrichtung zum Absaugen der Luft aus der durch den.Tiegel 12 und das diese zudeckende Gehäuse 14 gebildet .in Kammer 18 besitzt. Die Kammer 18 kann wahlweise mit einem inerten Gas gefüllt werden; auf jeden Fall wird jedoch das zu schmelzende Metall gegen Oxydation geschützt. Ein Kühlmantel 20 mit den zugehörigen Einlaß- und Auslaßöffnungen 22 und 24 für Kühlwasser umgibt den Tiegel 12.

Der Tiegel 12 enthält den Gußblock 26, der sich aus einer Schmelze 28 direkt unter dem unteren Ende einer Elektrode 30 aus dem zu schmelzenden Metall bildet. Die Elektrode 30 erstreckt sich aus der Gußpfaime 12 nach oben und ist mit ihrem oberen Ende an einen vertikal bewegbaren

0 0 9 Ο /v 8 / H 2 4 9

Träger 32 angeschlossen, der durch eine Dichtung 34 im Gehäuse 14 hindurchragt. Der. Träger 32 ist mit einer geeigneten Elektrodenantriebsvorrichtung 36 für die Aufwärts- oder Abwärtsbewegung der Elektrode 30 verbundene An den Kolben "bzw. Träger 32, und damit an die Elektrode 30, ist die positive Klemme 38 einer (nicht gezeigten) Gleichstromquelle angeschlossen,. Die negative Klemme 40 der gleichen Spannungsquelle ist an die Gußpfanne 12 so angeschlossen, daß ein Lichtbogen 42 zwischen dem unteren Ende der Elektrode 30 und dem Boden der Gußpfanne 12 und, wenn sich Metall in der Gußpfänne befindet, zwischen der Elektrode 30 und dem oberen Ende des Gußblocks 26, entsteht dessen Hitze, die allmählich das Ende der Elektrode abschmilzt und die Bildung des Schmelzbades 28 bewirkt. Selbstverständlich muß die Elektrode 30,während sie abschmilzt, durch den Elektrodenantrieb 36 abwärtsbewegt werden, um den gewünschten Bogen-

abstand aufrechtzuerhalten«, Hierfür ist ein Antriebsmotor 44 für die Antriebsvorrichtung 36 und ein, in Blockzeichnung dargestelltes, Steuersystem 46 in den Stromkreis eingeschaltet. Das Steuersystem ist über die Leitung 48 mit der Elektrode 30 und über die Leitung 50 mit dem Tiegel 12 elektrisch verbunden. Die Leitungen und 50 haben die Aufgabe, einen Impuls von einer Charakteristik des Lichtbogens aufzunehmen, der zur Steuerung des Motors 44 und damit der Stellung der

009846/0249

Elektrode 30 verwendet werden kann. Das Steuersystem 46 kann zum Beispiel das wohlbekannte Spannungssteuersystem oder das in der USA-Patentschrift 3 087 078 der Anmelderin beschriebene "hash"-System sein.

Fig. 2 zeigt eine makrophotographische Aufnahme einer starken Sprenkelung bei M-2 Schnelldrehstahl-Legierung (A.I.S.I. - Bezeichnung), die eine der am meisten zu Sprenkelung neigenden Legierungen ist. Wie man erkennen kann, tritt die Sprenkelung auf der gesamten Oberfläche der Platte auf; einige der Flecken sind mit dem Bezugszeichen 52 versehen, während starke Sprenkelung gegen den Mittelpunkt der Platte hin bei 54 auftritt. Die dargestellte Platte wurde einem in einem mit normalen Schmelzraten arbeitenden Schmelζelektrodenofen mit üblicher Polarität hergestellten Gußblock entnommen.

Fig. 3 zeigt den Erfolg der gegenwärtig bei Verwendung üblicher Polarität angewandten Praxis eines Verlangsamens der Schmelzrate zur Verringerung des Auftretens von Sprenkelung. Wie aus einem Vergleich zwischen Fig. 2 und Fig. 3 ersichtlich ist, wirkt sich das Verringern der Schmelzrate in einer ausgeprägten Verringerung der Sprenkelung aus. In Fig. 3 sind die TUpfeichen weniger und kleiner und verhältnismäßig konzentriert auf den Mittelpunkt der Platte. (Die dunkle große längliche

00984R/0249

Stelle in der Mitte der Platte ist ein Fleck, der unbeabsichtigt während des Ätzens auftrat und der nicht hierher gehört). Die weißen "Flecken 56 sind tüpfelchenartige Steigerungen, die Karbidmangel anzeigen; sie treten häufiger bei Legierungen vom !Typ M-2 bei niedrigen Schmelzraten bzw. !Temperaturen auf. So läßt sich erkennen, daß niedrigere Schmelzraten bei gleicher Polarität zwar das Auftreten von Sprenkelung in Form von Karbidanreicherung verringern, daß sie aber Stellen mit.Karbidmangel oder weißen Flecken 56 schaffen, die auch unerwünscht sind.

Während das Verkleinern der Schmelzrate zwar zu einer wesentlichen Herabsetzung von Sprenkelung geführt hat, ist es wegen der niedrigen Produktionsraten nicht befriedigend.

Der Erfindung liegt nun die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß beim Umkehren der Jblarität, d.h. indem man die Elektrode anionisch machte, höhere Schmelzraten bei einer praktisch völligen Vermeidung von Sprenkelung und weißen Flecken erzielt werden können. Zur Durchführung des Schmelzens mit umgekehrter Polarität wird eine in den Elektrodenofen eingebrachte, geschmiedete oder gegossene Elektrode von M-2 Stahl mit der Elektrode 30 verbunden, die mit der positiven Klemme 38 einer Gleichstromquelle verbunden wird. Die negative Klemme 40 derselben Spannungsquelle ist an den Siegel 12-angeschlossen. Die atmosphärische Luft wird aus der Kammer durch die Vakuumöffnung 16 abgesaugt. Dann wird die Elektrode

009846/0249

durch den Antriebsmotor 40 über die Elektrodenantriebsvorrichtung 36 abwärts bewegt. Beim Einschalten entsteht ein Lichtbogen 42 und die Elektrode 30 wird um ein entsprechendes Stück wieder zurückgezogen, um die gewünschte Bogenlänge herzustellen. Der Strom für den Lichtbogen wird dann auf etwa 10 000 Ampere reguliert und das Schmelzen beginnt, wobei die Elektrode durch das Steuersystem 46 gesteuert wird. Durch die Anwendung dieses Verfahrens mit umgekehrter Polarität wird ein Gußblock 26 von hoher Qualität erhalten» der praktisch sprenkelungsfrei ist. Die makropho to graphische Aufnahme in Fig. 4 zeigt eine bei umgekehrter Polarität und einem Druck von 30μ geschmolzene Platte, und es läßt sich aus der Photographie keine (sichtbare) Sprenkelung erkennen. Bei einem Gußblock von 17 Zoll (43» 18 cm) und einer Steigerung der Bogenspannung auf den Bereich von 15 000 bis 18 000 Ampere zeigte es sich, daß wieder Sprenkelung auftrat.

Es sollte erwähnt werden, daß an diesem Punkt die Tiefe der Schmelze sehr eng angenähert ist an die liefe der Schmelze bei üblicher Polarität, und es könnte eine Beziehung zwischen der Tiefe der Schmelze und der Blockseigerung bestehen, für die es z.Zt. noch keine Erklärung gibt. Fig. 6 zeigt dies durch graphische Wiedergabe verschiedener Schmelzgrößen für Elektroden von 22,86 cm (9") der M-2-Legierung, Die Linie 58 zeigt die Größe der Schmelze bei 4 000 Ampere beim Schmelzen mii; üblicher Polarität, während die Linie 60 die Vertiefung der Schmelze bei einer Steigerung der Strkstärke auf 6 000 Ampere wieder beim Schmelzen mit üblicher

009846/0249

Polarität zeigt. Im Gegensatz dazu zeigt die Linie 62 die Verkleinerung der liefe der Schmelze unter Beibehaltung etwa der gleichen IPörm "beim Schmelzen gemäß der Erfindung mit umgekehrter Polarität hei 10 000 Ampäre.

Bei den gleichen Energiestufen ergah das Umkehren der Polarität die gleiche Schmelzrate wie hei üblicher Polarität, mit dem Vorteil der Verflachung der Schmelze, folglich ist es möglich, mit umgekehrter Polarität höhere Schmelzraten zu erzielen und gleichzeitig die Tiefe der Schmelze in den Grenzen des Schmelzens bei üblicher Polarität und niedrigen Schmelzraten zu halten.

Im Gegensatz dazu liegt der Strom des Bogens bei dem Schmelzverfahren mit üblicher Polarität und niedrigen Schmelzraten in dem Bereich von etwa 5 000 Ampere bei einer Schmelzrate von 5,3 Pfund (2,6 kg) pro Minute bei einem Gußblock von 17 Zoll (43,18 cm). Im Vergleich dazu ergab das Schmelzen bei umgekehrter Polarität und 10 000 Ampere die doppelte Schmelzrate mit einem Durchschnitt von etwa 10,8 Pfund (5,4 kg) pro Minute bei einem Gußblock von 17 Zoll (43,18 cm) während der Stahl frei von Sprenkelung blieb. Folglich beträgt die Schmelzzeit beim Schmelzen mit umgekehrter Polarität etwa die Hälfte der Schmelzzeit von Blöcken, die mit niedriger Schmelzrate erschmolzen werden.

846/024 9

Mit der gleichen Stromstärke wie beim Schmelzen mit üblicher Polarität wird beim Umkehren der Polarität ■und wenn man die Elektrode positiv macht, der Schmelzraten-Wirkungsgrad auf 85 io gegenüber der bei üblicher Polarität verringert, die Tiefe der Schmelze wird jedoch bei umgekehrter Polarität wesentlich verringert. Durch Erhöhen der Stromstärke bei umgekehrter Polarität ist die Schmelze bei umgekehrter Polarität nur annähernd genauso tief wie bei der halben Stromstärke bei üblicher Polarität. Der verringerte Wirkungsgrad wird jedoch mehr als ausgeglichen durch die gesteigerte Ausbeute und die Verminderung der Blockseigerung.

Eine beim Schmelzen im Vakuum bei umgekehrter Polarität auftretende prinzipielle Schwierigkeit liegt im Punktschweißen des G-ußblocks selbst an den Tiegel. Das Schweißen des Blocks an den Tiegel ist zwar unerwünscht, verhindert aber nicht das Entfernen desselben aus dem Tiegel. Das Hauptproblem ist vielmehr das Reinigen des Tiegels zum Entfernen der Schweißstellen von seiner Innenfläche. Durch Einführen eines inerten Gases nach dem Absaugen der Luft aus dem Ofen kann dieser Schwierigkeit jedoch einigermaßen begegnet werden. Das inerte Gas, z. B. Argon, wird auf Druckhöhen bis zu 2 000μ gehalten. Es hat sich gezeigt, daß eine Druckhöhe von zwischen 3Ou und 2 000 μ das Sohweißproblem behob. Theoretisch könnte angenommen werden, daß der Druck verhindert, daß die Elektrodenpunkte die Seitenwände

009846/0249

der Gußpfanne hinaufwandern. Durch erhöhte Drücke wird die Sauberkeit des erhaltenen Gußbloeks nicht beeinflußt, und obgleich ein leichtes Ansteigen der Sprenkelung vorhanden ist, im Gegensatz zum Schmelzen im reinen Vakuum bei umgekehrter Polarität, so war das Auftreten von Sprenkelung wesentlich verringert gegenüber dem Schmelzen mit üblicher Polarität bei ,einer niedrigen Schmelzrate.

I¹Ig. 6 ist eine raakrophotographische Aufnahme einer M-2 Werkzeugstahllegierung, die bei 'umgekehrter Polarität und einem Argondruck von 1 OOOyu geschmolzen wurde und wie man sieht, sind keine erkennbaren Sprenkel oder weißen Stellen vorhanden.

- Ansprüche -

009846/0249

Claims

12. Februar 1968 leno-inc -Allegheny Ludlum Da/ki 1OUoJUD Steel Corporation Pittsburgh, Pa. / USA lall AL-47O Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Metallen durch Schmelzen von Schmelzelektroden, wobei eine Elektrode aus dem zu schmelzenden Metall in einem Schmelzelektrodenofen montiert und dieser an eine Stromquelle angeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode als Anode und der Siegel als Kathode geschaltet wird, daß die atmosphärische Luft aus dem Ofen abgesaugt und der Strom eingeschaltet wird, damit sich zum Schmelzen der Elektrode ein elektrischer Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Siegel bildet.

2. Verfahren --ach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke zwischen 5 000 und 15 000 Ampere gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Absaugen der atmosphärischen Luft ein inertes Gas in den Ofen eingeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als inertes Gas Argon verwendet wird.

009846/0249

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Gas auf einem Druck zwischen 30 u und etwa 2 OOOyJ gehalten wird.

Patentanwalts / i

009846/0249