DE2151617A1

DE2151617A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbinden von elektroden fuer das elektroschlacke-umschmelzen

Info

Publication number: DE2151617A1
Application number: DE19712151617
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Dr-Ing Foerster; Erich Dr Zimmermann
Original assignee: Rheinstahl Huettenwerke AG
Current assignee: Rheinstahl Huettenwerke AG
Priority date: 1971-10-16
Filing date: 1971-10-16
Publication date: 1973-04-19
Also published as: JPS4847458A; US3752896A

Description

Essen, den 5.10.1971
H 53/115

Patentanmeldung:

"Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von
Elektroden für das Elektroschlacke-Umschmelzen"
Anmelder: Rheinstahl Hüttenwerke AG, Essen

Beim Elektroschlacke-Umschmelzen ist das Problem des
Elektrodenwechsels bisher nur unbefriedigend gelöst.
Das übliche Verfahren besteht darin, die abgeschmolzene Elektrode möglichst schnell durch entsprechende
Transport- und Elektrodenhaltevorrichtungen durch eine neue Elektrode zu ersetzen. Dabei ist jedoch eine
vorübergehende Unterbrechung des Abschmelzens der letzten Elektrode unvermeidlich. Des weiteren wird die
Schlacke beim Einführen der neuen Elektrode abgekühlt, was wie die Unterbrechung zu Störungen im Gefüge des
umgeschmolzenen Blockes führen kann. Um dies zu vermeiden, hat man auch schon während des Elektrodenwechsels die Schlacke mit einer zusätzlichen Hilfselektrode beheizt (österreichische Patentanmeldung A 4005/67) oder auch die neu einzuführende Elektrode vorgewärmt
(DAS 1 903 843).

Der ungestörteste Abschmelzverlauf ist natürlich durch Verwendung einer einzigen, genügend langen Elektrode
zur Herstellung des gesamten Blockes zu erreichen. Da

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dies aus Gründen der im allgemeinen zur Verfügung stehenden freien Bauhöhe vor allem bei großen Blöcken, zumal die Elektrode im Querschnitt im allgemeinen kleiner ist als der Block, nicht möglich ist, ist auch schon versucht worden, eine Elektrode während des Abschmelzens mit einer zweiten Elektrode mit einer ringförmigen Schweißnaht am Rande der Elektroden zu verbinden. Um zu verhindern, daß beim kegelförmigen Abschmelzen der Elektrode bei Auflösung der Verbindungsschweißung in der Schlacke Elektrodenteile in den flüssigen Metallsumpf des erstarrenden Blockes fallen und zu Gefügestörungen Anlaß geben, hat man die Spitze der Elektroden kegelförmig und die Enden der Elektroden mit einer entsprechenden kegelförmigen Ausnehmung sowie einer seitlichen Aussparung für die Aufnahme der mittels Elektroschweißen auszuführenden Randschweißnaht bearbeitet (DAS 2 057 123). Dieses Verfahren ist verhältnismäßig aufwendig wegen der notwendigen Bearbeitung der Elektrodenenden vor dem Einsatz und schwierig zu handhaben durch die Ausführung von Elektroschweißnähten, während die Elektrode im Einsatz ist, vor allem, da die Elektroschweißnähte einen hinreichend großen Querschnitt aufweisen müssen, um bei Übernahme des hohen Stromes beim Elektroschlacke-Umschmelzen nicht durch Erwärmung aufzureißen und die untere Elektrode abfallen zu lassen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik wird die Aufgabe der Erfindung darin gesehen, ein Verfahren anzuge-

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ben, bei dem die üblichen, unbearbeiteten Elektroden ohne großen Aufwand sicher so miteinander verbunden werden können, daß die Verbindungsstelle sowohl der strommäßigen Belastung standhält als auch verhindert, daß Elektrodenteile in den Sumpf des umgeschmolzenen Blockes fallen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Verbinden von je zwei Elektroden für das Elektroschlacke-Um- ' schmelzen in Zuführungsstellung für die Elektroden während des Umschmelzens dadurch gelöst, daß zumindest die Kernbereiche der beiden Elektroden mittels hoher Stromstärke miteinander verschweißt werden.

Das Verschweißen der Kernbereiche mit den hohen Stromstärken ergibt eine schnell zu fertigende großflächige Verbindung zwischen den beiden Elektroden, die die hohen Stromstärken des Umschmelzverfahrens ohne unzulässige Erwärmung aufzunehmen vermag und die dadurch, daß die beiden Elektroden in der Mitte miteinander verbunden sind, beim kegelförmigen Abschmelzen des Restes der unteren Elektrode diesen bis zum Schluß sicher halten.

Im einzelnen kann die Erfindung wie folgt vorteilhaft ausgestaltet sein:

Am einfachsten erfolgt das Verschweißen der beiden Elektroden mit den hohen Stromstärken unter gegensei-

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tigern Anpressen nach dem Verfahren des AbbrennStumpfschweißens .

In einer anderen Ausführungsart der Erfindung erfolgt das Verschweißen der beiden Elektroden miteinander mittels des Elektroschlacke-Umschmelzens. Bei beiden Verfahren kann die für den Elektroschlacke-Umschmelzvorgang in der Kokille vorhandene Stromquelle für das Verbindungen der Elektroden eingesetzt werden. Es kann auch mit einer zusätzlichen Stromquelle gearbeitet wenden.

Bei der Verwendung von Elektroden mit sehr großen Durchmessern versieht man diese im allgemeinen mit einem am oberen Elektrodenende angegossenen oder angeschmiedeten Zapfen, um die Einsparrvorrichtung kleiner halten zu können. Derartige Endzapfen, die gegenüber dem übrigen Elektrodendurchmesser verjüngt sind, sind besonders vorteilhaft für das erfindungsgemäße Verfahren, da sie wegen dei kleineren Berührungsfläche mit der Gegenelektrode ein sehr gleichmäßiges Verschweißen sicherstellen.

Eine Elektrodenzuführungsvorrichtung aus Stütze und Elektrodenhalter ist dadurch zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignet, daß die Zuführungsvorrichtung zwei Elektrodenhalter besitzt, die koaxial bezüglich der von ihnen gehaltenen Elektroden in Axialrichtung gegeneinander verfahrbar sind, die elektrisch gegeneinander und von denen zumindest der untere Elek-

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trodenhalter gegen Masse isoliert sind und die mit sich schnell Öffnenden- und schließenden Elektroden-Klemmvorrichtungen versehen sind. Während die untere Klemmvorrichtung die abzuschmelzende Elektrode in die Kokille einführt, ergreift die obere Haltevorrichtung die anzuschweißende Elektrode und führt sie in Axialrichtung gegen die untere. Die elektrische Isolierung der Elektrodenhalter gegeneinander ermöglicht es, den Schweißstrom, der von der Stromquelle der ESU-Anlage geliefert wirdj von der einen Elektrodenhalterung über die Schweißstelle und durch die zweite Elektrodenhalterung abzuführen. Es ist auch möglich, den Strom über die obere Elektrodenhalterung zu- und über den umzuschmelzenden Block abzuführen. Dann sind die Schweißstelle und die Stelle, an der der Elektroschlacke-Umschmelzvorgang abläuft, in Reihe geschaltet.

Falls das Verschweißen der beiden Elektroden miteinander nach dem Abbrennstumpf-Schweißverfahren erfolgen soll, ist es vorteilhaft, die Stütze, die Elektrodenhalter sowie die Antriebe für die Elektrodenhalter stark zu dimensionieren. Das Eigengewicht der oberen Elektrode hilft dabei, den notwendigen Anpreßschweißdruck zu erzeugen. Insbesondere bei großen Querschnit-Lcn kann die Einleitung des Schweißvorganges durch kurzzeitiges Hochziehen der oberen Elektrode nach vorheriger Berührung durch Erzeugung eines Lichtbogens beschleunigt werden. Vorteilhaft ist, den unteren Elektrodenhalter mit einer Zentrier-, Abdichtungs- und

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Isoliervorrichtung zu versehen, die trichterförmig ausgestaltet sein kann. Diese erleichtert das zentrale Aufsetzen der oberen Elektrode auf die untere, schützt die Haltevorrichtung vor flüssigem Schweißgut und hält die geschweißte Stelle langer warm. Für die Verschweißung der beiden Elektroden mittels des Elektroschlacke-Umschmelzensist die Vorrichtung mit einer kurzen Zwischenkokille mit einem oberen, trichterförmigen Teil versehen, der als lichten Querschnitt den der Elektroden aufweist. Die Zwischenkokille ist an der Stütze mit einem Kokillenhalter elektrisch isoliert und koaxial zu den Elektroden vertikal verfahrbar. Dabei erfolgt das Zusammenschweißen der beiden Elektroden durch Einleiten eines zweiten Elektroschlacke-Umschmelzens in der Zwischenkokille und nach Bilden eines Schmelzsumpfes durch Eintauchen der oberen Elektrode in den Schmelzsumpf, wobei der SchmelζVorgang unterbrochen wird und die Verschweißung erfolgt. Die beiden Elektroschlacke-Umschmelzstrecken in der Zwischenkokille und der Hauptkokille können in Reihe geschaltet sein oder aber auch elektrisch unabhängig voneinander betrieben werden. Mit dieser Vorrichtung können die beiden Elektroden ohne Druckausübung über ihre ganze Fläche verschweißt werden.

Im folgenden wird anhand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gegeben. Es zeigen im einzelnen

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Fig. 1 eine seitliche Ansicht einer Elektrodenzuführungsvorrichtung mit. zwei Elektroden und Kokille, teilweise im Schnitt,

Fig. 2 zwei miteinander verschweißte Elektroden großen Durchmessers und

Fig. 3 eine seitliche Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Elektrodenzuführungsvorrichtung mit zwei Elektroden und Kokille, teilweise im Schnitt.

Das Verfahren zum Verbinden von je zwei Elektroden 1, 2 erfolgt in Zuführungsstellung für die Elektrode. Dabei werden die Kernbereiche der Elektroden an der Berührungsstelle 3 mittels hoher Stromstärke miteinander verschweißt. Die Elektrodenzuführungsvorrichtung besteht aus einem Vertikalständer 4, der zwei Elektrodenhalter 5 un'd b besitzt. Die Elektrodenhalter sind unabhängig gegeneinander beweglich und in vertikaler Richtung in voller Höhe des Ständers 4 verfahrbar. Die beiden Elektrodenhalter 5,6 sind gegeneinander und gegen Masse isoliert. Sie besitzen schnei] zu schließende und zu öffnende Elektrodenklemmvorrichtungen 7,8.

Beim Anfahren des Ums chinel ζ prozess es wird die Elektrode 1 in die untere Haltevorrichtung 5 eingespannt, und zwar so, daß ihr oberes Ende über den Rand der Elektrodenhalterung 5 hinausragt. Der UmschmeIzVorgang wird

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in bekannter Weise in der Kokille 9 eingeleitet. Während des Abschmelzens der Elektrode 1 und des Absenke.is des Elektrodenhalters 5 wird in den oberen Elektrodenhalter 6, der sich dann im oberen Totpunkt befindet, die nächste einzusetzende Elektrode 2 eingespannt. Kurz bevor der untere Elektrodenhalter 5 seinen unteren Totpunkt erreicht hat, wird die Elektrode 2 mittels des Elektrodenhalters 6 abgesenkt und zentrisch auf das überragende obere Ende der Elektrode 2 aufgesetzt. Dann wird der Stromkreis Elektrode 1 zum Block 9 unterbrochen und diese Stromquelle mit einem genügend hohen Potential für die Einleitung des Schweißvorganges an die Elektroden 1 und 2 gelegt. Die Stromversorgungsanlagen der heute üblichen Umschmelzanlagen sind so groß bemessen, daß das Zusammenschweißen keiner zusätzlichen Einrichtung mit Ausnahme entsprechender Schaltanlagen bedarf. Nach dem Einschalten des Schweißstromes erfolgt das Zusammenschweißen als Abbrennstumpfschweißen, wobei der Preßdruck durch das Eigengewicht der Elektrode aufgebracht und durch vertikalen Antrieb der Elektrodenhalterung 6 verstärkt wird. Ein kurzzeitiges Hochziehen der Elektrode 2 nach vorheriger Berührung erleichtert durch Ausbildung eines Lichtbogens die Einleitung des Schweißvorganges. Das untere PJnde der Elektrode 2 ist dabei etwas eingezogen, so daß ein Verschweißen des Kernbereichs der Elektrode von mindestens einem Fünftel des Elektrodendurchmessers sichergestellt ist, Danach wird der Schweißstromkreis unterbrochen und die ursprüngliche Schaltung zum Betrieb der Umschmelzeinrichtung zwi-

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sehen der Elektrode 1 und dem BLock wieder hergestellt. Nach ausreichender Abkühlung der Verbindungsschweißung wird die Klemmvorrichtung 7 des Elektrodenhalters 5 geöffnet und der Elektrodenhalter 5 bis zum Elektrodenhalter 6 aufgefahren. Dann wird die Klemmvorrichtung 7 wieder geschlossen.

Nach Öffnen der Klemmvorrichtung 8 des oberen Elektrodenhalters 6 wird der Elektrodenvorschub wie vorher durch den Elektrodenhalter 5 vorgenommen. Zum besseren Zusammenfügen der beiden Elektroden 1,2 vor dem Verschweißen und um zu verhindern, daß überlaufendes Schweißgut die darunter liegende Klemmvorrichtung 5,7 beschädigt, ist diese mit einer trichterförmigen, isolierten Zentrier-, Abdichtungs- und Isoliervorrichtung 10 geschützt.

Bei Verwendung von Elektroden mit großen Durchmessern nach Fig. 2 ist es üblich, einen für das Einlegen in die Haltevorrichtung 5,6 besser geeigneten Zapfen mi«: kleinerem Durchmesser als dem der Elektrode anzugießen, anzuschmieden, anzuschweißen oder anzuarbeiten. Bei Einsatz solcher Elektroden Ln der Elektrodenzuführungsvorrichtung nach Fig. 1 haben die Einspannzapfen 11,12 der Elektroden 1,2 eine Länge, die mindestens gleich dem Abstand der Unterkante der Klemmvorrichtung 7 von der Oberkante der Klemmvorrichtung 7 bei größter Annäherung der beiden Elektrodenhalter 5,6 ist. Das ist erforderlich, um die Elektrode

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von der einen in die andere Klemmvorrichtung übernehmen zu können.

Nach Fig. 3 erfolgt das Zusammenschweißen der beiden Elektroden 1,2 nach dem Elektroschlacke-Umschmelzverfahren in einer Zwischenkokille 13 mit einem oberen trichterförmigen Teil 14 und einem unteren Teil 15, der als lichten Querschnitt den der Elektroden 1,2 aufweist. Die Zwischenkokille 13 ist an der Stütze elektrisch isoliert und vertikal verfahrbar abgestützt, und zwar in koaxialer Stellung zu den Elektroden 1,2. Das Aneinanderschweißen der beiden Elektroden mit dieser Vorrichtung geschieht in folgender Weise. Beim Abschmelzen der Elektrode 1 wird diese durch den abwärts fahrenden Elektrodenhalter 5 durch die Kokille 13, die langsamer abgesenkt wird, hindurchgezogen. Wenn das Ende der Elektrode 1 in dem trichterförmigen Teil 14 der Kokille 13 angelangt ist, fahren der Elektrodenhalter 5 und der Kokillenhalter 16 gleich schnell nach unten. Der trichterförmige Teil 14 der Kokille 13 wird mit Schlacke- 17 gefüllt und die Elektrode 2 mittels des Eiektrodenhalters 6 bis zur Berührung mit der Elektrode 1 abgesenkt. Dann wird die Stromzuführung von der Klemmvorrichtung 7 auf die Klemmvorrichtung 8 umgeschaltet und unter Spannungserhöhung die Elektrode 2 zum Ziehen eines Lichtbogens von derElektrode 1 geringfügig abgehoben. Auf diese Weise wird der Elektroschlacke-Umschmclzvor^ang in der Zwischenkoki He 13 eingeleitet. Die beiden Elektroschlacke-Umschmelzstrecken in der Zwischenkokille 13 und der Kokille 18 sind dann

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in Reihe geschaltet. Die Spannung ist dementsprechend erhöht. Nach Verflüssigung der Schlacke 17 wird die Bewegung des Kokillenhalters 16 gestoppt. Beim Umschmelzen der Elektrode 2 in der Zwischenkokille 13 ist darauf /u achten, daß sich flüssige Metallteile nur in dem unteren Teil 1 "3 der Kokille befinden, um ein Abreißen zu verhindern. Nach der Ausbildung eines S c htm 1 ζ sumpf ep im unteren Teil 15 der Zwischenkokille wird die obere Elektrode durch die Schlacke hindurch nach unten gel,'ihren bis zum Eintauchen in den Schmelzsumpf. Dadurch wird der Schmelzvorgang der Elektrode 2 unterbrochen und die beiden Elektroden 1 und 2 miteinander verschweißt. Bei gleichmäßigem Absenken der Elektrodenhalter 5 und b tritt die Schweißstelle unten aus der Kokille 13 aus, dann werden nach Losen der Elektrodenklemmvorrichtung 7 die Kokille 13 und der Elektrodenhalter 5 nach oben gefahren, und die Elektrodenklemmvorrichtung 7 wird geschlossen, die Stromversorgung von der Klemmvorrichtung S auf die Klemmvorrichtung 7 umgeschaltet und die Klemmvorrichtung 8 gelöst. Man kann auch bei Ende des Schweißvorgangs zur Beschleunigung der Erstarrung zwischenzeitlich die Stromzuführung von der Klemmvorrichtung 6 auf die Klemmvorrichtung 7 umschalten, um die erstarrende Schweißstelle nicht durch den Strom für den Elektroschlacke-Umschmelzvorgang in der Kokille zu belasten.

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Claims

- 12 Patentansprüche:

Ij/Verfahren zum Verbinden von je zwei Elektroden für das Elektroschlacke-Umschmelzen in Zuführungsstellung für die Elektroden während des Urnschmelzens, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Kernbereiche der beiden Elektroden (1,2) mittels hoher Stromstärke miteinander verschweißt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Verschweißen der beiden Elektroden (1,2) mit den hohen Stromstärken unter gegenseitigem Anpressen nach dem Verfahren des Abbrennstumpfschweißens erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Verschweißen der beiden Elektroden mittels El:ktroschlacke-Umschmelzens erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine der Elektroden einen gegenüber den übrigen Elektrodendurchmesser verjüngten Endzapfen aufweist.
5. Elektrodenzuführungsvorrichtung aus Stütze und Elektrodenhalter zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Zuführungsvor-

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richtung zwei Elektrodenhalter (5,6) besitzt, die koaxial bezüglich der von ihnen gehaltenen Elektroden (1,2) in Axial richtung gegeneinander verfahrbar sind, die elektrisch gegeneinander und von denen zumindest der untere Elektrodenhalter (5) gegen Masse isoliert sind und die mit sich schnell öffnenden und schließenden Elektrodenklemmvorrichtungen (7,8) versehen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch stark dimensionierte Stütze, Elektrodenhalter und Antriebe für die Elektrodenhalter und durch eine Zentrier-, Abdichtungs- und Isoliervorrichtung (10) an dem unteren Elektrodenhalter (5,7).
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch .3, gekennzeichnet durch eine Zwischenkokille (13) mit einem oberen, trichterförmigen Teil (14) und einem unteren Teil (15), der als lichten Querschnitt den der Elektroden (1,2) aufweist und die an der Stütze (4) mit einem Kokillenhalter (16) elektrisch isoliert, vertikal verfahrbar, koaxial zu den Elektroden (1,2) abgestützt, ist.

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