DE2048145A1 - Verfahren zur Herstellung von Spezial stahlen, Superlegierungen und Titan und/ oder Vanadinlegierungen - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dipl. Ing. F. Werk"¹-^r ^.
Dipl. ing. H. Weir>ir ^r-. 0*^. P^v-i. Dr, K. Fincka
Oi₁-I. Irg. F. A. Wefcknwnn, Dipl. Chsm. B. Huber
8 MDf-CbSiI 27, Möhlstr. 22

La Continentale Nucleaire S.A., 3 Place Winston Churchill Luxembourg-City, Luxembourg

Verfahren zur Herstellung von Spezialstählen, Superlegierungen und Titan- und/oder Vanadinlegierungen

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Legierungen insbesondere die direkte Herstellung von homogenen und hochwertigen Spezialstählen, Superlegierungen und Titan- und/oder Vanadinlegierungen.

Das Elektroschlackeumschmelzverfahren ist ein Verfahren welches in der letzten Zeit eine grosse Anwendung für die Verbesserung der Qualität der Stähle gefunden hat. Das Prinzip dieses Verfahrens besteht in dem Umschmelzen von einer oder mehreren mittels herkömmlichen Techniken hergestellten Stahlelektroden in einem Elektroschlackeofen oder -vorrichtung in Blöcke mit praktisch derselben chemischen Zusammensetzung aber mit verbesserter Homogenität und physikalischen und chemischen Eigenschaften. Der Hauptvorteil der nach diesem Verfahren

10981S/U60

hergestellten Produkte besteht in der verbesserten Struktur und Reinheit. Dieser Vorteil ist der Raffinationswirkung der Elektroschlacke zuzuschreiben. Aufgrund der genannten Vorteile sind die auf diese Weise hergestellten Produkte für nachfolgende metallurgische Umformungen geeigneter als Produkte welche nach anderen herkömmlichen Verfahren hergestellt worden sind. Weiterhin ist die Leistung dieses Verfahrens deutlich grosser als die der herkömmlichen Verfahren da die geregelte Abkühlung die Herstellung von rissfreien Blöcken ermöglicht wodurch die Abfälle an Blockköpfen stark verringert werden. Bis jetzt war die Herstellung von Legierungen der genannten Qualität mittels des Elektroschlackeumschmelzverfahrens nur durchführbar indem eine oder mehrere Elektroden mit praktisch derselben chemischen Zusammensetzung wie die herzustellende Legierung geschmolzen wurden, d.h. man musste zuerst die gewünschte Legierung mittels herkömmlichen Techniken vorbereiten und dann in Form von Elektroden umformen bevor man das Elektroschlackeumschraelzverfahren durchführen konnte.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die obengenannten Nachteile zu vermeiden und ein verbessertes und einfaches Verfahren zur Herstellung von homogenen und hochwertigen Spezialstählen, Superlegierungen und Titan- und/oder Vanadinlegierungen unter Elektroschlacke.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch direktes gleichzeitiges kontinuierliches und regelmässiges Schmelzen unter Elektroschlacke von wenigstens einer abschmelzenden Elektrode begreifend das oder die Grundelemente der zu erzielenden Legierung und wenigstens einer abschmelzenden Elektrode begreifend den Zusatz oder die Legierungszusätze.

Weiterhin kann die erzielte Legierung kontinuierlich in Form von Blöcken von gewünschten Längen gegossen werden welche direkt für Walzzwecke, Schmiedezwecke oder ähnliche Zwecke verwendet werden.

Auch kann das Verfahren sowie die nach dem Verfahren hergestellten Produkte zur Herstellung von stark legierten Speziälstählein; direkt in Stahlpfannen, Elektroofen, Konverter oder ähnliche Behälter verwendet werden.

Eine Abänderung des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin,* dass man die Legierungszusätze nicht in Form von abschmelzenden Elektroden sondern in

109815/1/,60

20A8H5

Pulverform in die Schlacke eingibt.

Die Erfindung sieht ebenfalls eine Vorrichtung zum !Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens vor.

Die Bedeutung des Verfahrens gemäss der vorliegenden Erfindung ist umso grosser da im Hinblick auf ein Verfahren welches in der Patentanmeldung P 19 29 720.2 in der Bundesrepublik beschrieben ist, es nun möglich ist, industriell jede Form von Legierungen in Barrenform zu erzielen einbegriffen die spröden intermetallischen Verbindungen welche bis heute nur in Pulverform oder in Form von Metallstücken einer Körnung zwischen einigen Millimetern und 100 Millimeter erhältlich waren und welche aufgrund der Sprödigkeit der metallischen Verbindungen nicht mittels metallurgischen Uniformverfahren in Form von Elektroden oder Barren hergestellt werden konnten.

Die Legierungsbildung kann durch ein Umrühren mittels Induktion des Bades unterstützt werden wodurch eine gleichmässigere Verteilung der Legierungskomponenten in dem Bad erzielt wid.

In der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens schmelzen die abschmelzenden Elektroden deren untere Enden in die Elektroschlacke eintauchen und bilden die flüssige Legierung in einem geeigneten Metalltiegel oder Metallform. Der Tiegel oder die Form, vorzugsweise aus Kupfer und wassergekühlt und dessen untere Ende offen ist, ruht auf einer Metall- oder Keramikplatte, vorzugsweise aus Kupfer und wassergekühlt.

Die erstarrte Legierung kann kontinuierlich abgezogen werden vorzugsweise durch das untere Ende des Tiegels, wodurch ein kontinuierliches Giessverfahren gewährleistet ist.

An Hand der nachfolgenden Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung näher erklärt:

Figur 1 zeigt schematisch eine Frontansicht im Schnitt der zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendeten Vorrichtung. Die Elektroden tauchen durch das obere offene Ende des Tiegels in die Elektroschlacke ein.

Figur Ib ist eine schematische Draufsicht der Vorrichtung von Figur la.

109815/1460

2048U5

Figur 2 ist eine schematische Draufsicht der Vorrichtung gemäss Figur la mit einem im wesentlichen zylindrischen Tiegel. Die Elektroden sind in Dreieckform angeordnet.

Figur 3a zeigt schematisch eine Frontansicht im Schnitt der Vorrichtung gemäss Figur la für das kontinuierliche Giessen. Der Tiegel weist einen oberen erweiterten Teil und einen unteren verringerten Teil auf.

Figur 3b ist eine schematische Draufsicht im Schnitt der Vorrichtung gemäss Figur 3a.

Gemäss den Zeichnungen, insbesondere den Zeichnungen la und Ib begreift die Vorrichtung einen Tiegel oder eine Form 1, im wesentlichen rechteckig mit einem oberen offenen Ende 2 und einem unteren offenen Ende 3j das Innere des Tiegels sei im wesentlichen rechteckig mit abgerundeten Ecken. Das untere Ende ruht auf einer Metallplatte P. Der Tiegel oder die Form ist doppelwandig ausgebildet und gewährleistet so einen im wesentlichen konzentrischen Hohlraum 6 mit einem oder mehreren Eintritten 7 und Austritten 8 für den Durchfluss des Kühlwassers zur Kühlung der Form und zum Erstarren der flüssigen Legierung zur Bildung des erstarrten Blocks 5·

Die Legierungsbestandteile werden gleichzeitig mittels abschmelzenden Elektroden deren untere Enden in die Schlacke 9 eintauchen eingebracht. Das Grundelement oder die Grundelemente der zu bildenden Legierung werden durch die abschmelzende Elektrode 10 einfachheitshalber Hauptelektrode genannt, und-die Legierungselemente werden durch die Elektroden 11 einfachheitshalber Nebenelektroden genannt eingebracht.

Gemäss der Figur 2 welche eine Abänderung der Vorrichtung gemäss Figur la darstellt, ist der Tiegel zylindrisch ausgebildet. Die Hauptelektroden 10 und die Nebenelektroden 11 sind in Dreieckform angeordnet.

Die Abänderung der Vorrichtung gemäss Figur la und Ib, in den Figuren 3a und 3b dargestellt, speziell die Konstruktion des Tiegels welche eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt, ermöglicht die kontinuierliche Durchführung des erfiridungsgemässen Verfahrens mit einem höheren Wirkungsgrad. Der Tiegel oder die Form begreift eine obere erweiterte Partie 12 und eine

109815/U60

untere engere Partie 13. Die öftere sowie die untere Partie sind mit einem Hohlraum 6 zum Durchfluss des Kühlwassers versehen. Zum Zweck dieser Ausführung hat die obere Partie und die untere Partie ein unabhängiges Kühlsystem; beide Partie können aber nur ein und dasselbe Kühlsystem aufweisen. Die erweiterte obere Partie des Tiegels ermöglicht die Anwendung einer oder mehreren Elektroden mit grösserem Querschnitt als der herzustellende Block," wodurch ein kontinuierliches Verfahren von längerer Dauer ohne Ersetzen· der Elektroden ermöglicht wird.

Einfachheitshalber sind in den Zeichnungen die Elektrodenhalterungen, die Vorrichtungen zum Ablassen der Elektroden, die Stromklemmen sowie die Vorrichtungen zum Abziehen des' erstarrten Blocks nicht dargestellt. Jede geeignete herkömmliche Vorrichtung kann zu diesem Zweck benützt werden. Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Tiegel sind vorzugsweise aus Kupfer; Tiegel aus anderen geeigneten Materialien können aber auch verwendet werden.

Die Ausbildung des Tiegels ist nicht auf die Ausbildungen der vorliegenden Beschreibung und Zeichnungen beschränkt sondern ist von der Form und den Abmessungen des zu erzielenden Blockes abhängig.

In der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens und zur Gewährleistung einer ungestörten direkten Schmelze und eines kontinuierlichen Giessverfahrens sowie zur Gewährleistung eines Blockes mit grosser Homogenität und mit glatter Oberfläche ist es erforderlich die Eingangsleistung zu regeln, dadurch dass man während der Schmelze die Spannung und den Strom sowie die Schmelzgeschwindigkeit jeder Elektrode das Schlackenbadniveau und die Abziehgeschwindigkeit des erstarrten Blocks konstant hält. Wird das erfindungsgemässe Verfahren mit der Vorrichtung gemäss Figur 3a und 3b durchgeführt, so ist es auch erforderlich die Zwischenschicht Schlacke/Metall zu regeln. Um ein kontinuierliches Abziehen des erstarrten Blocks zu gewährleisten ist es erforderlich das Schlackenniveau in der oberen erweiterten Partie 12 des Tiegels und die Zwischenschicht Schlacke/Metall im wesentlichen in der unteren engeren Partie 13 des Tiegels zu halten. Dadurch kann die Schlacke in die engere Partie des Tiegels eindringen wodurch die Erstarrung des Metalls in der oberen Partie des Tiegels vermieden wird, andernfalls würde das kontinuierliche Giessverfahren unterbrochen werden. Um das Abfliessen der Schlacke und des flüssigen Metalls von dem oberen erweiterten Teil des Tiegels zum

109815/14 60-

-s-

unteren Teil des Tiegels zu erleichtern und um den Kühleffekt an dieser kritischen Stelle zu vermindern kann man einen feuerfesten Ring 14 oder einen Graphitring vorsehen.

Die Stromintensität wird durch die Eintauchtiefe der Elektroden in die Schlacke geregelt. Da die Eintauchtiefe der Elektroden sowie der Abstand zwischen der Zwischenschicht Schlacke/Metall und dem unteren Ende der Elektrode während der Schmelze konstant bleiben soll, muss jede Versetzung der Zwischenschicht Schlacke/Metall mittels einem geeigneten Kontrollgerät 15 erfasst werden (Induktionskontrollgerät um den unteren Teil des Tiegels, oder Ultraschallgerät oder Isotopenkontrollgerät) und eine direkte Regelung durch eine Aenderung der Abziehgeschwindigkeit des erstarrten Blocks durchgeführt werden. Die Abschmelzgeschwindigkeit jeder Elektrode wird auf einem gegebenen Wert konstant gehalten und wird durch die vorgegebene Arbeitsspannung und Arbeitsstrom geregelt. Es wird daraufhingewiesen, dass im Falle wo ein Induktionskontrollgerät zur Kontrolle und/oder Regelung des Niveaus der Zwischenschicht Schlacke/Metall verwendet wird, dieser Apparat auch zum Umrühren des Bades verwendet werden kann.

Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erklären.

BEISPIEL I
Herstellung eines Warmarbeitsstahls.

Der Stahl wurde in einer wassergekühlten Kupferforra unter Verwendung von einer abschmelzenden Hauptelektrode und zwei Nebenelektroden hergestellt. Die Hauptelektrode befand sich zwischen den Nebenelektroden.

Als Hauptelektrode verwendete man eine gewalzte quadratische Elektrode, 120 χ 120 mm aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (0,2 Gew$ Kohlenstoff). Die Nebenelektroden bestanden aus einer Legierung begreifend l6 Gew$> Chrom, 4,2 Gew$ Molybdän, 2,9 Gew# Silizium , 1,6 Gew# Vanadin, 1 Gew$ Mangan, 0,6 Gew% Kohlenstoff, Rest Eisen.

Die Hauptelektrode wurde mit einem Wechselstrom einer Intensität von 5200 A gespeist. Die effektive Spannung betrug 46 V.

1 0 98 1 5/ 1 /,6 0

Die Febenelektroden wurden jede mit einem Wechselstrom einer Intensität von 867 A gespeist. Die Effektivspannung betrug 42V. Die Elektroschlacke bestand aus 70 Gew% CaP₂, 20 Gew$ CaO und 10 Gew$ Al₂O₃. Die Produktionsgeschwindigkeit betrug 410 kg pro Stunde. Die erzielte Legierung war homogen und hatte folgende Analyse in Gewichtsprozent:

C: 0,40 fo
Mn: 0,30 %
Si: 0,90 fo

Cr: 5 $
V: 0,50 fo

Mo: 1,3 fo
Rest Eisen

BEISPIEL II

Herstellung eines Warmarbeitsstahls mittels dem abgeänderten Verfahren gemäss der Erfindung. ,_#

Es wurden dieselben Ausgangsmaterialien wie in Beispiel I verwendet. Die Legierungselemente wurden in Pulverform anstatt in Form von abschmelzenden Nebenelektroden zugegeben. Das Pulver hatte eine Granulometrie von 1 bis 3 mm und wurde in die Schlacke mittels einer Rütteldosiervorrichtung proportional der Schmelzgeschwindigkeit der Hauptelektrode eingegeben. Die Hauptelektrode aus nichtlegiertem Stahl wurde mit einem Wechselstrom von 5920 A gespeist, die effektive Spannung betrug 58V. Die Zusammenstellung der Schlacke war dieselbe wie die in Beispiel I. Die Produktionsgeschwindigkeit betrug 446 kg pro Stunde.

Die resultierende Legierung hatte im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung und Homogenität wie die Legierung aus Beispiel I.

Wie bereits dargelegt kann das erfindungsgemässe Verfahren sowie die nach dem Verfahren erzielten Produkte für die direkte Herstellung von hochlegierten Spezialstählen in Stahlpfannen, Elektroofen, Konvertern und ähnlichen Behältern verwendet werden. Bei dieser Durchführung stellt der flüssige Stahl in der Pfanne die Grundelemehte der zu erzielenden Legierung d.h. die Elemente welche

■109815/1/₄ 60

normalerweise von der oder den Hauptelektroden herrühren, und die Legierungselemente werden durch das Abschmelzen von wenigstens einer Nebenelektrode deren unteres Ende in die Schlacke welche sich in der Pfanne über dem Stahl befindet eintaucht, eingebracht.

Die mit dem erfindungsgemässen Verfahren erzielten Vorteile sind folgende:

1. Diö direkte Herstellung von hochwertigen Spezialstählen und Superlegierungen aus einer unlegierten Elektrode und Legierungselektroden mit hohem "Wirkungsgrad ohne vorhergehende Schmelze.

2. Schmelzen von Komponenten mit verschiedenen Schmelz- und Verflüchtigungspunkten mittels einem Verfahren mit nur einem Verfahrensschritt und gutem Ausbringen der Legierungskomponenten.

3. Erzielen von kleinen Legierungsmengen mit spezifischer Zusammensetzung.

4. Ausscheidung von Verunreinigungen aus den Ausgangsmaterialien durch Reaktion und Verbindung mit der Elektroschlacke.

5. Verminderung der Verflüchtigungsverluste (beispielsweise bei der Verwendung von Chrom).

6. Da die Legierungselektroden selbst Energiequelle sind, werden die Badtemperatur und die Interdiffusionseffekte erhöht. Da die Interdiffusion exponentiell mit der Temperatur ändert wir^'.die Homogenität sowie die Qualität der resultierenden Legierung mit einer starken Zeitverminderung erzielt.

7. Die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens mit Tiegeln welche einen oberen erweiterten Teil aufweisen erlaubt die Herstellung von Blöcken mit jedem kleinen gewünschten Querschnitt aus Elektroden mit grösserem Querschnitt. Im Elektroschlackeumschmelzverfahren verwendet man Elektroden mit relativ kleinem Querschnitt zur Herstellung von Blöcken mit grossem Querschnitt. Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich-Elektroden mit grossem Querschnitt zur Herstellung von Blöcken mit kleinerem Querschnitt als die Elektroden zu verwenden. Dies stellt einen grossen Vorteil für die Konstruktion von Schmelzvorrichtungen dar, da die teuren und komplizierten

1 0 9 8 1 5 / 1 /, 6 0

Vorrichtungen zum Auswechseln der Elektroden nicht mehr erforderlich sind. Aus diesem Grunde sind die häufigen Unterbrechungen welche durch Auswechseln der Elektroden hervorgerufen werden vermieden.Aus diesem Grunde wird auch die Qualität des Blockes und speziell die Oberflächenqualität des Blockes stark verbessert.

8. Herstellung von Blöcken verschiedener Formen und Abmessungen.

9. Herstellung von hochlegierten Spezialstählen in Stahlpfannen, Elektroöfen, Konvertern und ähnlichen Behältern.

10 981 5/1 /*60

Claims (13)

2ÜA8H5 - 10 Pat entansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von homogenen und hochwertigen Spezialstählen, Superlegierungen und Titan- und/oder Vanadinlegierungen unter Elektroschlacke gekennzeichnet durch das direkte gleichzeitige kontinuierliche und regelmässige Schmelzen in Elektroschlacke von wenigstens einer abschmelzenden Elektrode begreifend das oder die Grundelemente der zu erzielenden Legierung und wenigstens einer abschmelzenden Elektrode begreifend den Legierungszusatz oder die Legierungszusätze.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Umrühren des Metallbades mittels Induktion.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es in einer wassergekühlten Metallform oder einem Metalltiegel durchgeführt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3_f dadurch gekennzeichnet, dass die erstarrte Legierung kontinuierlich durch das untere Ende des Tiegels in dem Masse abgezogen wird, wie die Legierung gebildet wird.

5· Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Tiegels welcher aus einem oberen erweiterten Teil und einem unteren engeren Teil besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht Schlacke/flüssiges Metall in der oberen Zone des unteren engeren Teils aufrechterhalten wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Kontrolle und Regelung der Eintrittsleistung der Abschmelzrate der Elektroden, der Eintauchtiefe der Elektroden in die Schlacke und der Abziehgeschwindigkeit der erstarrten Legierung.

8. Abänderung des Verfahrens gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungszusätze in Form von Pulvern in die Schlacke eingeführt werdea.

9. Anwendung des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7 für die

109815/1.4 60

direkte Herstellung von Spezialstählen in Stahlpfannen, in Elektroofen, Konvertern oder ähnlichen Behältern durch direktes Schmelzen in der Schlacke von wenigstens einer Elektrode "begreifend die Legierungszusätze, die Grundelemente des herzustellenden Stahls werden von dem flüssigen Stahl in den metallurgischen Behältern geliefert.

10. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäss Anspruch 1 gekennzeichnet durch:

einen metallischen Tiegel mit einem offenen oberen Ende und einem offenen unteren Ende, wassergekühlt und das ofene untere Ende ruhend auf einer wassergekühlten Metall- oder Keramikplatte,

eine Elektrodenhalterungsvorrichtung, j

eine Vorrichtung zum Ablassen der Elektroden,

eine Kühlvorrichtung und

eine Vorrichtung zum Regeln der Stromzuführung zu den Elektroden.

11. Vorrichtung gemäss Anspruch 10 gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Abziehen der erstarrten Legierung.

12. Vorrichtung gemäss den Ansprüchen 10 und 11 dadueh gekennzeichnet, dass der Tiegel einen oberen erweiterten Teil und einen unteren engeren Teil begreift.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel am unteren Ende des erweiterten Teils einen feuerfesten Ring oder Graphitring aufweist.

10-9815/U60