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Verfahren zur Herstellung von Gussblöcken'
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Schlacke auf der Grundlage von Kieselsäure und/oder Aluminiumoxyd sowie Kalk und gegebenenfalls Magnesiumoxyd enthaltende Kokille, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kokille schnell und praktisch vollständig mit der stark, vorzugsweise auf 17000 C überhitzten, vorzugsweise sauren oder neutralen Schlacke gefüllt wird, die eine grosse Grenzflächenspannung gegenüber dem zu vergiessenden Metall aufweist, und das vorher gereinigte Metall unmittelbar danach in die flüssige Schlacke derart gegossen wird, dass sich zunächst Metall und Schlacke innig mischen und dann, vor Verfestigung des Metalls, trennen, die abfliessende Schlacke wiedergewonnen und aufs neue verwendet wird.
Gegenstand desStammpatentsNr. 207507 ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, mit der ein sehr schnelles Füllen der Kokille mit der stark überhitzten. Schlacke und das unmittelbar daran anschliessende Vergiessen des Metalls in die Kokille möglich ist.
In den franz. Patentschriften Nr. 842. 367 und Nr. 861. 157 ist ein Verfahren zur Entschwefelung und Desoxydation von Stahl beschrieben, bei dem flüssiger Stahl mit Schlacken auf der Basis von Aluminiumoxyd und Kalk oder von Kieselsäure, Aluminiumoxyd und Kalk kräftig durchwirbelt werden. Dieses Verfahren wird zweckmässig so durchgeführt, dass der flüssige Stahl von einer genügenden Höhe und/oder in genügend dickem Strahl nach.
Zusatz eines reduzierenden Elements in die Giesspfanne gegossen wird, in der vorher die Schlacke geschmolzen wurde ; durch das kräftige Giessen emulgiert sich die Schlacke im Metall ; die Oberflächenberührung zwischen Schlacke und Metall wird auf diese Weise erheblich erhöht und die Umsetzungen zwischen Metall und Schlacke derart beschleunigt, dass nach Beendigung des Gie- ssens fast ein Gleichgewicht zwischen den beiden Phasen besteht. Die Schlacke setzt sich von. dem Metall in der Giesspfanne ab, wonach das Metall in die Kokille vergossen werden kann.
Bei diesem Verfahren wird durch einfaches Durcheinanderwirbeln aus einem Stahl, der weder desoxydiert noch entschwefelt wurde, in der Giesspfanne ein flüssiger und vollkommen reiner Stahl erhalten.
Es wurde nun versucht, durch richtige Wahl der Schlacken und ihrer Anwendung die Vorteile der beiden vorstehend beschriebenen Verfahren zu vereinen, nämlich : Die sehr schnelle und vollständige Reinigung und gleichzeitig die Herstellung von Gussblöcken mit glatter Oberfläche und grosser mikrographischer Reinheit.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren, das eine Verbesserung und weitere Ausgestaltung des Verfahrens nach dem Stammpatent Nr. 207507 darstellt, werden flüssige, entschwefelnd wirkende Schlacken, wie sie beispielsweise in den franz. Patentschriften Nr. 842. 367 und Nr. 861.157 beschrieben sind, die bei der Erstarrungstemperatur des Metalls eine niedere Viskosität und eine hohe Grenzflächenspannung zum Metall haben, verwendet und den zu vergiessenden Metallen wird vor dem Giessen ein Reduktionsmittel zugesetzt.
Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Gussform mit der flüssigen, stark überhitzten Schlacke vorzugsweise vollständig gefüllt und unmittelbar anschliessend das zu reinigende
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Masse abfliesst, in dem das Metall zufliesst und vorzugsweise in flüssigem Zustand wiedergewonnen wird.
Die verwendeten Schlacken müssen also die physikalischen Bedingungen erfüllen, die für das Giessen unter Schlacke nach dem Stammpatent erforderlich sind. Sie werden stark überhitzt und haben bei der Erstarrungstemperatur des Metalls eine geringe Viskosität und eine hohe Grenzflächenspannung zwischen Metall und Schlacke. Diese beiden Bedingungen sind unerlässlich, um Gussblöcke mit fehlerfreie Oberflächenschicht herzustellen, die gleichzeitig mikrographisch rein sind.
Des weiteren müssen gemäss der Erfindung angewendete Schlacken so zusammengesetzt sein, dass sie dem Metall gegenüber stark entschwefelnd wirken.
Es ist nicht möglich, alle bekannten entschwefelnden Verbindungen aufzuführen, die den Forderungen des erfindungsgemässen Verfahrens entsprechen, aber der Fachmann wird sich beiseiner Auswahl sowohl von den nachstehenden Regeln wie auch von den angegebenen Beispielen leiten lassen.
Vorzugsweise werden Schlacken auf der Grundlage von Kieselsäure und/oder Aluminiumoxyd sowie Kalk und gegebenenfalls Magnesiumoxyd verwendet, wobei der Kalk oder das Magnesiumoxyd teilweise oder vollständig durch andere basische Verbindungen, wie Bariumoxyd, Strontiumoxyd, Natriumoxyd, ersetzt werden kann.
Die in den angeführten franz. Patentschriften angegebenen entschwefelnden Verbindungen können
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gungen der Viskosität und Grenzflächenspannung erfüllen. Im allgemeinen sind Verbindungen auf der Grundlage von Aluminiumoxyd, Kalk, gegebenenfalls Magnesiumoxyd, und wenig Kieselsäure, entspre- chend der Gleichung
CaO % + MgO % + 3/4 AI0 % s 60 verwendbar.
Selbstverständlich werden in diesem Bereich Verbindungen mit einem nicht zu hohen Schmelzpunkt verwendet. Bei Schlacken auf der Grundlage von Aluminiumoxyd, Kalk und Kieselsäure wird das klassische Schmelzdiagramm für Mischungen aus SiO2, CaO Al2O3 verwendet und aus diesem Diagramm werden die Verbindungen mit niedrigem Schmelzpunkt ausgewählt.
Ebenso können übliche verflüssigende Zusätze, wie Alkali-oder Erdalkaliverbindungen, Flussspat oder Titanoxyd in Anteilen, zugegeben werden, die auf die Grenzflächenspannung'zwischen Metall und Schlacke nicht nachteilig wirken. Es wurde nämlich gefunden, dass zu grosse Zusätze von Flussspat oder Titanoxyd die Grenzflächenspannung beträchtlich herabsetzen, so dass sich Emulsionen aus Schlacke uMt Metall bilden, die sich nur schwierig trennen lassen und unbrauchbare Gussblöcke ergeben.
Bei Verwendung einer Schlacke, die alle vorstehend aufgezählten Eigenschaften hat und die erforderlichen Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Viskosität und Grenzflächenspannung erfüllt,, übt die Schlacke ihre reinigende Wirkung während der sehr kurzen Zeit zwischen dem Vergiessen des flüssigen Metalls in die Kokille und seiner Erstarrung aus. Weiterhin wird die in der Schmelze emulgierte Schlacke vor der Erstarrung des Metalls abgetrennt, so dass das Metall vonoxydischen Einschlüssen frei ist und schliesslich Ist, infolge der Bildung einer dünnen Schicht aus fester oder glasiger Schlacke auf den Wänden der Kokille, die Oberflächenschicht des Gussblockes vcn den üblichen Gussfe1ùern frei.
Die reinigende Wirkung der Schlacke bei dem Verfahren gemäss der Erfindung erfolgt unter ganz andern Bedingungen als bei dem in den beiden franz. Patentschriften beschriebenen Verfahren, bei dem Schlacke undmetall in einer Giesspfanne sehr intensiv miteinander verwirbelt werden. Bei dem Verfahren gemäss der Erfindung findet praktisch keine kräftige Durchwirbelung infolge des heftigen Vergiessens des Metalls in die Schlacke statt. WUrde man versuchen, eine solche Durchwirbelung in der Kokille tatsächlich herbeizuführen, so würde das Metall heftig gegen die Wandungen der Kokille geschleudert werden und es würden Gussblöcke mit unbrauchbarer Oberfläche entstehen. Das Giessen des Metalls in die Kokille wird daher nach klassischen Verfahrensmethoden durchgeführt, ohne dass besonders gerührt wird.
Es wird deshalb das Metall aus der Giesspfanne unter Benutzung bei gewöhnlichem Guss unterSchlacke verwendeten Giessrinnen und unter Einhaltung der üblichen Geschwindigkeit in die Kokille gegossen,
Beim Verfahren gemäss der Erfindung wird das starke Durchwirbein in der Giesspfanne durch die Verwendung einer erheblich grösseren Schlackenmenge ersetzt. Der Metallstrahl durchfliesst, wenigstens zu Beginn des Gusses, eine sehr grosse Schlackenschicht, da die Kokille praktisch ganz mit Schlacke ange-
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und Grenzflächenspannung nicht eingehalten werden, ist der Gussblock weder fehlerfrei noch mikrographisch rein.
Die durch die Erfindung angestrebte Entschwefelung, gute Oberfläche des Gussblocks und grosse innere Reinheit werden daher nur bei Einhaltung sämtlicher vorstehend genannter Bedingungen erreicht.
Bei der Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung Ist die Verwendung einer grossen Schlakkemnenge erforderlich, da die Kokille vorzugsweise ganz mit Schlacken angefüllt wird. Dies wäre wirtschaftlich nachteilig, wenn die Schlacke nicht nach jeder Verwendung zurückgewonnen wurde. Art und Temperatur der verwendeten Schlacke sind für eine solche Rückgewinnung besonders geeignet. Die aus der Kokille abfliessende Schlacke wird in einem geeigneten Behälter aufgefangen und vorzugsweise in flüssigem Zustand direkt in denSchlackenschmelzofen zurückgeführt, der die ganze Anlage mit Schlacke versorgt. Nach der Verwendung ist die Schlacke leicht schwefelhaltig.
Da jedoch im Vergleich zur Metallmenge sehr grosse Schlackenmengen verwendet werden, ist die Erhöhung des Schwefelgehaltes nur gering und kann durch die Zugabe kleiner Mengen von frischer Schlacke nach jedem Guss leicht berichtigt werden. In den meisten Fällen wird durch diese Zugabe gleichzeitig der beim Arbeiten erlittene Schlakkenverlust ausgeglichen. Wo dies nicht der Fall ist, muss ausserdem ein kleiner Teil der Schlacke entfernt und durch frische Schlacke ersetzt werden.
Übrigens bietet die Anwendung der Schlacke in der Kokille, gegenüber der Arbeitsweise in der Giesspfanne zwei weitere Vorteile. Einerseits kann die Wirkung der unvermeidlichen Reoxydation berichtigt werden, die durch die Einwirkung der Atmosphäre auf den Metallstrahl beim Giessen entsteht, da die Umsetzung mit der Schlacke ja erst erfolgt, nachdem die Oxydation erfolgt ist ; anderseits wird dadurch ein mit dem Durchwirbeln in der Giesspfanne verbundener Nachteil vermieden, nämlich der Einschluss sogenannter "parasitärer" Schlacke.
Bekanntlich muss der Übertritt von Schlacke, die normalerweise, selbst nach sorgfältiger Entschlackung, immer auf dem Metallbad im Ofen schwimmt, mit viel Mühe verhindert werden, wenn der flüssige Stahl aus dem Ofen in die Giesspfanne überführt und mit der in der Giesspfanne befindlichen flüssigen Schlacke durchwirbelt wird. Diese "parasitäre'" Schlacke verunreinigt die Schlacke in der Giesspfanne, verringert ihre Wirksamkeit oder verändert ihre Zusammensetzung von einem Guss zum andern. Es müssen deshalb zur Vermeidung dieser Verunreinigungen besondere Vorsichtsmassregeln getroffen werden.
Beim Verfahren gemäss der Erfindung ist diese Gefahr ausgeschaltet, da das Metall nicht direkt aus dem Ofen in die in der Kokille befindliche Schlacke gegossen wird, sondern mittels einer sich durch den Boden entleerenden Giesspfanne, wie sie üblicherweise in Stahlwerken verwen- det wird. Selbst wenn"parasitäre"Schlacke aus dem Ofen in die Giesspfanne übertreten könnte, schwimmt sie auf der Oberfläche des Metallbades und fliesst nicht mit dem Metall in die Kokille.
Nach dem Verfahren gemäss der Erfindung wird Stahl erster Qualität in Form von Gussblöcken grosser innerer Reinheit und mit fehlerfreien Oberflächenschichten aus oxydiertem, schwefelhaltigem Stahl erhalten, der in einer beliebigen Vorrichtung, beispielsweise einem elektrischen Ofen, Martinofenoder Konterofen erschmolzen wurde, vorausgesetzt, dass sein Kohlenstoff-, Phosphor- und Mangangehalt und sein Gehalt an andern Zusätzen der geforderten Zusammensetzung entspricht und er auf die übliche Giess* temperatur erhitzt wurde. Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird einerseits das langwierige und kostspielige Desoxydationsverfahren im Ofen und anderseits die lästige spanabhebende Bearbeitung der Gussblöcke zur Entfernung von Zunder und Rissen vermieden, und dies auf Kosten eines relativ geringen SchlacKenaufwandes.
Zur Durchführung des Verfahrens kann im wesentlichen die gleiche Anlage wie beim Stammpatent Nr. 207507 verwendet werden. Es soll jedoch immer dafür gesorgt werden, dass gegebenenfalls ein Teil der infolge der Reinigung des Metalls zu stark schwefelhaltigen Schlacke durch eine entsprechende Menge frischer Schlacke ersetzt werden kann.
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Nickel und Chrom erschmolzen, ohne ihn zu desoxydieren und zu entschwefeln. Dann wurde 0, 5 % Silizium zugegeben und der Stahl in die Giesspfanne gegossen.
Gleichzeitig wurde in einem andern elektrischen Ofen eine Schlacke der folgenden Zusammensetzung geschmolzen : 56 % CaO ; 42 % Al Og ; 2 % SiO und auf 17000 C erhitzt.
Diese Schlacke wurde schnell in die für das Metall bestimmten Kokillen (Fassungsvermögen 2 t) gegossen, die damit vollständig geftillt wurden. Unmittelbar danach wurde das Metall aus der Giesspfanne durch eine Abstichöffnung von 25 mm Durchmesser in die Kokillen gegossen. Die erhaltenen Gussblöcke hatten eine absolut fehlerfreie Oberfläche und brauchten nicht abgespannt zu werden.
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Die mikrographische Reinheit war ausgezeichnet, wie Untersuchungen an Knüppeln ergaben, die aus diesen Gussblöcken gewalzt und abgedreht wurden und keine sichtbare Einschliessung enthielten. Der Sauerstoff-und Schwefelgehalt veränderte sich während des Verfahrens wie folgt :
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<tb> Im <SEP> Ofen <SEP> vor <SEP> Zusatz <SEP> des <SEP> Siliziums, <SEP> 0, <SEP> 015 <SEP> % <SEP> 0,-0, <SEP> 040-% <SEP> S <SEP> ; <SEP>
<tb> In <SEP> den <SEP> Gussblöcken <SEP> : <SEP> 0,004 <SEP> % <SEP> 0 <SEP> ; <SEP> 0, <SEP> 008 <SEP> % <SEP> S.
<tb>
Die metallischen Gussblöcke enthalten 0, 015 % metallisches Aluminium, ohne dass metalUsches1\lu- minium zugesetzt wurde, woraus hervorgeht, dass eine weitgehende Desoxydation des Metalls erfolgt ist.
Betspiel 2 : Unter gleichen Bedingungen wurde ein Stahl der Zusammensetzung
0,400 % C : 0, 320 % Si ; 0,880 % Mn; 1, 49 % Ni ; 1, 03 %Cr verarbeitet und dieses Mal eine auf 16500 C erhitzte Schlacke folgender Zusammensetzung angewendet :
48 % CaO ; 42 % AlO, ; 10 % Sitz.
Die erhaltenen Gussblöcke hattendie gleichen Oberflächeneigenschaften und die gleiche mikrogra- phische Reinheit wie die Gussblöcke nach Beispiel 1. Der Gehalt an Sauerstoff und Schwefel war wie folgt :
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<tb>
<tb> Im <SEP> Ofen <SEP> vor <SEP> Zufuhr <SEP> des <SEP> Siliziums <SEP> : <SEP> 0, <SEP> 015 <SEP> % <SEP> 0 <SEP> ; <SEP> 0, <SEP> 035 <SEP> % <SEP> S <SEP> ; <SEP>
<tb> In <SEP> den <SEP> Gussblöcke <SEP> : <SEP> 0, <SEP> 006 <SEP> % <SEP> 0 <SEP> ; <SEP> 0. <SEP> 010 <SEP> % <SEP> S.
<tb>
Der Gehalt an Aluminium im fertigen Metall betrug 0,010 %.
Beispiel 3 : Unter den gleichen Bedingungen wurde ein Stahl der Zusammensetzung 0,100 % C; 0,160% Si; 0,280% Mn; 3% Ni; 0,890% Cr verarbeitet und dieses Mal eine auf 16500C erhitzte
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len. Während des Verfahrens veränderte sich der Schwefelgehalt wie folgt :
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<tb>
<tb> Im <SEP> Ofen <SEP> vor <SEP> dem <SEP> Giessen <SEP> 0,025 <SEP> Ufo <SEP> S <SEP> ; <SEP>
<tb> In <SEP> den <SEP> Gussblöcken <SEP> : <SEP> 0,011 <SEP> % <SEP> s.
<tb>
Die vorstehenden Beispiele beziehen sich auf Fälle, in denen das Metall vor dem Vergiessen in die Kokille nicht entschwefelt wurde. Mankann aber auch in die Kokille unterSchlacke ein Metall vergiessen, das vorher schon teilweise im Ofen oder durch Verwirbeln mit Schlacke in der Giesspfanne entschwefelt wurde, ohne sich ausserhalb der Grenzen der Erfindung zu befinden. Hiebei vervollständigt das Vergiessen in die Kokille die vorhergehende Reinigung, so dass Gussblöcke mit guten Oberflächen mit grosser mikrographischer Reinheit erhalten werden.
In diesem Fall führt das anschliessende Vergiessen in die mit der gleichen Schlackenart angefüllten Kokillen zu einer sehr wichtigen Ergänzung der in der Giesspfanne erfolgten Reinigung, infolge der relativ viel grösseren Mengen von Schlacken, die verwendet werden, der beträchtlich vergrösserten in Berührung kommenden Oberflächen und der angewendeten unterschiedlichen Temperaturen. Wie vorstehend schon erwähnt, wird ausserdem durch die Anwendung der Schlacke in der Kokille die Wirkung der infolge der Einwirkung der Luft auf den Metallstrahl auftretenden Reoxydation des Metalls zwischen Giesspfanne und Kokille ausgeglichen.
In der Giesspfanne und in derKokille können auch Schlacken verschiedener Art verwendet werden.
Beispiel 4 : In diesem Beispiel wird das Verfahren so durchgeführt, dass zunächst mit der-Schlacke in der Giesspfanne verwirbelt und dann in eine mit der gleichen Art Schlacke angefüllte Kokille vergossen wird. Wie in Beispiel 1 wird im elektrischen Ofen ein Metall hergestellt, das
0, 115 % C ; 0, 700 % Mn 1, 28 % Ni ; 0, 930 % Cr enthält.
Nach Zusatz von 0,500 % Silizium wurde dieses Metall in eine Giesspfanne gegossen, die 3 Gew.-% einer Schlacke aus 56 % CaO ; 42 % Al2O3; 2 % SiO2 enthielt, und anschliessend das Metall daraus in die mit der gleichen Art von Schlacke angefülltenKokillen gegossen.
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Während des Verfahrens veränderte sich der Gehalt an Sauerstoff und Schwefel wie folgt:
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<tb> Im <SEP> Ofen <SEP> vor <SEP> Zusatz <SEP> des <SEP> Siliziums <SEP> : <SEP> 0,015 <SEP> % <SEP> 0 <SEP> ; <SEP> 0, <SEP> 040 <SEP> % <SEP> S <SEP> ; <SEP>
<tb> Nach <SEP> Verwirbeln <SEP> in <SEP> der <SEP> Giesspfanne <SEP> : <SEP> 0, <SEP> 007 <SEP> % <SEP> 0 <SEP> ; <SEP> 0, <SEP> 012 <SEP> % <SEP> S;
<tb> In <SEP> den <SEP> Gussblöcken: <SEP> Spuren <SEP> O; <SEP> 0,005 <SEP> % <SEP> S.
<tb>
Det <SEP> Gehalt <SEP> an <SEP> Alumtnhan <SEP> betrug <SEP> : <SEP>
<tb> Nach <SEP> dem <SEP> Durchwirbeln <SEP> in <SEP> der <SEP> Giesspfanne <SEP> : <SEP> 0,005 <SEP> %
<tb> In <SEP> den <SEP> Gussblöcken: <SEP> 0, <SEP> 025 <SEP> lu. <SEP>
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Diese letzte Zahl ist ein Beweis für die ausserordentlich weit getriebene Desoxydation. Die Ober-
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der Patentschrift Nr. 207507,. dadurch gekennzeichnet, dass eine flüssige Schlacke verwendet wird, die entschwefelnd wirkt, und dem Metall vor dem Giessen ein Reduktionsmittel zugesetzt wird.