Elektroschlacke-Umschmelzen

ESU - das Verfahren

Das Verfahren des Elektroschlacke-Umschmelzens besteht aus einem allmählichen Abschmelzen des unteren Endes einer gegossenen oder geschmiedeten Elektrode durch eine Schicht geschmolzener Schlacke und in eine wassergekühlte Kupferform.

Die Schlacke, normalerweise Calciumfluorid, dem Kalk, Magnesia, Aluminiumoxid und andere Oxyde zugesetzt sind, hat mehrere Aufgaben. Im geschmolzenen Zustand ist sie elektrisch leitend und wirkt in etwa wie ein Widerstandsheizelement, wenn ein starker Strom zwischen Elektrode und Form fließt. Die Schlacke überhitzt bei weiterem Fließen von Strom und lässt die in sie eintauchende Elektrodenspitze schmelzen. Alle Einschlüsse in diesem geschmolzenen Metall werden gelöst und gelangen in die Schlacke, sodass Tropfen gereinigten Metalls durch die Schlackeschicht in den Formboden gelangen.

Nach einiger Zeit bildet sich ein reiner Block mit kontrollierter Erstarrungsstruktur in der Form. Die Schlacke, die auch eine Oxydation des geschmolzenen Metalls verhindert, wie sie bei Betrieb an der Atmosphäre auftreten würde, schwimmt oben auf dem flüssigen Metall des Blocks, da sie nur eine relativ geringe Dichte hat.

Zum Ende des Prozesses wird der Strom schrittweise verringert. Dadurch wird das Volumen des flüssigen Metalls oben auf dem Block verringert. Gleichzeitig wird zusätzliches Metall von der Elektrode mit verringerter Geschwindigkeit hinzugefügt, um den Erstarrungsschwund zu kompensieren. Das Ergebnis ist eine gesunde Blockoberseite mit hohem Ertrag an nutzbarem Produkt.

Kontrollierte Erstarrung - der wichtigste Faktor beim ESU-Verfahren

Der Hauptgrund zum Betreiben einer modernen ESU-Anlage ist das Erzielen einer kontrollierten Erstarrung. Pfannenmetallurgie und Vakuum-Induktionsschmelzen können effizient große Volumen Flüssigmetall mit hoher Reinheit und ausgezeichneter Zusammensetzung verarbeiten. Sobald dieses Metall in Formen gegossen wird und erstarrt, führt Seigerung und Erstarrungsschwund oft zu unbrauchbaren Blöcken. Das liegt an übermäßig langen Erstarrungszeiten bei Blöcken mit industriell brauchbaren Abmessungen.

Bei ESU-Anlagen kann dieses unbrauchbare Metall umgeschmolzen und über den Querschnitt der Elektrode chemisch homogenisiert werden. Weil die Schmelzgeschwindigkeit gesteuert wird, sodass nur eine relativ dünne Metallschicht oben auf dem Block jeweils geschmolzen wird, kann das Metall dann relativ schnell wieder erstarren.

Damit werden Makro-Seigerungseffekte verhindert. Und, weil immer flüssiges Metall auf dem erstarrenden (und schrumpfenden) Metall zu liegen kommt, wird die Bildung von Lunker oder Porosität vermieden. Bei richtiger Durchführung des Verfahrens ist das Ergebnis ein gesunder, chemisch homogener Block mit hohem Ertrag.

Hintergrund - die Durchbrüche bei der Consarc ESU-Technik

In den 1960ern erdachten Consarc Ingenieure eine neue Vorgehensweise bei der Elektroschlacke-Umschmelzung, die sich stark von den damals gängigen Methoden unterschied. Dank der sich ergebenden Verbesserungen der Effizienz und Leistung des Verfahrens konnte sich Consarc als weltweit führender Hersteller von ESU-Systemen etablieren.

Koaxiale ESU-Öfen

Consarc hat das Elektroschlacke-Umschmelzen nicht erfunden, konnte aber 1966 eine neue Abwandlung des Prozesses entwickeln, die heute noch in Gebrauch ist und Metalle für die anspruchsvollsten Anwendungen, z.B. in der Luft- und Raumfahrt, produziert.

Consarc Ingenieure haben dafür den Einsatz einer Elektrode mit „hohem Füllverhältnis“ (eine Elektrode, deren Durchmesser sehr nahe an dem des Schmelztiegels ist) mit einem Ofen mit Netzfrequenz kombiniert, bei dem die Hauptstromleiter koaxial um die Schmelzzone angeordnet sind. Die Elektrode mit hohem Füllverhältnis bietet erheblich Vorteile, unter anderem:

verringerter Stromverbrauch
erhöhte Blockqualität
verbesserte Blockoberflächen.

Das koaxiale Leitersystem ermöglichte den Einsatz kleinerer, effizienterer Stromversorgungen und verringerte das unerwünschte magnetische Verrühren der Schmelze. Außerdem wurde die Erhitzung durch Streufeld-Wirbelströme der umgebenden Stahlstruktur nahezu eliminiert, die bei allen früheren ESU-Ofenkonstruktionen auftrat und eine magnetische Wechselwirkung mit der benachbarten Schmelze bewirkte.

Die Prinzipien dieser koaxialen Konstruktion finden sich bei allen von Consarc hergestellten ESU-Öfen wieder.

ESU-Konfigurationen (statisch / Elektrodenaustausch / Kombination)

Die Mehrzahl der heute betriebenen ESU-Öfen sind Einzelkopfausführungen mit zwei Schmelzstationen. Consarc kann aber auch Doppelkopf- Elektrodenaustauschöfen liefern, die entweder in eine Entnahmestation für den die Form/den Block mit Mittelbund oder in eine statische Form gießen.

Kombinationsöfen mit Doppelköpfen, Mittel-Elektrodenaustausch und äußeren statischen Schmelzstationen in einer Anlage wurden auch schon von Consarc geliefert. Sie bieten die Flexibilität, eine Vielzahl von Elektrodenausgangsgrößen umschmelzen zu können.

ESU-Produktentwicklung

Nach diesen ersten Innovationen der ESU-Technik konnte Consarc weitere Verbesserungen an diesen Anlagen und dem Verfahren durchführen. Viele Funktionen, die bei modernen ESU-Anlagen zum Standard gehören, wurden ursprünglich an Consarc ESU-Systemen entwickelt und eingebaut. Dazu gehören:

der Einsatz von Wägezellen zum ständigen Wiegen der Elektrode während des Schmelzprozesses zur genaueren Messung der Schmelzgeschwindigkeit
eine Schmelzsteuerung auf PC/SPS-Basis, die den Schmelzprozess vollständig automatisiert und so den älteren, manuellen Betrieb eliminiert. Die sich daraus ergebende präzise Prozesssteuerung sorgt für ein Endprodukt mit gleichbleibend hoher Qualität
die Möglichkeit der horizontalen Einstellung der Elektrodenspitzenposition zu jedem Zeitpunkt während des Schmelzens (X-Y-Achseneinstellung), um den Prozess im Schmelztiegel elektrisch und thermisch zu kontrollieren
die Entwicklung eines Prozesses und der Ausrüstung für das Schmelzen von großen Rundblöcken bis 110 t und 1800 mm Durchmesser und großen Brammenblöcken bis 750 mm x 2000 mm im Querschnitt mit Gewichten bis 30 t
der Einsatz von trockener Luft über der Schmelzzone, um die Wasserstoffaufnahme bei großen Stahlblöcken praktisch zu beseitigen und gleichzeitig die Fähigkeit zur Entschwefelung des Metalls beizubehalten.

Andere Merkmale moderner Consarc ESU-Öfen sind:

Inertgasschmelzsysteme (IGMS). Der Einsatz eines Inertgases (Argon) über der Schmelzzone zum Erreichen einer sauerstoff- und stickstofffreien Schmelzumgebung kann die Reinheit des umgeschmolzenen Stahls verbessern und auch die Kontrolle der Konzentration reaktiver Metalle (Al, Si) mit engen Toleranzen unterstützen.
PC-gesteuerte Schwingförderer für die Schlacke zum Automatisieren und für die Beständigkeit der Startpraktiken während der Schlackeschmelzphase.
Vollständig elektromechanische Antriebssysteme mit Stempelantrieb mit einzelnem Servomotor für präzise Kontrolle des Stempels und der Elektrode während des Umschmelzprozesses.

Flexible Startpraktiken (Heißschlackestart / Kaltschlackestart)

Consarc Öfen können mit kalter vorgeschmolzener Schlacke oder mit heißer vorgeschmolzener Schlacke gestartet werden, je nach Prozessanforderungen und Kundenwunsch.

In den meisten Fällen wird der Start mit kalter Schlacke bevorzugt. Consarc bietet PC-gesteuerte Schwingförderer für die Schlacke zum Automatisieren und für die Beständigkeit der Startpraktiken während der Schlackeschmelzphase.

Consarc kann bei Bedarf auch einen Schlackeschmelzofen für die jeweilige Kundenanwendung konstruieren und fertigen.

Zuverlässigkeit durch selbst entwickelte Stromversorgungseinheit (auf Reaktorbasis)

Consarc ist der einzige Lieferant von ESU-Öfen, der eigene Stromversorgungen entwickelt und herstellt, um die Anforderungen der spezifischen Schmelzanwendungen präzise erfüllen zu können. Die Consarc ESU-Spannungsquelle ist eine robuste, wassergekühlte Gleichstromversorgung auf Reaktorbasis mit einphasigem Wechselstrom. Diese Einheiten mit langer Nutzungsdauer erfordern eine nur geringe Aufstellungsfläche, sind außergewöhnlich zuverlässig und haben nur geringe Betriebs- und Wartungskosten.