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Verfahren zum kontinuierlichen Giessen von beruhigtem, insbesondere kohlenstoffarmem Stahl
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Giessen von beruhigtem, insbesonderekoh- lenstoffarmem Stahl, wobei eine Stahlschmelze in einem Induktionsofen warmgehalten und von dort un- ter Luftabschluss einer oder mehreren Stranggiesskokillen bzw. deren Speisevorrichtungen zugeführt wird.
Obwohl das Prinzip des Stranggiessens von Metallen und insbesondere von Stahl seit langem bekannt ist, stehen der industriellen Anwendung solcher Verfahren verschiedene Hindernisse entgegen. Die haupt- sächlichsten Schwierigkeiten, die bisher praktisch nicht gelöst werden konnten, sind folgende :
1. Die einzigen beruhigten Stähle, bei welchen es gelang, sie in industriellem Massstab durch Stranggiessen herzustellen, sind jene, bei welchen die Desoxydation grösstenteils mit andern Desoxydationsmitteln als Aluminium erfolgt. Tatsächlich ist es bisher nicht gelungen, mit Aluminium beruhigte Stähle unter technisch gangbaren Bedingungen und mit in metallurgischer Hinsicht zufriedenstellender Wirtschaftlichkeit zu giessen, obwohl diese Qualität beispielsweise für weiche Tiefziehstähle von grossem Interesse ist.
2. Das Stranggiessen von Stählen wurde bisher intermittierend durchgeführt. Man beschränkte sich darauf, in eine Stranggiessvorrichtung eine Giesspfanne zu entleeren und musste, nachdem die Stranggiessvorrichtung leer war, den Guss unterbrechen. Hierauf musste man die feuerfeste Auskleidung der Pfanne reparieren oder erneuern und war gezwungen, die ganze Folge der Anfahrarbeiten (Erhitzen, Anordnen des Anfahrstranges usw.) zu wiederholen. Dadurch wurde die Wirtschaftlichkeit einer Kokillenreihe oder Stranggusskokille merklich beeinträchtigt, was sich in zweiter Linie sehr nachteilig auf den Verkaufspreis auswirkte.
3. Es ist bisher nicht gelungen, in technologisch und metallurgisch zufriedenstellender Weise Thomasstahl kontinuierlich zu giessen, der in Windfrischstahlwerken erzeugt wurde, trotz der Tatsache, dass Thomasstahlwerke derzeit den günstigsten Verkaufspreis erstellen und dass die verschiedenen, im Verband mit dem Windfrischverfahren stehenden Arbeitsvorgänge wesentlich gunstiger an den kontinuierlichen Guss angepasst werden können, als diejenigeder grossen Siemens-Martin-Öfen oder der modernen Elektroöfen.
Es ist natürlich bekannt, flüssiges Eisen in einen geschlossenen Ofen unter Druck einzuführen, dessen unterer Abschnitt mit einem Auslass versehen ist, an den ein Leitungssystem angeschlossen ist. Durch dieses Leitungssystem wird das Metall unter Druck bis zu einer kontinuierlichen Horizontalgiesseinrichtung geleitet, wobei es durch eine Zwischenkammer fliesst, welche zu einem grossen Teil die Wirkungen, die durch das unter Druck gesetzte Metall ausgeübt werden, annulliert.
Weiters ist es bekannt, eine kontinuierlich arbeitende Giessform direkt an einen Schmelzofen oder an eine Giesspfanne anzuschliessen, derart, dass jede Oxydation des flüssigen Metalles auf seinem Wege in die Form ausgeschlossen wird, welcher Anschluss beispielsweise durch eine den Luftzutritt ausschliessende Verbindung zwischen Ofen und Form gebildet sein kann.
Tatsächlich aber stehen dem kontinuierlichen Guss von Konverterstählen zwei wesentliche Schwierig-
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vorganges erhaltenen Temperaturen und anderseits das zu niedrige Temperaturniveau. Der Konverter ist tatsächlich nicht in der Lage, den Stahl zu überhitzen, ohne dessen Qualität nachteilig zu beeinflussen.
Diese Schwierigkeit macht sich noch mehr bei extra weichen Stählen bemerkbar, also bei Stählen mit niedrigem Phosphor- und Kohlenstoffgehalt, für welche die Giesstemperaturen so hoch wie möglich und die Bearbeitungstemperaturen so niedrig wie möglich sein sollen.
Weiters muss erwähnt werden, dass das Beruhigen des im Konverter hergestellten Stahles mit Alumi- nium wesentlich schwieriger ist als des im Siemens-Martin-Ofen oder elektrischen Ofen hergestellten
Stahles, und dass es auf jeden Fall einen weiteren Temperaturverlust mit sich bringt, der das Stranggiessverfahren noch mehr in Frage stellt.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht es, eine Kokillenreihe ununterbrochen zu speisen und beim Strangguss die vorerwähnten Schwierigkeiten zu vermeiden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass in einem Induk- tionsofen, der genügend gross ist, um einen entsprechenden Vorrat an zu vergiessendem Stahl aufzunehmen, der Rohstahl während des Zuflusses aus der Transportpfanne mit einem oder mehreren Reinigung- mitteln, insbesondere Aluminium, kontinuierlich versetzt wird, um eine vollständige Beruhigung des
Rohstahles und eine Bindung der Einschlüsse an eine Schlacke unter dem Einfluss der Turbulenz des Bades zu erzielen, und-im Falle der Windfrischung der Frischvorgang bei einer Endtemperatur durchgeführt wird, die etwa 200C unter der üblichen Abstichtemperatur liegt,
wodurch einerseits zum Abstehen und ander- seits zum Ausscheiden der Desoxydationsschlacke genügend Zeit zur Verfügung steht und die Schlacke gleichzeitig auch für einen ausreichenden Luftabschluss im Induktionsofen sorgt.
Diese erfindungsgemässe Anordnung eines elektrischen Ofens vor der Giessanlage ermöglicht nicht nur die Regelung der Giesstemperatur, sondern auch die Verwirklichung wichtiger metallurgischer Behand- lungen. Es handelt sich daher um die Kombination eines klassischen Giessverfahrens mit einem kontinu- ierlichen Duplexverfahren unter Anwendung eines elektrischen Induktionsofens.
Bei der Erzeugung des Konverterstahles wird das Windfrischen, wie erwähnt, so durchgeführt, dass die Endtemperatur etwa 200C unterhalb der normalerweise bei diesem Verfahren erhaltenen Endtempe- ratur liegt. Man erhält auf diese Weise einen Stahl mit einem besonders niedrigen Gehalt an Kohlenstoff und Phosphor (z. B. C im Bereich von 0, 015% und P im Bereich von 0, 010 bis 0, 0155go). Das Metall wird hierauf in eine vorzugsweise die Form einer Teekanne aufweisende Giesspfanne gefüllt, die zum Trans- port dient und in welcher die Schlacke abgezogen wird. Vorzugsweise wird weder in der Birne noch in der Pfanne irgendein Desoxydationsmittel zugesetzt, um jede Rückphosphorung und unnötige Abkühlung zu vermeiden.
Die üblichen Zusätze und das Aluminium für die Beruhigung werden vorzugsweise konti- nuierlich im Induktionsofen zugesetzt, in welchem dank der guten Durchmischungswirkung des Ofens die
Desoxydation einwandfrei verläuft, der Stahl fertiggemacht wird und die Desoxydationsprodukte, insbe- sondere die Tonerde in die Schlacke gehen. Der fertige Stahl wird aus dem Induktionsofen über Leitun- gen und vorzugsweise über eine die Ausflussmenge regelnde Vorrichtung kontinuierlich und stets unter Luft- abschluss der Kokillenreihe bzw. der Stranggiessform zugeführt. Auf diese Weise wird es möglich, einen mit Aluminium beruhigten, praktisch tonerdefreien Stahl zu giessen, ohne dass das nach der Beruhigung des Stahles durch Oxydation entstandene Aluminiumoxyd in das Bad gelangen würde.
Für das ununterbrochene Einbringen der Schmelze in den Induktionsofen kann eine rinnenförmige
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einem Induktionsofen, der mit der Kokille durch eine luftdichte Austragsleitung über ein unter den Badspiegel in der Kokille eintauchendes, aus feuerfestem Material bestehendes Giessrohr verbunden ist, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass nach dem offenen Induktionsofen eine mit Inertgas, wie Argon oder Stickstoff, betriebene pneumatische Regelvorrichtung angeordnet ist, mittels welcher der Badspiegel in der Kokille dadurch konstant gehalten wird, dass der in der pneumatischen Regelvorrichtung herrschende Druck in Abhängigkeit von der Höhe des im Induktionsofen befindlichen Stahles gesteuert wird.
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Die Ausgussmenge des Stahles wird zweckmässigerweise durch einen Stopfen geregelt und kontrolliert, der den Durchtrittsquerschnitt des Kokilleneingusses verändern kann.
Fur das Einbringen der Schmelze in die Kokille kann ein Giessrohr aus feuerfestem Material verwendet werden, das so lang ist, dass es unter dem Metallspiegel in der Kokille endigt.
Dieses Giessrohr hat vorzugsweise die Form einer Laval-Duse, um die Wucht des ankommenden Giess- strahles abzuschwächen.
In den Zeichnungen wird die Vorrichtung gemäss der Erfindung beispielsweise dargestellt. Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung und Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Anlage für den Strangguss.
Der vom Konverter kommende, flüssige Stahl wird über die Rinne 3 in den Induktionsofen 4 einge- gossen (Fig. 1). Die kontinuierliche Einbringung der Desoxydationsmittel oder Beruhigungsmittel ist sche- matisch durch den Pfeil 13 angegeben. Der Ofen 4 weist in seinem unteren Bereich eine Öffnung 8 auf, in welcher ein Stopfen 9 angeordnet ist. Der Ofen 4 wird induktiv durch die Wicklung 10 geheizt und ist über eine mit feuerfestem Material 15 ausgekleidete Leitung 14 mit einer Hilfskammer 16 verbunden, die mit einem Gas unter Druck, wie z. B. mit Stichstoff oder Argon, gefüllt ist. Das Gas kommt von den Fla- schen 17, von welchen aus über die Leitung 19 und das Regelventil 20 die Kuppel 18 gespeist wird.
Der Druck wird bei 21 gemessen und über die Kanäle 22,23 und 24 auf die Kammer 16 übertragen.
Die Hilfskammer 16 ist mit feuerfestem Material 25 ausgekleidet. Sie weist am Boden eine Öffnung 26 auf, an welcher ein Giessrohr 27 aus besonders feuerfestem Material befestigt ist. Das Längsprofil 28 die- ses Giessrohres weist die Form einer Laval-Düse auf.
Der untere Bereich 29 des Giessrohres 27 taucht dauernd unter das Niveau 30 des flüssigen Stahles in der Vorrichtung 31. welche ein Zwischengefäss für die Speisung der Kokillen oder eine Stranggiessform sein kann.
Die Hilfskammer 16 wird von einem Metallstab 32 durchsetzt, welcher mit feuerfestem Material 33 umkleidet und mit einer (nicht dargestellten) Kühleinrichtung versehen ist. Die Verstärkung des feuerfesten Materials 34 am unteren Ende des Metallstabes dient als Ausgleich für Abnützung. Der Stab 32reicht durch die Öffnung 24 und ist mit einem Kolben 35 und einem Führungsstab 36 verbunden. Der Kolben 35 bewegt sich im Inneren eines zwischen der Kuppel 18 und der Kammer 16 liegenden Zylinders 37. Dieser Zylinder liegt über eine Auflage 38 auf dem feuerfesten Material 25 auf und ist überdies mit der äusseren Metallverkleidung 39 durch eine Platte 40 verbunden, die zum Durchgang für den Fuhrungsstab 36 eine Bohrung 41 aufweist.
Zwischen der feuerfesten Auskleidung 33 des Stabes 32 und dem Kolben 35 ist eine Metallhülse 42 zum Schutz des Stabes 32 und um seine Fuhrung in der unteren Öffnung 43 des Zylinders 37 zu erleichtern, vorgesehen. Die Bewegung des Kolbens 35 im Zylinder 37 wird hydraulisch über die Flüssigkeitsleitungen 44 und 45 gesteuert. Die Arbeitsweise des Systems ist folgende :
Während des Betriebes wird der Stahl über die Giessrinne 3 in den mit einem Stopfen 9 versehenen Induktionsofen 4 eingegossen. Auf dem Stahl schwimmt eine Schlackenschicht 12. Nun wird die Heizvorrichtung 10 eingeschaltet ; nachdem der Stahl 11 auf die erforderliche Temperatur gebracht und die kontinuierliche Zufuhr der Desoxydationsmittel oder Beruhigungsmittel bewerkstelligt wurde, wird der Stab 32 bis auf die Einströmöffnung des Giessrohres 27 gesenkt.
Durch Öffnen des Regelventiles 20 tritt das Gas in die Kammer 16 und die Leitung 14 ein. Man erhöht den Druck so lange, bis sich der Stopfen 9 von seinem Sitz 8 abhebt.
Ein nicht dargestelltes Relais wird im Moment des Ausstossens des Stopfens 9 betätigt, es sperrt den Gasdruck und schaltet den den Kolben 35 steuernden, hydraulischen Servomotor ein. Der Kolben 35 bewegt sich im Zylinder 37 nach oben und gibt auf diese Weise die Einströmöffnung des Giessrohres 27 frei.
Der beruhigte Stahl 11 fliesst uber die Leitung 14 in die Kammer 16, die er bis zum Niveau 47 füllt, und sodann über das Giessrohr 27 in die Speisevorrichtung oder Kokille 31.
Man regelt nunmehr die Stellung des Kolbens 35, um den gewünschten Durchtrittsquerschnitt des Stahles mit Hilfe des Stabes 32 einzustellen. Der Druck des Gases in der Kammer 16 wird in Abhängigkeit vom Niveau des Stahles im Tiegel 4 uber einen nicht dargestellten Mechanismus geregelt.
Für grosse Gussstücke kann die Kokille entweder direkt durch mehrere Giessrohre 27, die in Parallelschaltung ausgiessen, gespeist werden, oder die Speisung erfolgt durch Zwischenschaltung einer Verteilerkammer für den Stahl. Im letzteren Falle müssen die nötigen Vorkehrungen getroffen werden, um den Stahl so gut als möglich vor Luftzutritt zu bewahren.
Gemäss der in Fig. 2 schematisch dargestellten Ausführungsform einer Einrichtung für den Strangguss wird der flüssige Stahl 2 aus dem Konverter 1 in eine der Siphonpfannen 4 gegossen. Jede Siphonpfanne 4
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wird in eine Giessrinne 5 entleert, von welcher der flüssige Stahl 2 in eine Schaukelrinne 3 fliesst, welche die Induktionsöfen 4 speist. Beim Ablassen der Induktionsöfen 4 gelangt der flüssige Stahl zu den Giess- rohren 27. Es ist nunmehr möglich, die Kokille 31 direkt zu beschicken, indem man das Ende 29 der
Giessrohre 27 unter dem Niveau 30 des Stahles hält, oder ein luftdichtes Zwischengefäss 48 einzuschal- ten, das den Stahl aus einem Giessrohr 27 aufnimmt. Von diesem Zwischengefäss aus wird die Strang- giessform 50 über mehrere Giessrohre 51 beschickt.
Die Giessrohre sind so lang, dass sie erst unter dem
Niveau 53 des Stahles in der Kokille 50 endigen. Die luftdichte Abdichtung der Kammer 48 ist nicht dar- gestellt.
Durch das erfindungsgemässeverfahren und durch die Vorrichtung zur Durchführung desselben wird es möglich, einen mit Aluminium beruhigten Stahl mit niedrigem Phosphor- und Kohlenstoffgehalt frei von
Tonerde bei geregeltem Ausfluss und unter Luftabschluss zu vergiessen.
Die Einfachheit des Verfahrens, seine fast automatische Regelung und seine grossen Anpassungsmög- lichkeiten sind Vorteile, die das erfindungsgemässe Verfahren für die Massenproduktion von Stahl mit ei- ner bisher unerreichten Qualität geeignet machen.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung desselben sind insbesondere zur Verwendung bei Stählen, die im Konverter hergestellt wurden, geeignet. Schliesslich ist es auch mög- lich, diese Vorrichtungen oder einen Teil derselben in Betrieben zu verwenden, die mit andern Arten von Frischanlagen arbeiten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum kontinuierlichen Giessen von beruhigtem, insbesondere kohlenstoffarmem Stahl, wobei eine Stahlschmelze in einem Induktionsofen warmgehalten und von dort unter Luftabschluss einer oder mehreren Stranggiesskokillen bzw. deren Speisevorrichtungen zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Induktionsofen, der genügend gross ist, um einen entsprechenden Vorrat an zu vergie- ssendem Stahl aufzunehmen, der Rohstahl während des Zuflusses aus der Transportpfanne mit einem oder mehreren Reinigungsmitteln, insbesondere Aluminium, kontinuierlich versetzt wird, um eine vollständige Beruhigung des Rohstahles und eine Bindung der Einschlüsse an eine Schlacke unter dem Einfluss der Turbulenz des Bades zu erzielen, und im Falle der Windfrischung der Frischvorgang bei einer Endtemperatur durchgeführt wird,
die etwa 20 C unter der üblichen Abstichtemperatur liegt, wodurch einerseits zum Abstehen und anderseits zum Ausscheiden der Desoxydationsschlacke genügend Zeit zur Verfügung steht und die Schlacke gleichzeitig auch für einen ausreichenden Luftabschluss im Induktionsofen sorgt.