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Title:
METHOD AND ARRANGEMENT FOR PRODUCING CASTING MOULDS FROM METAL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/058622
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for producing essentially segregation-free and especially freckle-free casting moulds from metal, especially high-alloy steels as well as Ni and Co base alloys having great dimensions, according to an electroslag melting or casting method and using a short, electrically conductive, water-cooled chill mould (10). Electrically conductive elements (16) which are not directly water-cooled are mounted in the wall of said chill mould in an electrically insulated manner in relation to the component of the chill mould (10), whereby said component forms the casting mould. An essentially segregation-free and freckle-free bloom (24) of a surface cross-section that amounts to not more than 90 % of said component of the chill mould (10) is arranged in said chill mould, whereby said component forms the casting mould. The bloom is connected to the supplied metal by means of a slag bath (31) which is heated by the current passage and is situated in the area of the electrically conductive elements (16) and by continually pouring liquid metal (34) in a dosing manner or by supplying solid metal, in the form of granulated metal or rods for instance, that melts open in the hot slag bath (31). The level of the slag (32) in the chill mould (10) is approximately held constant by means of a relative movement between the chill mould (10) and the bloom (24) until the bloom (24) is radially doubled in the desired length. This process involving the doubled bloom (24) and a chill mould (10) of greater dimension is repeated once or several times until the desired final dimension of the casting mould is obtained.

Inventors:
HOLZGRUBER HARALD (AT)
HOLZGRUBER WOLFGANG (AT)
Application Number:
PCT/EP2000/004963
Publication Date:
August 16, 2001
Filing Date:
May 31, 2000
Export Citation:
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Assignee:
INTECO INT TECHN BERATUNG (AT)
HOLZGRUBER HARALD (AT)
HOLZGRUBER WOLFGANG (AT)
International Classes:
F02C7/00; B22D11/00; B22D11/04; B22D11/041; B22D19/00; B22D23/10; B22D27/02; C22B9/18; C22B9/187; C22B9/193; (IPC1-7): B22D23/10; B22D11/00; B22D11/04; B22D27/02
Foreign References:
DE19614182C11997-07-31
US5799721A1998-09-01
GB1568746A1980-06-04
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 013, no. 575 (C - 667) 19 December 1989 (1989-12-19)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1995, no. 09 31 October 1995 (1995-10-31)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 008, no. 180 (M - 318) 18 August 1984 (1984-08-18)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 009, no. 124 (M - 383) 29 May 1985 (1985-05-29)
Attorney, Agent or Firm:
Hiebsch, Gerhard F. (Hiebsch Peege Behrmann Heinrich-Weber-Platz 1 Singen, DE)
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Claims:
PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Herstellen von seigerungsund insbeson dere freckelarmen Gußkörpern aus Metall, insbesondere aus Stählen sowie Niund CoBasislegierungen nach einem Elektroschlacke Schmelzoder Gießverfahren unter Verwendung einer kurzen, stromleitenden, wasser gekühlten Kokille, in deren Wand nicht direkt wasser gekühlte Stromleitelemente elektrisch isoliert gegen über dem den Gußkörper formenden Teil der Kokille ein gebaut sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein weitgehend seigerungsund freckelfreier Vor block eines Flächenquerschnitts von höchstens 90 % des den Gußkörper formenden Teils der Kokille in dieser unter Verwendung eines durch den Stromdurchgang er hitzten, sich im Bereich der Stromleitelemente der Ko kille befindlichen Schlackenbades durch fortgesetztes dosiertes Eingießen flüssigen Metalls oder die Zufuhr von im heißen Schlackenbad aufschmelzendem festem Me tall in Form von Granalien oder Stangen mit dem zuge führten Metall verbunden wird, und dass durch eine Re lativbewegung zwischen Kokille und Block das Niveau des Schlackenspiegels in der Kokille annähernd kon stant gehalten wird, bis der Vorblock in der gewünsch ten Lange aufgedoppelt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenig stens ein Wiederholen des Verfahrens mit dem aufgedop pelten Vorblock in einer Kokille größeren Durchmessers bis zum Erreichen des vorgegebenen Enddurchmessers des Gußkörpers.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass die durchschnittliche Gießoder Schmelzge schwindigkeit in kg/Std. so eingestellt wird, dass sie zwischen dem 0,20fachen und 5fachen der Summe aus äquivalentem Vorblockdurchmesser und Kokillendurchmes ser in mm beträgt, wobei der äquivalente Durchmesser durch den Quotienten Umfang/ bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Gießoder Schmelzgeschwindigkeit in kg/Std. zwischen dem 0,80fachen und 1,5fachen der Summe aus äquiva lentem Vorblockdurchmesser und Kokillendurchmesser.
5. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der weitgehend seigerungsarme und freckelfreie Vorblock durch ein Umschmelzverfahren mit selbstverzehrbarer Elektrode hergestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der weitgehend seigerungsarme und freckelfreie Vorblock durch elektroschlackegießen her gestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der aufzudoppelnde Vorblock auf eine Temperatur von höchstens 800°C vorgewärmt wird.
8. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 7, gekenn zeichnet durch Kreise mit konzentrischer Anordnung als geometrische Form der Querschnitte von Vorblock und Kokille/n.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Form von Vor block und Kokillen polygon, insbesondere rechteckig oder quadratisch, sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung des Vorblocks und die chemische Zusammensetzung der einen oder mehreren aufgedoppelten Schichten einander ent sprechen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die chemischen Zusammensetzungen des Vorblocks und der einen oder mehreren aufgedoppel ten Schichten verschieden sind.
12. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Anheben der Kokille entsprechend dem Austrag des Schlackenspiegels entlang des auf einer feststehenden Bodenplatte ruhenden Guß körpers die Relativbewegung zwischen Gußkörper und Ko kille hergestellt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der auf einer absenkbaren Boden platte ruhende Gußkörper in der Weise aus der fest eingebauten Kokille abgezogen wird, dass das Niveau des Schlackenbads in der Kokille annähernd konstant bleibt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingießen des flüssigen Me talls oder das Aufschmelzen der zugesetzten festen Me tallteile unter einer Schutzgasatmosphäre kontrollier ter Zusammensetzung und kontrollierten Drucks durchge führt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der kontrollierte Druck im Bereich zwischen 1 und 600 mbar eingestellt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der kontrollierte Druck im Bereich über 2 bar eingestellt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn zeichnet, dass das Anheben der Kokille oder Absenken der Bodenplatte in einzelnen Schritten mit an schließender Pause erfolgt, wobei bevorzugt zwischen Schritt und Pause ein kleinerer Gegenschritt durchge führt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn zeichnet, dass bei gleichmäßiger Relativbewegung zwischen Gußkörper und Kokille diese oszillierend be wegt wird.
19. Anordnung zum Herstellen von seigerungsund insbeson dere freckelarmen Gußkörpern aus Metall, insbesondere aus Stählen sowie Niund CoBasislegierungen nach einem Elektroschlacke Schmelzoder Gießverfahren, mit einer kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille (10), in deren Wand nicht direkt wassergekühlte Strom leitelemente (16) elektrisch isoliert gegenüber dem den Gußkörper formenden Teil (12) der Kokille (10) eingebaut sind, sowie mit einer der Kokille nach unten hin zugeordneten Bodenplatte (20), zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der voraufgehen den Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen auf die Bodenplatte (20) gestellten Vor block (24) und die Kokille (10) ein Gießspalt (25) zur Aufnahme flüssigen Metalls (34) begrenzt ist.
20. Anordnung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch we nigstens zwei hintereinander geschaltete Kokillen (10), wobei der Innendurchmesser (d) der nachgeschal teten Kokille größer ist als jener der voraufgehenden Kokille.
Description:
BESCHREIBUNG Verfahren und Anordnung zum Herstellen von Gußkörpern aus Metall Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zum Herstellen von Gußkörpern nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Im Energiemaschinenbau besteht heute ein Trend zum Einsatz stationärer Gasturbinen mit hoher spezifischer Leistung als Alternative zu den aus Umweltgrunden vielfach abgelehnten Atomkraftwerken, bei welchen mit Dampfturbinen das Auslan- gen gefunden werden konnte. Die höheren Arbeitstemperaturen von Gasturbinen verlangen den Einsatz von hochlegierten Eisen-und insbesondere Nickelbasislegierungen, die zur Er- zielung der geforderten Eigenschaften erhebliche Gehalte an Ti, Al, B, Nb, Ta, W etc. aufweisen. Bisher wurden Gastur- binen vorzugsweise als Triebwerke für Flugzeuge eingesetzt, für die mit vergleichsweise kleinen Turbinenwellen das Aus- langen gefunden werden konnte. Für deren Herstellung wurden relativ kleine Blöcke mit Durchmessern von 500 mm und darunter benötigt, die mittels Umschmelzverfahren mit selbstverzehrbaren Elektroden mit einem ausreichenden Qualitätsstandard hergestellt werden konnten. Unter ausrei- chendem Qualitatsstandard wird insbesondere ein Rohblock verstanden, der weitgehend frei ist von makroskopischen Ge- füge-und Strukturinhomogenitåten, wie Seigerungen und anderen Fehlererscheinungen, die als"Freckles"und"White Spots"bekannt sind.

White Spots sind Fehlstellen, die im Vergleich zum übrigen Material an Legierungselementen verarmt sind. Diese Fehlererscheingung ist nur vom Vakuumlichtbogen-Verfahren mit selbstverzehrenden Elektroden her bekannt und es wird angenommen, dass diese Fehlererscheinung durch von der

Elektrodenspitze herabfallende, im Schmelzsumpf nicht auf- geschmolzene Dendritenäste hervorgerufen wird. Beim Elek- troschlacke-Umschmelzverfahren mit selbstverzehrbaren Elektroden wurde diese Fehlererscheinung bisher nicht beob- achtet.

Bei Freckles handelt es sich um vereinzelt auftretende punkt-oder fleckenförmige Entmischungen, die bei der Er- starrung hochlegierter Blöcke entlang der Dendriten auftre- ten können, wenn die Legierung Elemente enthält, deren Dichte sich erheblich von der Dichte der Grundlegierung unterscheidet. Sohin sind Eisen-oder Nickelbasislegierun- gen, die hohe Gehalte an spezifisch leichten Elementen, wie Ti oder Al, aber auch spezifisch schwere Elemente, wie W, Nb, Ta, enthalten, besonders anfällig fur diese Fehlerer- scheinung. Während bei Blöcken kleinerer Abmessungen bis etwa 400 bis 500 mm Blockdurchmesser dieser Fehler nur ver- einzelt und nur bei ungünstigen Umschmelzbedingungen auf- tritt, ist die Herstellung von fehlerfreien Blöcken mit größerem Durchmesser auch bei bester Kontrolle der Um- schmelzbedingungen so gut wie unmöglich. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die bei der Herstellung großer Um- schmelzblöcke unvermeidlichen langen Erstarrungszeiten und großen sumpfvolumina einerseits eine grobe Erstar- rungsstruktur zur Folge haben und andererseits Ent- mischungsvorgänge begunstigen.

Nun werden aber für den Bau stationärer Gasturbinen mit ausreichend hoher spezifischer Leistung große Turbinenwel- len benötigt, fur deren Herstellung wieder entsprechend große Rohblöcke mit Durchmessern von wesentlich über 500 mm, vorzugsweise bis zu 1000 mm, erforderlich sind. Nach dem heutigen Stand der Technik des Umschmelzens mit selbst- verzehrbaren Elektroden können ausreichend fehlerfreie Roh- blöcke aus den dafür benötigten Legierungen nicht herge- stellt werden.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfin- der das Ziel gesetzt, ein technisch gut durchführbares Ver- fahren zum Herstellen von weitgehend seigerungs-und insbe- sondere freckelfreien Gußkörpern aus Metall, insbesondere aus hochlegierten Stählen sowie Ni-und Co-Basislegierungen großer Abmessung nach einem Elektroschlacke Schmelz-oder Gießverfahren unter Verwendung einer an sich bekannten kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille, zu schaf- fen, in deren Wand stromleitende, nicht direkt wasserge- kühlte Elemente elektrisch isoliert gegenüber dem den Guß- körper formenden Teil der Kokille eingebaut sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Anspruches ; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildun- gen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kom- binationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale.

Erfindungsgemäß wird ein weitgehend seigerungs-und freckelfreier Vorblock, dessen Flächenquerschnitt höchstens 90 % des den Gußkörper formenden Teils der Kokille beträgt, in dieser angeordnet und unter Verwendung eines durch den Stromdurchgang erhitzten, sich im Bereich der stromleiten- den Elemente der Kokille befindlichen Schlackenbades durch fortgesetztes dosiertes Eingießen flussigen Metalls--oder die Zufuhr von im heißen Schlackenbad aufschmelzendem festen Metall in Form von beispielsweise Granalien oder Stangen--mit dem zugeführten Metall verbunden ; durch eine Relativbewegung zwischen Kokille und Block wird das Niveau des Schlackenspiegels in der Kokille annähernd solange konstant gehalten, bis der Vorblock in der gewunschten Länge radial aufgedoppelt ist, wobei dieser Vorgang mit dem aufgedoppelten Vorblock mit einer Kokille größerer Abmes- sung einmal oder mehrmals solange wiederholt zu werden ver- mag, bis die gewünschte Endabmessung des Gußkörpers er- reicht ist. Das Verfahren ist grundsätzlich für beliebige Querschnittsformen geeignet. Werden jedoch Rohblöcke benö- tigt, die durch Schmieden weiterverarbeitet werden, so werden am zweckmaßigsten Rundblocke hergestellt.

Bei der Durchführung des Verfahrens ist es wichtig, dass die Gieß-respektive Schmelzgeschwindigkeit so eingestellt wird, dass die daraus resultierende Sumpftiefe eine nach oben gerichtete seigerungsfreie Erstarrung ermöglicht. Als günstig hat es sich erwiesen, die durchschnittliche Gieß- oder Schmelzgeschwindigkeit in kg/Std. so einzustellen, dass sie zwischen dem 0,25-fachen und 5-fachen der Summe aus äquivalentem Vorblockdurchmesser und Kokillendurchmes- ser in mm beträgt, wobei der aquivalente Durchmesser für von Rundquerschnitten abweichende Formen durch den Quotien- ten Umfang/bestimmt wird. Bei überaus seigerungsempfind- lichen Legierungen werden die besten Ergebnisse erzielt, wenn die Gieß-bzw. Schmelzgeschwindigkeit im Bereich zwischen dem 0,8 und 1, 5-fachen der Summe der äquivalenten Durchmesser entsprechend dem o. a. Zusammenhang eingestellt wird.

Der für die Durchführung des Verfahrens benötigte Vorblock wird vorzugsweise durch ein Umschmelzverfahren mit selbst- verzehrbarer Elektrode hergestellt, wobei hier eine Block- abmessung gewählt wird, die ein feinkörniges Gefüge gewähr- leistet und bei der mit Sicherheit ein Auftreten von Freckeln und Seigerungen vermieden werden kann. Grundsatz- lich kann der Vorblock auch durch ein Elektroschlacke-oder sonstiges Gießverfahren hergestellt werden, solange eine ausreichende Freckel-und Seigerungsfreiheit sichergestellt ist.

Bei rißempfindlichen Legierungen--und auch fur eine gute und fehlerfreie Bindung zwischen dem Vorblock und der auf- gedoppelten Schicht--kann es zweckmäßig sein, den Vor- block auf eine Temperatur von bis zu 800°C vorzuwärmen. Für das Herstellen von homogenen freckel-und seigerungsfreien Blöcken und Gußkörpern fur das Erzeugen von Schmiedestücken od. dgl. wird der Vorblock mit einer Legierung aufgedoppelt, welche die gleiche chemische Zusammensetzung wie der Vor- block aufweist. Für besondere Anwendungszwecke--bei- spielsweise die Herstellung von Verbundwalzen, die einen

zähen Kern und eine verschleißfeste Oberfläche aufweisen müssen--kann der Vorblock auch mit einer Legierung völlig unterschiedlicher Zusammensetzung aufgedoppelt werden.

Für die Durchführung des Verfahrens ist es erforderlich, dass das flüssige Schlackenbad immer in der Höhe der in die Kokillenwand eingebauten, nicht direkt wassergekühlten und gegen den Rest der Kokille elektrisch isolierten stromlei- tenden Elemente sich befindet, da über diese eine Stromzu- leitung in das Schlackenbad ermöglicht wird. Die Rucklei- tung des Stroms erfolgt dann über den Vorblock bzw. die Bodenplatte, auf welcher der Vorblock ruht. Durch den Stromdurchgang wird das Schlackenbad in flüssigem Zustand gehalten und soweit erhitzt, dass einerseits das Metall des Vorblocks oberflächlich angeschmolzen wird und dass andererseits auch bei langsamen Zugießen flussigen Metalls zum Zweck des Aufdoppelns eine vorzeitige Erstarrung an der Stelle, wo der Meniskus des flüssigen Metallspiegels mit der wassergekühlten Wand der Kokille in Kontakt ist, ver- mieden wird.

Für das Anfahren des Prozesses wird der vorbereitete Vor- block auf einen--in die lichte Kokillenöffnung passenden --Stuhl aufgesetzt, der entweder wassergekühlt--und so- mit wiederverwendbar--sein oder auch aus dem gleichen Material wie der Vorblock bestehen kann. Der Stuhl mit dem darauf aufsitzenden Vorblock wird zunächst so in der Ko- kille positioniert, dass seine Oberkante gerade mit der Oberkante des unteren, wassergekühlten, die neue Blockober- fläche bildenden Teils der Kokille abschließt. Nun wird Spannung angelegt, wobei aber zunächst noch kein Strom fließt, da keine leitende Verbindung zwischen den stromlei- tenden Elementen und dem Vorblock bzw. der Bodenplatte be- steht. Anschließend wird eine vorgeschmolzene Schlacke der gewünschten Zusammensetzung in den Spalt zwischen Vorblock und Kokillenwand eingegossen, womit ein Strom zu fließen beginnt, sobald der Schlackenspiegel in den Bereich der stromleitenden Elemente in der Kokillenwand kommt. Nun wir

die gewünschte elektrische Leistung, entsprechend den Ab- messungen von Vorblock und Kokille eingestellt und nach kurzer Zeit, die ausreicht um die dem Schlackenbad ausge- setzte Oberfläche des Vorblockes anzuschmelzen, mit dem Eingießen des aufzudoppenden Metalls begonnen. Um den Schlackenspiegel immer im Bereich der stromleitenden Ele- mente zu halten, wird entsprechend der Anlagenkonfiguration --beispielsweise bei feststehendem Stuhl--die Kokille kontinuierlich oder in Schritten in etwa in der Weise ange- hoben, wie durch die Zufuhr von Metall der Schlackenspiegel ansteigt. Verfügt die Anlage dagegen über eine feststehende Kokille, so wird der Stuhl in entsprechender Weise aus der Kokille nach unten abgezogen um so wieder ein annähernd konstantes Niveau des Schlackenspiegels in Bezug auf die stromleitenden Elemente sicherzustellen. Das Eingießen von flüssigem Metall kann dabei entsprechend der gewunschten Aufbaugeschwindigkeit kontinuierlich oder diskontinuierlich in Schritten erfolgen. Bei einer schrittweisen Zufuhr darf aber das Volumen der Metallmenge eines einzelnen Schrittes das Volumen des Schlackenbades nicht überschreiten. Sowohl bei kontinuierlicher als auch bei schrittweiser Metallzu- fuhr ist jedoch darauf Bedacht zu nehmen, dass die o. a. mittlere Gießrate nicht überschritten wird.

Das Anheben der Kokille bzw. das Absenken der Bodenplatte mit dem Stuhl kann in an sich bekannter Weise wieder konti- nuierlich oder in Schritten erfolgen, wobei die mittlere Hub-bzw. Abzugsgeschwindigkeit wieder entsprechend auf die Metallzufuhrgeschwindigkeit abgestimmt sein muss. Bei schrittweiser Arbeitsweise ist darauf zu achten, dass der Einzelschritt nicht größer sein darf als die Höhe der in die Kokillenwand eingebauten stromleitenden Elemente. An jeden Hubschritt schließt eine Pause an solange bis der Schlackenspiegel wieder annähernd das ursprüngliche Niveau erreicht hat. Bei schrittweiser Arbeitsweise kann weiters zwischen Abzugshubschritt und Pause ein Rückhub eingeschal- tet werden, wobei dann Abzugshub, Rückhub und Pause so auf-

einander abgestimmt werden müssen, dass sie der mittleren Metallzufuhrgeschwindigkeit entsprechen.

Wird hingegen mit einer kontinuierlichen Abzugsgeschwindig- keit gearbeitet, so kann es für die Ausbildung einer guten Oberflache hilfreich sein, wenn die Kokille, wie vom Stranggießen her bekannt, eine oszillierende Bewegung aus- führt.

Als weitere wesentliche Maßgabe ist anzusehen, dass der auf einer absenkbaren Bodenplatte ruhende Gußkörper in der Weise aus der fest eingebauten Kokille abgezogen wird, dass das Niveau des Schlackenbads in der Kokille annähernd konstant bleibt. Zudem erfolgt das Eingießen des flüssigen Metalls oder das Aufschmelzen der zugesetzten festen Metallteile bevorzugt unter einer Schutzgasatmosphäre kontrollierter Zusammensetzung und kontrollierten Drucks ; der kontrollierte Unterdruck wird im Bereich zwischen 1 und 600 mbar eingestellt, im Falle eines Überdrucks werden mehr als 2 bar bevorzugt.

Anstelle des Eingießen von flüssigem Metall kann auch festes Metall in Form von Stäben, Spänen oder Granalien in das Schlackenbad eingebracht und in diesem zum Aufschmelzen gebracht werden. Die Metallzufuhr in den Spalt zwischen Vorblock und Kokille wird in der oben beschriebenen Weise solange fortgesetzt, bis der gesamte Vorblock aufgedoppelt ist. Dann wird die Energiezufuhr zum Schlackenbad abge- schaltet und der aufgedoppelte Vorblock nach vollständiger Erstarrung der aufgedoppelten Schicht aus der Anlage ent- fernt.

Grundsätzlich kann das Verfahren an offener Luft durchge- führt werden, da das flüssige Schlackenbad den darunter liegenden Metallspiegel gegen den Luftsauerstoff schutzt.

Fur die Herstellung hochwertiger Legierungen empfiehlt es sich dennoch, das Verfahren unter einer kontrollierten Schutzgasatmosphare durchzufuhren, wobei in diesem Fall je

nach den Anforderungen auch unter Unter-oder Überdruck ge- arbeitet werden kann.

Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Herstellen seigerungs-und insbesondere freckelarmer Gußkörper aus Metall--insbesondere aus Stählen sowie Ni-und Co- Basislegierungen nach einem Elektroschlacke Schmelz-oder Gießverfahren--mit einer kurzen, stromleitenden, wassergekühlten Kokille, in deren Wand nicht direkt wassergekühlte Stromleitelemente elektrisch isoliert gegenüber dem den Gußkörper formenden Teil der Kokille eingebaut sind und die mit einer der Kokille nach unten hin zugeordneten Bodenplatte versehen ist, wird zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens ein Gießspalt zur Aufnahme flüssigen Metalls durch einen auf die Bodenplatte gestellten Vorblock und die Kokille begrenzt. Bevorzugt werden zwei hintereinander geschaltete Kokillen ; der Innendurchmesser der nachgeschalteten Kokille soll dabei größer sein als jener der voraufgehenden Kokille.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung ; diese zeigt in ihren drei Figuren jeweils einen Längsschnitt durch eine Gießeinrichtung mit Kokille.

In eine wassergekühlte Kokille 10 mit ringförmigem Hohlkor- per 12 ist gemäß Fig. 1 von unten her eine--ihrerseits hohle--Bodenplatte 20 eingeschoben, die Teil eines Stuh- les 22 ist. Der Außendurchmesser dieser Bodenplatte 20 ist geringfügig kürzer als der Innendurchmesser d der Kokille 10 ; die Bodenplatte 16 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 angeordnet ist.

Auf der Oberkante 13 ruht ein ringartiges Isolierelement 14 und auf diesem ein--ebenfalls ringartig ausgebildetes-- Stromleitelement 16 ; letzteres ist nach oben hin durch ein oberes Isolierelement 14a von einem seinerseits wasserge- kühlsten Hohlring 18 getrennt.

Ein beispielsweise durch ein Umschmelzverfahren mit selbst- verzehrbarer Elektrode hergestellter Vorblock 24 ruht auf der Bodenplatte 20 des Stuhles 22, die in eine Position nahe der Oberkante 12 des unteren wassergekühlten Teils der Kokille 10 für den Startvorgang gebracht wurde. Der Vor- block 24 begrenzt mit der Kokille 10 einen Gießspalt 25 der Weite b.

Das Stromleitelement 16 sowie der Stuhl 22 sind über Hoch- stromleitungen 26,26a mit je einem Pol einer Gleich-oder Wechselstromquelle 28 verbunden. Um den Prozess zu starten, wird aus einem Gefäß flüssige Schlacke in den von der Kokille 10 und dem Vorblock 24 begrenzten Kokillenspalt ge- gossen, bis ein Schlackenspiegel 32 eines entstehenden Schlackenbades 31 der Höhe e etwa die Oberkante des Strom- leitelements 16 erreicht hat.

Anschließend wird--wie in Fig. 2 schematisch dargestellt --fortlaufend flüssiges Metall 34 durch das Schlackenbad 31 mit der vorgesehenen Gießgeschwindigkeit gegossen, wobei letzteres einerseits mit dem Vorblock 24 verschweißt und anderseits im Kontakt mit diesem sowie dem unteren wasser- gekühlten Teil der Kokille 10 erstarrt und eine mit dem Vorblock 24 fest verbundene aufgedoppelte Mantelschicht 36 bildet.

In Fig. 3 wird schematisch das nochmalige radiale Aufdop- peln eines bereits einmal aufgedoppelten Vorblocks 24 durch Aufbringen einer weiteren aufgedoppelten Schicht 38a in einer Kokille 10 größeren Innendurchmessers d dargestellt.

Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens soll an- hand des nachfolgenden Beispiels veranschaulicht werden : Die hochwarmfeste Ni-Basislegierung Inconel 718 enthält neben den Legierungselementen Cr und Mo noch je 0,9 % Ti und Al sowie über 5 % Nb und auch B. Die Legierung ist äußerst freckelempfindlich, so dass qualitativ einwandfreie Blöcke sowohl nach dem Elektroschlacke-als auch nach dem Vakuumlichtbogen-Umschmelzverfahren nur bis zu Blockdurch- messern von etwa 450 mm mit Sicherheit herstellbar sind.

Fur den Bau stationärer Gasturbinen wurden jedoch Blöcke aus dieser Legierung mit 12 bis 18 t Gewicht und einem Blockdurchmesser von 900 bis 1000 mm benötigt.

Für die Herstellung eines Rohblocks mit 16,5 t Gewicht bei einem Blockdurchmesser von 950 mm wurde in einer Elektro- schlackeumschmelzanalge mit Standtiegel eine Abschmelzelek- trode mit 340 mm Durchmesser und einer Länge von 4 m in einer Standkokille mit 420 mm Innendurchmesser mit einer Schmelzrate von 350 kg/h zu einem Block mit 2,6 m Länge um- geschmolzen. Die chemische Zusammensetzung der Abschmelz- elektrode betrug 0,03 % C, 0,18 % Si, 0,21 % Mn, 19,15 % Cr, 2,97 % Mo, 52,83 % Ni, 0,89 % Ti, 0,92 % Al, 5,26 % Nb,

0,0042 % B und 17,85 % Fe. Fur das Umschmelzen wurde eine Schlacke mit 70 % CaF2 und je 15 % A1203 und CaO verwendet.

Die Schlackenbadhöhe e wurde auf 14 cm eingestellt und die Leistungszufuhr zum Schlackenbad 31 im Bereich von 350 bis 380 kW bei einem Schmelzstrom zwischen 9,0 und 10,0 kA ge- halten. Die Umschmelzdauer betrug knapp 10 h, wovon etwa 25 min. fur das Ar. fahren, etwa 8 h 45 min. fur den Blockaufbau und knapp 50 min. für das Hottopping anfielen. Nach dem Um- schmelzen wurde der Block abgekühlt und aus der Kokille entnommen. Der Block wies eine glatte Oberflache auf und hatte im kalten Zustand einen Durchmesser von 404 mm. Das Gewicht betrug 3060 kg.

Dieser so hergestellte Vorblock 24 wurde anschließend in einer Elektroschlacke-Umschmelzanlage mit absenkbarer Bodenplatte 20 auf den wassergekühlten Bodenplattenstuhl 22 einer stromleitenden Kokille 10 mit einem Innendurchmesser d von 700 mm aufgesetzt und die Oberkante des Stuhls 22 bis knapp unter die Oberkante des unteren wassergekühlten Teils 12 der in der Arbeitsbühne fest eingebauten Kokille 10 hochgefahren. Anschließend wurde der Hauptschalter der Stromversorgung eingeschaltet und die Spannung auf 70 V eingestellt, wobei noch kein Strom gemessen wurde. Es wurden dann etwa 70 kg flüssige Schlacke der Zusammenset- zung 70 % CaF2 und je 15 % Al203 und CaO in den Spalt zwischen Vorblock 24 und Kokille 10 eingegossen, worauf ein Strom von zunächst etwa 2,5 bis 3,0 kA zu fließen begann, der dann innerhalb von etwa 10 Minuten auf 9,0 bis 9,8 kA anstieg, womit auch eine Leistung von etwa 690 kW erreicht wurde. Es wurde nun eine erste Portion flüssigen Metalls 34 in den Spalt zwischen Vorblock 24 und Kokille 20 eingegos- sen, welches in einem Vakuuminduktionsofen mit 6 t Fas- sungsvermögen aus Cast Sticks erschmolzen worden war, die der gleichen Schmelze wie die Abschmelzelektrode des Vor- blocks 24 entstammten und damit die gleiche chemische Zu- sammensetzung aufwiesen. Die Menge der ersten Portion be- trug 15 kg, wodurch der Schlackenspiegel 32 um nicht ganz 7 mm anstieg. Dadurch wurde ein erster Abzugsschritt im Aus-

maß von 3,5 mm ausgelöst, dem nach 30 sec. Pause ein weiterer Abzugsschritt von ebenfalls 3,5 mm folgte. Eine Minute nach der ersten Portion wurde eine weitere Portion von 15 kg eingegossen, wobei durch das Ansteigen des Bad- spiegels wieder ein Abzugsschritt von 3,5 mm ausgelöst wurde, dem ein weiterer nach 30 sec. folgte. Dieser Vorgang wurde bei Aufrechterhaltung der elektrischen Leistung fort- gesetzt, bis das obere Ende des Vorblocks 24 nach 6 h und 25 min. erreicht war. Nach einer Nachkühlzeit von 25 min. wurde der aufgedoppelte Vorblock 24 aus der Anlage genom- men. Dieser wies eine einwandfreie, glatte Oberflache mit geringen Schlackenanhaftungen auf und hatte nun ein Gewicht von 8810 kg bei einem Durchmesser von 690 mm.

Dieser aufgedoppelte Vorblock 24 wurde anschließend in eine stromleitende Kokille 10 mit einem Arbeitsdurchmesser von 965 mm eingesetzt und der oben beschriebene Vorgang des Aufdoppelns oder Aufpanzerns (Cladding) abermals wieder- holt, wobei folgende Parameter eingestellt wurden. Es wurden 95 kg flüssige Schlacke gleicher Zusammensetzung verwendet. Bei einer Spannung von 60 V stieg der Strom nach dem Eingießen der Schlacke innerhalb von 12 min. von 3,5 kA auf 17, 0 kA an, wobei sich eine Leistung von 1020 kW ein- stellte. Jede Minute wurden wieder Portionen flüssigen Me- talls 34 der gleichen chemischen Zusammensetzung von je 24 kg eingegossen, das Absenken erfolgte wieder alle 30 sec., wobei die einzelnen Hubschritte 3,9 mm betrugen. Dieser Vorgang wurde wieder fortgesetzt bis--nach 5 h 35 min.-- die gesamte Länge aufgedoppelt war. Nach einer Nachkühlzeit von wieder 25 min. wurde der Block aus der Anlage gehoben.

Er wies einen Durchmesser von knapp über 9050 mm auf und hatte ein Gewicht von 16740 kg. Die Blockoberfläche war ausreichend, um den Block durch Schmieden direkt weiterver- arbeiten zu können.

Der Block wurde daher in einem Herdwagenofen auf Schmiede- temperatur erwärmt und anschließend auf einer 4500 t- Schmiedepresse auf einen Durchmesser von 600 mm vorge- schmiedet. Bei dieser Abmessung wurde der Schmiederohling erkalten gelassen und überdreht. Bei einer Ultraschallprü- fung nach dem Überdrehen konnten keine Fehleranzeigen fest- gestellt werden. Die Ultraschallprüfung ergab allerdings Hinweise auf Grobkorn, was aber die Verwendung nicht beein- trächtigte, da eine weitere Warmverformung vorgesehen war.

Der Stab wurde anschließend in zwei annähernd gleich lange Stücke geteilt, so dass sich die Möglichkeit ergab, aus der Blockmitte eine Scheibe für weitere Untersuchungen zu ent- nehmen. Diese Scheibe wurde geschliffen und einer Heißatz- prüfung unterzogen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Scheibe über den gesamten Blockquerschnitt hinweg frei war von Blockseigerungen und insbesondere Freckelseigerungen.

Die Bindung der aufgedoppelten Schichten war an allen Stellen einwandfrei. Das Gefüge in den aufgedoppelten Schichten war deutlich feiner als jenes im ursprünglichen Vorblock. Alles in allem zeigte eine Scheibe eine ausge- zeichnete Gefügestruktur und erschien fur einen Einsatz für rotierende Turbinenteile großer Abmessungen durchaus geeig- net.