DE1812102B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Blöcken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Blöcken aus unlegierten und legierten Stählen mit verbesserter Primärkristallisation, verringerter Blockseigerung und vermindertem Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen, wobei in bekannter Weise in eine Kokille zuerst flüssiger Stahl eingegossen, anschließend auf diesen eine Sclilackenmischung aufgebracht, dieser Schlakkenmischung während der Erstarrung des Stahles in der Kokille Energie zugeführt und die Schlackenmischung gleichzeitig seitlich gekühlt wird.

Es sind bereits Verfahren zur Herstellung von Blöcken aus unlegierten und legierten Stählen bekannt, bei denen der in der Kokille noch nicht vollständig erstarrte Block mit einer Schlackenmisehung bedeckt ist, welche durch Energiezufuhr, beispielsweise mit Hilfe nicht abschmelzender oder abschmel··

ίο zender Elektroden geschmolzen bzw. so lange flüssig gehalten wird, bis "der größte Teil des Blockes erstarrt ist. Dadurch soll der durch den verlorenen Kopf bedingte Abfall möglichst gering gehalten und die Bildung von Schwindungshohlräumen im Block

vermieden werden. Außerdem wurde behauptet, daß bei entsprechender Energiezufuhr sogar ein bis tief in den Block reichender Reinigungseffekt erzielbar wäre (USA.-Patentschrift 2 240 405, K i η ζ e 1). Es ist auch schon vorgeschlagen worden, durch eine zusätzliehe Wärmequelle die Haube, also die den BJockkopf und die Schlacke seitlich begrenzenden Wände, zu beheizen, so daß zwei Beheizungsarten gleichzeitig zur Anwendung kommen (USA.-Patentschrift 2 893 085, Johnsson u.a.).

Tatsächlich können durch diese bekannten Verfahren der Kopfabfall verringert und Schwindungshohlräume im obersten Blockteil vermieden weiden. Eine entscheidende Verbesserung des mittleren und unteren Blockteiles wird jedoch nicht erzielt. Die Primärkristallisation, die Verunreinigungen durch nichtmetallische Einschlüsse und die Blockseigerung sind in diesen Zonen des Blockes ungefähr gleich wie bei Blöcken, die ohne Energiezufuhr über ein Schlackenbad erstarrt sind (»Stahl und Eisen«, 75 (1955),

S. 1765 bis 1774; Proc. electr. furn Steel Conf., Amcr. Inst. min. metallurg. Eng. Vol. 6, 1948 — S. 106 bis 121). Selbst bei Verwendung einer besonders gut wärmeisolierenden Haube reicht beispielsweise bei einem 10-t-Block die Wirkung der zugeführten Encrgie nur bis in eine Tiefe von etwa 30 cm. Eine Verstärkung der Tiefenwirkung durch erhöhte Energiezufuhr bringt wiederum den Nachteil mit sich, daß ein Anschweißen des Blocks an der Kokille verursacht werden kann (»Stahl und Eisen« [1955], S. 1765 bis 1774). Bei den Versuchen, die zur vorliegenden Erfindung geführt haben, wurde außerdem festgestellt, daß die Arbeilsschlackc und der flüssige Stahl des Blockkopfes das feuerfeste Material der Haube angreifen, so daß nicht nur die Schlackenzusammensetzung in unerwünschter Weise verändert wird, sondern auch aus dem feuerfesten Material der Haube stammende Einschlüsse in den Block gelangen. Solche Einschlüsse konnten sogar im Fußteil des Blockes festgestellt werden. Diese genannten bekannten Verfahren sind also durch eine elektrische Energiezufuhr zur Schlacke von etwa 15 bis 40 kWh je Tonne Blockgewicht und durch eine möglichst gute seitliche Wärmeisolierung des Schlackenbades bzw. durch dessen möglichst geringe seitliche Abkühlung gekennzeichnet.

Es ist auch ein Verfahren zum Gießen von Metallblöcken bekannt, bei dem zunächst in einer auf einer wassergekühlten Bodenplatte stehenden Kokille Schlacke in ungcschmolzcncm Zustand eingebracht und in dieser mittels eines durch mindestens eine verzchrbare oder unvcrzchrbare Elektrode zugeführten Stromes geschmolzen wird. Hierauf wird flüssiges Metall in die Kokille gegossen und anschließend das

Schlackenbad durch die Joulesche Wärme des durch die Elektrode(nJ zugeführten Stromes erwärmt und die Erstarrung des Blockes gesteuert (französische Patentschrift 1 449 220 und österreichische Patentanmeldung A 9039 65, Paion Institut). Beispielsweise wird hierbei während der Erstarrung eines 5,5 Tonnen schweren Stahlblockcs die Schlacke 1^! 2 Stunden lang mit einer elektrischen Leistung vo:i 500 kWA beheizt. Diese hohe Energiezufuhr ergibt zwar eine verringerte Blockseigerung, eine Verbesserung der Primärkristallisation wird jedoch nur im Bereich des Blockkernes erzielt, wogegen infolge der isolierenden Wirkung der zwischen Blockoberfläche und Kokillenwand gebildeten Schlackenschicht die rasche Erstarrung der Blockrandzone verhindert wird. Deshalb haben nach diesem Verfahren hergestellte Blöcke eine grobkristalline Randzone und bereiten somit Schwierigkeiten bei der Warmverformung. Darüber hinan:; sind diese Blöcke üblicherweise am Blockfuß durch nicht geschmolzene Schlackenreste stark verunreinigt, so daß mit einem erhöhten Fußabfall gcrcchne: werden muß. Auch die Wärmeableitung zur Bode .!platte hin wird durch die isolierende Wirkung dieser Schlackenreste stark beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, durch welches die geschilderten Nachteile vermieden werden.

Dies wird dadurch erreicht, daß beim einleitend genannten Verfahren die Energiezufuhr zur Schlacke mindestens 12OkWh je Tonne Blockgewicht entspricht und daß das Schlackenbad seitlich so stark gekühlt wird, daß seitlich eine erstarrte Schlackenschicht gebildet und aufrechterhalten wird. Erfinchmgsgemäß wird somit die um ein Vielfaches gesteigerte Energiezufuhr durch eine verstärkte seitliche Kühlung ermöglicht. Die das Schlackenbad seitlich begrenzenden Wände werden vorzugsweise durch einen wassergekühlten Kokillenaufsatz gebildet. Die 1 !.issigkcitskühlung bewirkt nicht nur, daß diese Wunde bei der hohen Energiezufuhr vor einer Zerstörung durch Aufschmelzen oder Auflösen geschützt werden, sondern hat auch zur Folge, daß stets eine Schicht fester Arbeitsschlacke an diesen Wänden vorhanden ist. Dadurch wird erreicht, daß weder die Arbeitsschlacke noch der flüssige Stahl des erstarrenden Blockes durch das Material der Seitenwände in obenerwähnter Weise verunreinigt oder in ihrer chemischen Zusammensetzung geändert werden. Durch das Fehlen einer isolierenden Schlackenschicht zwisoien Biockoberfläche und Kokille weist der erfindungsgemäß hergestellte Block eine fcinkristallinc Randzone auf. Außerdem ist der Blockfuß nicht dirch Schlacken verunreinigt und hat infolge der guten Wärmeableitung zur Bodenplatte ein gleichmäßiges Erstammgsgcfüge.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren kommt vorzugsweise die elektrische Widerstandserwärmung der Schlacke zur Anwendung. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von schweren Schmiedeblöcken mit Gewichten von etwa zehn bis zu mehreren hundert Tonnen, weil gerade diese Blöcke zu besonders ausgeprägten Inncnfchlern neigen. Die crl'indimgsgcmäß für die Herstellung solche:· Blöcke erforderlichen elektrischen Leistungen sind sehr hoch, weshalb in der Regel die Verwendung von Wechselstrom vorteilhaft ist.

Der Strom wird entweder durch nicht abschmelzende Elektroden zugeführt oder durch abschmelzende Elektroden mit gleicher oder ähnlicher chemischer Zusammensetzung wie die des Blockes. Die erfindungsgemäß hohe Energiezufuhr bewirkt, daß während nahezu der gesamten Erstarrungszeit fast über den ganzen Oberflächenbereich des Blockkopfes eine Oberflächenschicht flüssig gehalten wird und sich daher der Schwindungshohlraum bei Verwendung nicht abschmelzender Elektroden fast über den

ίο ganzen Querschnitt des Blockkopfes mit gleichmäßiger Tiefe erstreckt. Bei Verwendung abschmelzender Elektroden entspricht die Menge des abgeschmolzenen Elektrodenmaterial etwa der Schwindung des Blockes, so daß in diesem Fall überhaupt kein Schwindungshohlraum entsteht und sich eine ebene Oberfläche des Blockkopfes ausbildet.

Die Verwendung von nicht abschmelzenden Elektroden empfiehlt sich somit dann, wenn abschmelzbarc Elektroden passender Zusammensetzung nicht vorhanden sind, wogegen abschmelzende Elektroden vorteilhafter sind, wenn diese leicht herzustellen sind. Die Wahl der Elektrodenart richtet sich hauptsächlich nach den örtlichen Verhältnissen.

Tn weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, diesem Wechselstrom einen Gleichstrom zu überlagern und somit durch Ausnutzung der Schmeiztlußelektrolyse die Richtung metallurgischer Reaktionen, z. B. Entschwefelung und Sauerstoffabbau, zu steuern.

Bei Verwendung mindestens einer nicht abschmelzbaren Elektrode wird beispielsweise die Energie zuführende Elektrode bzw. die Elektroden als Anode und der Block als Kathode geschaltet. Die S~ -Ionen und die O~ "-Ionen wandern dann zur Anode und scheiden sich dort ab.

Bei Verwendung mindestens einer abschmelzenden Elektrode würden bei dieser Schaltung Schwefel und Sauerstoff das Elektrodenmaterial in unerwünschter Weise verunreinigen, weshalb in diesem Fall die

4u Gleichstrom-Überlagerung vorzugsweise mit Hilfe mindestens einer zusätzlichen, in das Schlackcnbad eintauchenden, nicht abschmelzenden Hilfselektrode erfolgt. Diese ist beispielsweise sowohl gegenüber dem Block als auch gegenüber der oder den ab-

•15 schmelzenden Hauptelektrode!! als Anode geschaltet, wenn sich an ihr Schwefel und Sauerstoff abscheiden sollen.

Bei der Herstellung von Stahlblöckcn nach dem erfindungsgemärien Verfahren hat sich die Vcrwendung hochbasischer, metalloxydarmer, im wesentlichen aus CaO, ΑΙ.,Ο., und CaF., bestehender Schlakken, deren SiO_a-Gehalt 15 "/0 nicht übersteigt, als besonders günstig erwiesen. Auf Grund der schlechten Benetzbarkeit derartiger Schlacken durch Stahl ist nicht zu befürchten, daß einzelne Schlackenteilchcn vom flüssigen Stahl des erstarrenden Blockes aufgenommen werden und zu Schlackeneinschlüssen führen. Vielmehr besitzen diese Schlacken die Eigenschaft, im Stahl vorhandene Schlackentcilclien aufzunehmen und festzuhalten. Außerdem zeichnen sich derartige Schlacken durch die bekannten metallurgischen Eigenschaften, z. B. gute Enlschwefclungs- und Desoxydationsfähigkeit aus.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Eine 17-t-Schlackc eines Cr-Ni-Mo legierten Vergütungsstahls wird in die auf einer Bodenplatte 1 stehende Kokille 2. mit einem mittleren Innendurch-

messer von etwa 1200 mm und einer Höhe von etwa Fig. 1 der Zeichnung zeigt den Erstanungszustaiu

1900 mm, gegossen, so daß der flüssige Stahl diese zu Beginn der Energiezufuhr,

Kokille ungefähr bis zu ihrem oberen Rand füllt. Auf Fig. 2 während des letzten Drittels der Erstarrter Kokille 2 befindet sich der wassergekühlte Auf- rungszcil.

satz 3, der aus geschweißten Stahlblechen besteht. 5 Während der ersten 3 Va Stunden erfolgt die Ener-Wasserzu- und -abfluß sind durch Pfeile angedeutet. giczufuhr zum Schlackenbud mit einer Wechsel-In diesem Aufsatz 3 wird nach dem Füllen der Ko- stromleisiung von 570 kW bei einer Spannung von kille 2 eine im wesentlichen aus CaO, ΛΙ.,Ο., und 52 V. Weitere 3 Stunden lang wird mit vcrminder-CaF_k bestehende, voigeschmolzcne Schlackcnmi- ter Leistung, und zwar mit 480 kW bei einer Spanschung eingegossen, so daß der Blockkopf durch die m nung von 48 V, gefahren. In den letzten 3 Stunden flüssige Schlackcnschicht 4 etwa 200 mm hoch be- der Hrslarrungszcit beträgt die Leistung nur mehr deckt ist. Durch die Abschreckwirkung des Aufsat- 420 kW bei 45 V Spannung, so daß dem Schlackcnzes3 bildet sich an dessen Innenwand eine dünne bad insgesamt eine Energie von 470OkWh, also Schicht erstarrter Schlacke 4 a. Hierauf wird die aus etwa 260 kWh je Tonne Blockgcwicht, zugeführt dem gleichen Werkstoff wie der Block bestehende 15 wird. Im Verlauf der Blockerstairiing werden 800 kg Abschmelzelektrode 5, mit einem Durchmesser von Stahl von der Elektrode abgeschmolzen, woraus sich 500 mm, in das Schlackenbad getaucht. Ebenso wer- ein Gcsamtblockgcwicht von 17,8t ergibt,
den acht Hilfselektroden 6 aus Graphit in das Während der gesamten Dauer der Energiezufuhr Schlackcnbad gesenkt. Diese Graphitelektrode!! sind wird außerdem mit Hilfe des Regclwidcrstandes 12 auf einem zur Hauptelektrode 5 konzentrischen Kreis 20 über die Hilfselektroden geführte Gleichstrom auf parallel zu derselben mit gleichen Abständen unter- einer Stromstärke von 800 A konstant gehalten,
einander angeordnet und werden vom heb- und senk- Der gemäß dem Ausführungsbeispiel hergestellte baren Ring 7 gehalten. Eine Wechselstromque'le 8 ist Stahlblock weist nach beendeter Erstarrung in allen mit Hilfe von zwei Leitern an die Abschmelzelek- Blockbereichen ein vollkommen dichtes Gefüge auf. trade 5 bzw. an die Bodenplatte 1 und damit an den 25 Die bekannte V-Scigcrungen in der axialen Block-Block 9 angeschlossen, so daß nach dem Eintauchen zone fehlen vollständig. Ebenso sind die üblichcrder Abschmelzelektrode 5 Strom durch das Schlak- weise vorhandenen Anhäufungen nichtmetallischer kcnbad fließt und diesem die erforderliche Energie Einschlüsse im unteren Blocktcil nicht feststellbar. zuführt. Die Stromrichtung Block—Elektrode wechselt Die mit Hilfe des überlagerten Gleichstroms verzwangläufig mit der Wechselstromfrequenz. Die 30 stärkte Reinigungswirkung der Schlacke kommt auch Hilfselektroden 6 bzw. der Ring 7 sind über Gleich- darin zum Ausdruck, daß die Blockseigerung des richter 10 und 11 mit den beiden Leitern des Wcch- Schwefels unterdrückt wird.

sclstromkrcises verbunden, so daß durch die Hilfs- Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbei-

cleklroden 6 dem Wcchsclslromfluß in der Schlacke spiel beschränkt. Vielmehr sind im Rahmen der Pa-

ein Gleichstrom überlagert wird. Bei der gewählten 35 tentansprüchc je nach dem Grad der gewünschten

Schaltung bilden die Hilfselektroden 6 ständig den Qualitätsverbesserung für die erzeugten Blöcke vcr-

posiliven Pol, während der Block 9 und die Ab- schiedene Ausführiingsformen möglich. Tn vielen

schmelzelektrode 5 abwechselnd den negativen Pol Fällen, insbesondere bei kleineren Blöcken, z. B. aus

darstellen. Zur Regulierung des Hillselektrodenstro- üblichen Werkzeug- oder Schnellarbeilsslälilcn, kann

mes dient der Regelwiderstand 12. 40 beispielsweise auf die Gleiclistromüberlagerung vcr-

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die ziehtet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Blöcken aus unlegierten und legierten Stählen mit verbesserter Primärkristallisation, verringerter Blockseigerung und vermindertem Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen, wobei in bekannter Weise in eine Kokille zuerst flüssiger Stahl eingegossen, anschließend auf diesen eine Schlackenmischung aufgebracht, dieser Schlackenmischung während der Erstarrung des Stahles in der Kokille Energie zugeführt und die Sclilackenmischung gleichzeitig seitlich gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr zur Schlacke mindestens 120 kWh je Tonne Blockgewicht entspricht und daß das Schlackenbad seitlich so stark gekühlt wird, daß seitlich eine erstarrte Schlackenschicht gebildet und aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr zum Schlakkenbad durch Widerstandserwärmung mit Hilfe von Wechselstrom erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr zum Schlackenbad durch eine oder mehrere nicht abschmelzende Elektroden erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr durch eine oder mehrere abschmelzende Elektroden mit gleicher oder ähnlicher chemischer Zusammensetzung wie der des Blockes erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung metallurgischer Reaktionen dem Wechselstrom mit Hilfe der Elektrode(n) ein Gleichstrom überlagert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung metallurgischer Reaktionen dem Wechselstrom mit Hilfe wenigstens einer zusätzlichen, nicht abschmelzenden Hilfselektrode ein Gleichstrom überlagert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schlakkcnbad von einer hochbasischen, metalloxydarmen, im wesentlichen aus CaO, Al₂O., und CaF₂ bestehenden Schlacke gebildet wird, deren SiOo-Gehalt 1.5 °/o nicht übersteigt.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die das Schlackenbad seitlich begrenzenden Wände aus einem wassergekühlten Kokillenaüfsatz bestehen.