Was ist Elektroschlacke-Umschmelzen?
Elektroschlacke-Umschmelzen ist ein Verfahren zum Schmelzen von Stahl, bei dem die Widerstandswärme, die entsteht, wenn elektrischer Strom durch geschmolzene Schlacke fließt, als Wärmequelle genutzt wird. Ziel ist es, die Reinheit des Metalls zu erhöhen und die Kristallisation des Barrens zu verbessern.
Einführung des Elektroschlacke-Umschmelzens
Die Produkte des Elektroschlacke-Umschmelzens sind vielfältig und haben ein breites Anwendungsspektrum. Zu den Stahlsorten gehören: Kohlenstoffstahl, legierter Baustahl, Lagerstahl, Gesenkstahl, Hochgeschwindigkeitsstahl, rostfreier Stahl, hitzebeständiger Stahl, ultrahochfester Stahl, Hochtemperaturlegierungen, Präzisionslegierungen, korrosionsbeständige Legierungen, Elektroheizlegierungen und mehr als 400 weitere Stahlsorten. Darüber hinaus können mit dem Elektroschlackeverfahren speziell geformte Gussstücke direkt geschmolzen und gegossen werden, wodurch das Schmieden durch Gießen ersetzt werden kann, der Produktionsprozess vereinfacht und die Metallausnutzungsrate verbessert wird.
Sein Hauptzweck besteht darin, das Metall zu reinigen und saubere, gleichmäßige und dichte Stahlbarren zu erhalten. Der durch Elektroschlacke umgeschmolzene Stahl weist eine hohe Reinheit, einen niedrigen Schwefelgehalt, wenige nichtmetallische Einschlüsse, eine glatte Oberfläche des Stahlbarrens, eine saubere, gleichmäßige und dichte sowie eine gleichmäßige metallografische Struktur und chemische Zusammensetzung auf. Die gegossenen mechanischen Eigenschaften von Elektroschlackestahl können die Werte von Schmiedestücken desselben Stahltyps erreichen oder übertreffen. Die Qualität von Elektroschlackestahlbarren hängt von einem angemessenen Elektroschlacke-Umschmelzverfahren und den Gerätebedingungen ab, um den Elektroschlackeprozess sicherzustellen.
Das Elektroschlacke-Gießverfahren löst grundsätzlich die Hauptwidersprüche allgemeiner Gießverfahren. Es kombiniert die Vorteile des Elektroschlacke-Umschmelzens – Gewinnung von Metallen mit hoher metallurgischer Qualität – und des Gießens – Gießen von speziell geformten Teilen aus verfeinerten Rohlingen – und weist die Eigenschaften einer dichten Struktur und keiner Anisotropie auf, die dem verformten Metall des gewöhnlichen Schmelzens ähnlich sind. Verglichen mit gewöhnlichen Schmiedestücken erreichen die Leistungsindikatoren von Elektroschlacke-Gussstücken die Indikatoren von verformten Metallen derselben Stahlsorte vollständig und vermeiden sogar einige Mängel von Schmiedestücken. Gleichmäßige metallografische Struktur und chemische Zusammensetzung. Die gegossenen mechanischen Eigenschaften von Elektroschlacke-Stahl können die Indikatoren von Schmiedestücken derselben Stahlsorte erreichen oder übertreffen. Die Qualität von Elektroschlacke-Stahlbarren hängt von dem angemessenen Elektroschlacke-Umschmelzverfahren und den Ausrüstungsbedingungen ab, um das Elektroschlacke-Verfahren sicherzustellen.
Der Elektroschlacke-Umschmelzprozess
Das Elektroschlacke-Umschmelzen ist ein sekundärer Raffinationsprozess, der mit einer verbrauchbaren Elektrode beginnt, die normalerweise aus einer zuvor gegossenen Metalllegierung besteht. So funktioniert der Prozess:
- Schmelzen: Die abschmelzende Elektrode wird in ein geschmolzenes Schlackenbad abgesenkt, das als leitfähiges Medium fungiert. Die Schlacke wird durch elektrischen Widerstand erhitzt, wodurch die Elektrode schmilzt.
- Verfeinerung: Beim Schmelzen der Elektrode fallen Tropfen des geschmolzenen Metalls durch die Schlacke. In dieser Phase werden Verunreinigungen entfernt und das Metall wird einem Veredelungsprozess unterzogen.
- Erstarrung: Das gereinigte Metall verfestigt sich dann in einer wassergekühlten Form und bildet einen Barren mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Homogenität.
Anwendungen des Elektroschlacke-Umschmelzens
1. Luft-und Raumfahrt: ESR-Legierungen werden in Flugzeugtriebwerkskomponenten, Fahrwerken und Strukturteilen verwendet, bei denen hohe Festigkeit und Zuverlässigkeit von größter Bedeutung sind.
2. Stromerzeugung: Turbinenschaufeln und andere wichtige Komponenten in Kraftwerken profitieren von den verbesserten Eigenschaften ESR-raffinierter Metalle.
3. Medizinische Geräte: Das Verfahren wird zur Herstellung hochwertiger rostfreier Stähle und anderer Legierungen für medizinische Implantate und chirurgische Instrumente verwendet, bei denen Biokompatibilität und Festigkeit von entscheidender Bedeutung sind.
4. Verteidigung: In militärischen Anwendungen, einschließlich Panzerungen und Raketenkomponenten, werden ESR-Legierungen aufgrund ihrer überlegenen Leistung unter extremen Bedingungen eingesetzt.
5. Werkzeug- und Formenbau: Schnellarbeitsstähle und andere durch ESU veredelte Werkzeugstähle werden zur Herstellung von Schneidwerkzeugen, Formen und Matrizen mit verbesserter Verschleißfestigkeit und Zähigkeit verwendet.
In den letzten Jahren hat das neue Elektroschlacke-Gießverfahren allmählich die Aufmerksamkeit der Ingenieur- und Technikergemeinschaft auf sich gezogen, und viele Industriezweige intensivieren die Forschung und den Einsatz von Elektroschlacke-Gießprodukten. Bei der Entwicklung dieses neuen Verfahrens haben die ehemalige Sowjetunion, Japan und die Vereinigten Staaten mehr Forschungserfolge erzielt, gefolgt von Westdeutschland, der Tschechoslowakei, dem Vereinigten Königreich, Schweden und Frankreich. Das Electrometallurgical Research Laboratory hat bei der Entwicklung des neuen Elektroschlacke-Gießverfahrens und der Forschung und Entwicklung von speziell geformten Teilen, die es verwenden, die folgenden Ergebnisse erzielt:
Kaltwalzrollen für den Elektroschlackeguss, Ventilkörper, T-Stücke, dickwandige Hohlrohre, Rohre für Erdöl-Cracköfen, Zahnradrohlinge, verschiedene Formen (einschließlich Stanzformen) und Kurbelwellen für Dieselmotoren usw.
Derzeit verwenden namhafte Hersteller von Elektroschlackeöfen wie CONSARC in den USA, ALD in Deutschland und INTECO in Österreich ein zweistufiges Computersteuerungssystem auf Basis von SPS und industriellen Steuerungscomputern, mit dem die vollständige automatische Steuerung der Ausrüstung und des Prozesses des gesamten Umschmelzprozesses möglich ist.
Der Veredelungsprozess, bei dem in einem Siemens-Martin-Ofen, Konverter, Lichtbogenofen oder Induktionsofen geschmolzener Stahl zu Elektroden gegossen oder geschmiedet und durch Schlackenwiderstandswärme sekundär umgeschmolzen wird, wird im Englischen als ESR bezeichnet. RK Hopkins aus den USA schlug das Prinzip dieser Veredelungsmethode erstmals in den 1940er Jahren vor. Später etablierten die Sowjetunion und die USA nacheinander Elektroschlackeöfen für die industrielle Produktion. Mitte der 1960er Jahre erlebte das Elektroschlacke-Umschmelzen aufgrund der Entwicklung der Luft- und Raumfahrt, der Elektronik, der Atomenergie und anderer Industrien in der Sowjetunion, Westeuropa und den USA eine rasante Entwicklung. Zu den hergestellten Produkten gehören: hochwertiger legierter Stahl, Hochtemperaturlegierungen, Präzisionslegierungen, korrosionsbeständige Legierungen und Legierungen aus Nichteisenmetallen wie Aluminium, Kupfer, Titan und Silber.
Vorteile des Elektroschlacke-Umschmelzens
1. Verbesserte Reinheit: ESR reduziert den Einschlussgehalt im Metall erheblich und eliminiert Verunreinigungen wie Oxide und Sulfide. Dies führt zu einer saubereren und qualitativ hochwertigeren Legierung.
2. Verbesserte mechanische Eigenschaften: Das raffinierte Metall weist verbesserte mechanische Eigenschaften auf, darunter eine höhere Zugfestigkeit, Zähigkeit und Duktilität. Dadurch sind ESU-Legierungen für anspruchsvolle Anwendungen geeignet.
3. Homogenität: Das Verfahren gewährleistet eine gleichmäßigere Verteilung der Legierungselemente und führt so zu gleichbleibenden Eigenschaften im gesamten Barren.
4. Reduzierte Segregation: ESR minimiert die chemische Trennung und sorgt für eine gleichmäßigere Zusammensetzung und bessere Leistungseigenschaften.
Fazit
Das Elektroschlacke-Umschmelzen ist ein zentraler Prozess in der modernen Metallurgie, der die Herstellung hochwertiger Legierungen mit hervorragenden Eigenschaften ermöglicht. Durch die Erhöhung der Reinheit, die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und die Gewährleistung der Homogenität erfüllt ESU die strengen Anforderungen von Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Energieerzeugung, der Medizin, der Verteidigung und der Werkzeugherstellung. Mit dem technologischen Fortschritt wird die Rolle des Elektroschlacke-Umschmelzens bei der Herstellung fortschrittlicher Materialien immer größer, was seine Bedeutung im Streben nach Exzellenz in der Materialwissenschaft unterstreicht.
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