Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Umschmelzen einer selbstverzehrenden Elektrode zu einem Block bei der Metallherstellung, wie diese aus dem Stand der Technik bereits allgemein bekannt ist.

Für die Herstellung hochwertiger Blöcke insbesondere aus Stählen sowie Ni- und Co-Basislegierungen werden sogenannte Umschmelzverfahren eingesetzt, bei welchen eine selbstverzehrende Abschmelzelektrode (im Folgenden oftmals lediglich als„Elektrode" bezeichnet) durch Zufuhr von elektrischer Energie zu einem Umschmelzblock umgeschmolzen wird, der in einer wassergekühlten Kokille schrittweise aufgebaut wird. Die Umschmelzrate wird dabei so gewählt, dass ein flacher Schmelzsumpf beibehalten wird und die Erstarrung vom Boden zum Kopf hin langsam fortschreitet, solange bis die gesamte Elektrode abgeschmolzen ist. Im Wesentlichen haben zwei Verfahrensvarianten technische Bedeutung erlangt. Es ist dies einerseits der Vakuumlichtbogenprozess, im anglikanischen Schrifttum als „Vacuum Are Remelting" (VAR) bezeichnet, und anderseits das Elektroschlacke- Umschmelzverfahren (ESU), im Englischen als „Electroslag Remelting" (ESR) bezeichnet. Jeder dieser beiden Prozesse weist kennzeichnende Merkmale auf, die in Folge kurz dargelegt werden: Beim Vakuumlichtbogenverfahren erfolgt das Abschmelzen der Elektrode in einem geschlossenen Ofengefäß, bestehend aus einer Ofenhaube und dem vom Kühlwasser durchflossenen Kokillentopf, in den der mit einer Bodenplatte verschlossene Kupfertiegel zur Aufnahme des Umschmelzblockes unter Vakuum eingehängt ist. Alternativ kann auch eine komplette, aus Wasserkasten und Kupfereinsatz bestehende Kokille mit einer ebenfalls wassergekühlten Bodenplatte verschlossen und direkt mit der Haube verbunden werden. Die Abschmelzelektrode wird durch eine am unteren Ende einer Elektrodenstange angebrachte hydraulisch oder pneumatisch betätigte Klemme gehalten, die auch zur Stromübertragung dient. Die Elektrodenstange ist in vertikaler Richtung verfahrbar und dient der Zufuhr der Abschmelzelektrode zum Schmelzbad in der Weise, wie diese abschmilzt. Eine vakuumdichte Durchführung ermöglicht die vertikale Bewegung der Elektrodenstange. Das Vakuum im Ofengefäß wird durch einen Satz mechanischer Pumpen erzeugt. Die für das Umschmelzen erforderliche Energie wird von einer Gleichstromquelle geliefert, deren einer Pol mit der Elektrodenstange und damit der Abschmelzelektrode verbunden ist, während der andere Pol an die Bodenplatte bzw. die Kokille angeschlossen ist, wobei die Rückleitung von der Kokille über den Kokillenflansch und allenfalls noch über die Haube geführt werden kann, um eine Koaxialität zwischen Zu- und Rückleitung sicherzustellen. Die Schmelzenergie wird durch einen Lichtbogen erzeugt, der zwischen der Spitze der Abschmelzelektrode und der Oberfläche des Schmelzbades brennt. Um einen stabilen Lichtbogen aufrecht zu erhalten, muss der Abstand zwischen Elektrodenspitze und Schmelzsumpf genau eingehalten werden.

Beim Elektroschlacke-Umschmelzen erfolgt das Abschmelzen der Elektrode in einem metallurgisch aktiven Schlackenbad, welches einen Ohm'schen Widerstand darstellt und welches beim Durchgang des Stroms von der Elektrode zum Schmelzsumpf auf Temperaturen erhitzt wird, die ein Abschmelzen der Elektrode zur Folge haben. Um Polarisationseffekte im Schlackenbad zu vermeiden werden beim Elektroschlacke-Umschmelzen Stromquellen verwendet, die Wechselstrom entweder mit Netzfrequenz oder einer meist niedrigeren Frequenz als Wechselstrom liefern. Ähnlich wie beim Vakuumlichtbogenverfahren wird das abgeschmolzene Metall in einem wassergekühlten Tiegel aufgefangen und schrittweise ein Umschmelzblock aufgebaut. Durch eine geeignete Vorrichtung wird die Abschmelzelektrode in der Weise in das Schlackenbad nachgefahren, wie sie abschmilzt, sodass die Elektrodenspitze ständig im Schlackenbad eingetaucht bleibt. Grundsätzlich kann das Elektroschlacke-Umschmelzen an Luft erfolgen, da das Metallbad vollständig durch die flüssige Schlacke abgedeckt ist und so ein Kontakt der Umgebungsluft mit dem flüssigen Metall unterbunden wird. In modernen Anlagen wird heute jedoch unter einer kontrollierten Schutzgasatmosphäre umgeschmolzen, die entweder bei Atmosphärendruck liegt, aber auch über oder unter diesem liegen kann. Damit verfügen moderne ESU-Anlagen ebenfalls über eine auf dem oberen Kokillenrand gasdicht aufsitzende Haube mit einer ebenfalls gasdichten Durchführung für die Elektrodenstange, mittels derer die Abschmelzelektrode nachgefahren wird und über die der Schmelzstrom zur Elektrode geleitet wird. Der Schmelzstrom gelangt dann über das Schlackenbad und den umgeschmolzenen Block und die Bodenplatte bzw. Kokille zurück zur Stromquelle. Auch hier wird vielfach die Rückleitung vom Kokillenflansch über die Haube und von dort zum zweiten Pol der Stromquelle geführt.

Beide Verfahren dienen zur Herstellung qualitativ hochwertiger Umschmelzblöcke, wobei von Fall zu Fall einmal dem einen und einmal dem anderen Verfahren der Vorzug gegeben wird, was zu Problemen hinsichtlich Kapazität oder Auslastung der jeweiligen für ihr spezielles Verfahren konzipierten Anlagen führt oder führen kann. Dabei sind wesentliche Anlagenkomponenten bei beiden Verfahrensweisen weitgehend ident wie beispielsweise die wassergekühlte Kokille zur Aufnahme des umgeschmolzenen

Blockes

> die Kühlwasserversorgung von Kokille und kritischen

Anlagenkomponenten

> die Haube mit einer gasdichten bzw. vakuumdichten Durchführung für

die Elektrodenstange

> die Elektrodenstange für die Stromzufuhr mit der Vorschubvorrichtung

und einer Stromklemme

> die Hochstromleitungen zwischen Stromquelle und Elektrodenstange

bzw. Bodenplatte, Kokillenflansch oder Haube

> ein großer Teil der Steuerung sowie praktisch alle Betätigungen Unterschiede zwischen den Verfahren bestehen wie folgt:

> bei der Schmelzstromversorgung, die beim

Vakuumlichtbogenverfahren eine Gleichstromquelle ist und beim ESU- Verfahren eine Wechselstromquelle

> der Vakuumlichtbogenofen benötigt eine aus mehreren mechanischen

Vakuumpumpen bestehende Vakuumerzeugungsanlage mit

entsprechender Steuerung

> eine Schutzgas-ESU-Anlage benötigt eine Schutzgasversorgung mit

entsprechender Steuerung sowie eine Rauchgasabsaugung mit Filter eine Schutzgas-ESU-Anlage benötigt eine Dosiervorrichtung für eine gesteuerte Zugabe von Schlacken sowie Desoxidationsmitteln und

Legierungen

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorab geschilderten Probleme im Hinblick auf unzureichende Kapazitäten bzw. Auslastung bei spezialisierten Anlagen zu vermeiden durch Einsatz von Anlagen, die für jede der beiden Verfahrensvarianten geeignet bzw. anpaßbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einer Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Gegenstand der Erfindung ist demnach eine Anlage zum Umschmelzen selbstverzehrbarer Elektroden zu Blöcken in wassergekühlten Kokillen, die alternativ sowohl als Vakuumlichtbogenofen als auch als Elektroschlacke-Umschmelzanlage betrieben werden kann, wobei sowohl die Schmelzstromversorgung und die Prozeßsteuerung sowie der Vakuumpumpensatz bzw. das Schutzgassystem und die Dosieranlage so umschaltbar ausgeführt sind, dass die Anlage an die Erfordernisse des jeweiligen Prozesses angepaßt werden kann.

Die Anlage kann erfindungsgemäß daher mit zwei nebeneinander eingebauten, aber getrennt betreibbaren Stromversorgungen ausgestattet sein, von denen eine eine Gleichstromversorgung darstellt und es sich bei der zweiten um einen Wechselstrom-Transformator oder eine thyristorgesteuerte Umrichteranlage handelt.

Die Anlage kann aber auch mit einer einzigen thyristorgesteuerten Umrichteranlage ausgestattet sein, die entweder Gleichstrom oder Wechselstrom mit einer Frequenz von max. 20 Hertz liefern kann. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung dargestellt.

Die Zeichnung zeigt in der Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Anlage 100.

Die Anlage 100 umfasst einen wasserdurchflossenen Kühltopf 1 , in dem eine als Kupfertiegel ausgebildete Aufnahmeeinrichtung in Form einer Kokille 2 eingehängt ist, die der Aufnahme eines umgeschmolzenen Blocks 3 dient, der durch Abschmelzen einer Elektrode 9 entweder in einem hei ßen Schlackenbad 4, oder durch einen zwischen dem unteren Ende der Elektrode 9 und einem flüssigen Metallsumpf 6 brennenden Lichtbogen 5 hergestellt wird.

Die Abkühlung des Blocks 3 wird durch das über einen Einlaufstutzen 7 zugeleitete und entlang des Spalts zwischen dem Kühltopf 1 und dem Kokille 2 nach oben strömenden Kühlwasser bewirkt, welches über einen Auslaufstutzen 8 ausströmt.

Die Elektrode 9 wird durch eine Stromklemme 14 gehalten und durch eine Vorschubeinrichtung in Form einer hydraulisch betätigten Zugstange 13 gegen eine Kontaktfläche 30 einer als Stromzuführelement dienenden Elektrodenstange 12 gepresst, wodurch der Kontakt zu einer Stromzuleitung 28 hergestellt wird, die ihrerseits mit einer Spannungsquelle 26, 27 verbunden ist.

Die in vertikaler Richtung mittels einer geeigneten, hier nicht dargestellten Vorrichtung verfahrbare Elektrodenstange 12 wird durch eine vakuum- bzw. gasdichte Durchführung 1 1 in den durch eine ein Abdeckelement ausbildenden Ofenhaube 10 gebildeten Innenraum geführt. Von der Ofenhaube 10 führt eine Vakuumleitung 15 zu einem als Unterdruckquelle dienenden Vakuumpumpensatz 16. Ein eine erste Sperreinrichtung ausbildender Vakuumschieber 17 ist beim Vakuumlichtbogenbetrieb geöffnet und wird geschlossen, wenn die Anlage 100 als ESU-Anlage betrieben wird. Beim ESU- Betrieb bleibt der Vakuumschieber 17 geschlossen, und ein ebenfalls vakuumdichter Schieber 19, der als Sperreinrichtung wirkt, wird geöffnet, wodurch eine Abgasleitung 18 mit einem Staubfilter 20 und einem als Rauchgasabsaugung wirkenden Ventilator 21 freigegeben wird.

Während des ESU-Betriebs ist außerdem ein ebenfalls vakuumdichter, eine zweite Sperreinrichtung ausbildender Schieber 23 geöffnet, wodurch über eine Zuleitung 22 die Zudosierung von Schlacke oder Legierungselementen aus einem Behälter 31 durch Betätigung einer Dosiervorrichtung 32 ermöglicht wird.

Beim ESU-Betrieb unter Schutzgas gelangt dieses über eine Schutzgasleitung 24 und ein geeignetes Dosierventil 25 über die Zuleitung 22 oder auch direkt in den durch die Ofenhaube 10 gebildeten Innenraum. Die Zuleitung des Schmelzstroms zur Elektrodenstange 12 erfolgt über die Stromzuleitung 28, die mit einem Pol der Spannungsquelle 26, 27 über die Hochstromschalter 26a, 27a verbunden ist. Die Rückleitung des Schmelzstroms zum zweiten Pol der Spannungsquelle 26, 27 kann über eine Verbindungsleitung 29 vom Flansch der Kokille 2 erfolgen, wie dies in der Fig. 1 dargestellt ist. Alternativ kann dies aber auch vom Boden der Kokille 2 oder auch von der Ofenhaube 10 erfolgen.

Um die Anlage 100 als Vakuumlichtbogenofen mit Lichtbogen 5 betreiben zu können, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: Die Schieber 19 und 23 sind geschlossen und Vakuumschieber 17 ist geöffnet Der Vakuumpumpensatz 16 ist in Betrieb Die Schutzgaszufuhr über die Schutzgasleitung 24 ist abgestellt, das Dosierventil 25 ist geschlossen Die Gleichstrom erzeugende Spannungsquelle 26 ist in Betrieb, wobei der Hochstromschalter 26a geschlossen und der Hochstromschalter

27a unterbrochen ist.

Wird die Anlage 100 im ESU-Modus betrieben, die dem ein Abschmelzen der Elektrode 9 in dem Schlackenbad 4 erfolgt, so müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: Der Vakuumschieber 17 ist geschlossen und die Schieber 19 sowie

Schieber 23 und das Dosierventil 25 sind geöffnet Der Vakuumpumpensatz 16 ist außer Betrieb, der Ventilator 21 und die

Schutzgaszufuhr über die Schutzgasleitung 24 sind in Betrieb Die Wechselstrom mit einer Frequenz von weniger als 100Hz

erzeugende Spannungsquelle 27 ist in Betrieb, der Hochstromschalter 27a ist geschlossen und der Hochstromschalter 26a ist unterbrochen.

Ergänzend wird erwähnt, dass anstelle zweier Spannungsquellen 26, 27 es auch vorgesehen sein kann, dass zur Erzeugung des Gleichstroms als auch zur Erzeugung des Wechselstroms eine einzige Spannungsquelle

vorgesehen ist, die eine bis max. 20Hz ausgebildete Thyristor- Umrichteranlage umfasst. Bezugszeichenliste:

1 Kühltopf

2 Kokille

3 Block

4 Schlackenbad

5 Lichtbogen

6 Metallsumpf

7 Einlaufstutzen

8 Auslaufstutzen

9 Elektrode

10 Ofenhaube

1 1 Durchführung

12 Elektrodenstange

13 Zugstange

14 Stromklemme

15 Vakuumleitung

16 Vakuumpumpensatz

17 Vakuumschieber

18 Abgasleitung

19 Schieber

20 Staubfilter

21 Ventilator Zuleitung

Schieber

Schutzgasleitung Dosierventil Spannungsquellea Hochstromschalter Spannungsquellea Hochstromschalter Stromzuleitung Verbindungsleitung Kontaktfläche Behälter

Dosiervorrichtung0 Anlage