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Verfahren und Vorrichtung zur Verhinderung von Kernfehlern in metallischen Gussblöcken
Gegenstand des Stammpatentes Nr. 234290 ist ein Verfahren zur Verhinderung von Kernfehlern in metallischen Gussblocken, insbesondere in Stahlblocken, beim Erstarren des Metallbades in der Kokille.
Verfahrensgemäss wird das flüssige Metall in der Kokille vom Eingiessen bis zur Erstarrung mit neutralen oder reduzierenden, im Metallbad praktisch unlöslichen Gasen behandelt.
Die Erfindung betrifft eine weitere Ausgestaltung und Verbesserung des obigen Verfahrens. Die allgemein bekannten Massnahmen, z. B. niedrige Giesstemperatur und langsames Giessen, zur Vermeidung von Fadenlunkern bzw. Sekundärlunkern reichen bei schweren Schmiedeblöcken mit grossen Blockquerschnitten nicht aus, um die Kernzone fehlerfrei erstarren- zu lassen. Es sind ferner Massnahmen vorgeschlagen worden, die darauf abzielen, die Erstarrung in vertikaler Richtung, d. h. von unten nach oben, gegenüber der horizontalen Richtung, von aussen nach innen, zu bevorzugen, beispielsweise durch stark konische und gedrungene Kokillen oder durch Kühler, welche der Kokille während der Erstarrung des Blockes abschnittsweise Wärme entziehen.
Es wird auch versucht, durch eine sorgfältig abgestimmte Desoxydation den Reinheitsgrad so weit zu verbessern und vor allen Dingen die Art und die Verteilung der nichtmetallischen Einschlüsse so zu beeinflussen, dass eine einwandfreie Verschweissung der Sekundärlunker gegeben ist. Durch alle diese Massnahmen kann das Auftreten dieser Kernfehler zwar verringert, aber nicht verhindert werden.
Um Blöcke oder Gussstücke zu erhalten, die einen möglichst kleinen Lunker und in ihrem Innern ein dichtes gleichmässiges Gefüge aufweisen, ist schon vorgeschlagen worden, vom Fuss der Giessform her inerte Gase durch das flüssige Metall zu leiten. Das Gas wird durch ein offenes Rohr oder durch einen feuerfesten porösen Stopfen in das Metall eingeführt. Dabei soll das flüssige Metall intensiv durchwirbelt werden, so dass eine Mischung aus Schmelze und Metallkristallen entsteht, die in teigigem Zustand dann praktisch ohne Lunkerhohlräume in ihrem Innern erstarrt. Auch eine nennenswerte Entmischung (Seigerung) soll dann nicht mehr eintreten.
Auch dieses Verfahren zeigt grosse Nachteile, besonders dann, wenn es bei der Erzeugung von Qua- litätsstählen angewendet wird, bei denen ein guter Reinheitsgrad vorausgesetzt wird. Es hat sich gezeigt, dass mit nichtmetallischen Einschlüssen erheblicher Grösse in einem grossen Teil des Blockes gerechnet werden muss, wenn die Durchwirbelung (Konvektionsstromung) ein gewisses Mass übersteigt und wenn die Gasbehandlung erst bei fortgeschrittener Kristallisation der Schmelze beendet wird. Die kräftige Bad-
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Durchwirbelung nehmen die Einschlüsse durch Koagulation an Grösse zu. Diese Einschlüsse können dann auch nach der Gasbehandlung nicht mehr aufsteigen, da die Schmelze zu dickflüssig geworden ist und die schnell fortschreitende Erstarrung die Einschlüsse festhält.
Ausserdem sind die vorgeschlagenen Arten der Gaszuführung mit Mängeln behaftet. Eine verlustfrei Zuführung des Gases bis in den flüssigen * 1. Zusatzpatent Nr. 239981.
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Teil des Metalls gelingt auf die vorgeschlagene Weise nicht. Eine vorbestimmte Dosierung und Kontrolle der Spülgasmenge ist daher nicht möglich. Der Erfolg des Verfahrens hängt aber entscheidend von der richtigen Bemessung der Spülgasmenge ab.
In der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches die Entstehung von Sekundärlunkern bzw.
Schwindungshohlräumen im Blockinnern verhindert und die Ausscheidung und Entfernung von Einschlüssen dahingehend beeinflusst, dass eine Anhäufung im Blockkern unmöglich ist.
Es ist das Ziel der im folgenden beschriebenen Behandlung, Blöcke aller Stahlmarken bis zu den grössten Gewichten zu erzeugen, die sich dadurch auszeichnen, dass sie mit Sicherheit frei von makroskopischen Fehlstellen sind und ein hohes Mass an Homogenität sowohl hinsichtlich der Eigenschaften als auch der Zusammensetzung aufweisen.
Für die Durchführung des Verfahrens können folgende Vorstellungen und Feststellungen als Grundlage dienen : Bei den Einschlüssen handelt es sich um Desoxydationsprodukte. Das Reaktionsgeschehen der Desoxydation ist mit der Beendigung des Giessens noch nicht vollständig abgelaufen. Wird während der Abkühlung und Erstarrung des Blockes das weitere Reaktionsgeschehen durch Hemmungen einzelner Schritte der Reaktionskinetik unterbrochen, dann erfolgt die vollständige Ausscheidung der Desoxydationsprodukte erst kurz vor Beendigung der Erstarrung, zu spät also, um die Ausscheidungen noch in die Blockhaube aufsteigen zu lassen. Im Zusammenwirken mit diesem Reaktionsablauf ist die Bildung von Sekundärlunkern zu sehen. Dies hat zur Folge, dass die Einschlüsse sich an den Stellen der Sekundärlunker ausscheiden.
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ablauf derart beeinflussen und lenken, dass sich nichtmetallische Einschlüsse frühzeitig ausscheiden, und dass Sekundärlunker nicht entstehen können. Als eine geeignete Möglichkeit erscheint die Spülgasbehandlung des Stahles in der Kokille. Im Hinblick auf den Zweck der Erfindung hat die Spülgasbehandlung, wenn sie erfindungsgemäss durchgeführt wird, folgende Wirkung : Die Ausscheidung der Desoxydationsprodukte und ihre Abscheidung in den Blockschaum erfolgt frühzeitiger und vollständiger. Die Erstarrung im Blockinnern wird wesentlich gefördert, so dass sich die Erstarrungszeit verkürzt. Dabei ist es von Bedeu-
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flüssigen Stahls lässt diesen feinkörnig erstarren und verhindert die Bildung von Sekundärlunkern, da an keiner Stelle abgeschlossene Bereiche mit Restschmelze entstehen können.
Durch die weitgehende Entfernung derDesoxydationsprodukte wird der Sauerstoffgehalt bis in den Blockern erniedrigt und der Reinheitsgrad verbessert. Der günstige Erstarrungsverlauf führt zu einer erheblichen Verringerung der Seigerungen.
Die Erfindung gibt an, wie im einzelnen die Spülgasbehandlung durchgeführt werden kann, um Gussblöcke'zu erzeugen, die mit Sicherheit frei von makroskopischen Fehlstellen sind. Das Spülgas soll ein inertes Gas sein. Dafür eignen sich in erster Linie Edelgase, wie z. B. Argon. Aber auch dem Stahl gegenüber neutral oder reduzierend wirkende Gase, die von der Schmelze in der Kokille praktisch nicht aufgenommen werden, sind verwendbar, z. B. Kohlenmonoxyd oder Stickstoff. Das Gas muss eine grosse Oberfläche mit dem Stahl bilden und soll deshalb in vielen kleinen Blasen, möglichst über den ganzen Querschnitt des Blockes verteilt, im Stahl aufsteigen. Die Gaszufuhr geschieht mittels einer oder mehrerer Düsen, die im Innern des Blockes, dicht über der Randschicht, die bereits während des Giessens erstarrt, angebracht sind.
Die Düsen, die aus Weicheisen angefertigt sein können, sind mit vielen kleinen Austrittsöffnungen versehen, die so angeordnet sind, dass die Gasblasen in einem möglichst weiten Bereich aufsteigen können. Für die Ausbildungsform der Düsen gibt es viele Variationsmöglichkeiten, von Düsen mit je einer Austrittsöffnung bis zu einer einzelnen Düse mit vielen Austrittsöffnungen. Die letztere dürfte besonders rationell in Herstellung und Handhabung sein. Zur Erzeugung feiner Blasen in grosser Zahl mit verhältnismässig einfachen Mitteln haben sich Düsen bewährt, deren Austrittsöffnungen einen Querschnitt von 0, 02 bis 0,20 mm2 aufweisen.
Die in dieser Weise angeordneten, sehr kleinen und gleichartigen Austrittsöffnungen haben gegenüber den bekannten Vorschlägen den Vorteil, dass die Konvektionsströmung in der Schmelze im Verhältnis zum Mengenstrom des Gases gering ist und diese sich durch Ver- änderung des Mengenstroms beliebig regeln lässt. Das ist im Hinblick auf eine gute Abscheidung der Einschlüsse wichtig.
Das Einleiten des Gases kann auf zwei Arten geschehen : Entweder wird die Düse, die mit einer Lanze verbunden ist, von oben in die Kokille tief eingetaucht oder aber die Düse/Düsen wird/werden kurz über dem Kokillenfuss ausserhalb der während des Giessens erstarrenden Randschicht fest eingebaut, wobei die Zuleitungen durch Bohrungen im Kokillenfuss geführt werden. Die erstgenannte Art hat den Vorteil, dass dieSpülgasbehandlung erst nach demGiessbeginn oder sogar nach dem Giessende einsetzt und dass die Düse während der Behandlung in. ihrer Höhe verändert werden kann. Die zweite Art hat den Vorteil, dass die
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Vorrichtungen einfach und betriebssicher gestaltet werden können und dass die Handhabung sehr einfach ist.
Dabei wird das Gas vom Giessbeginn an durch den flüssigen Stahl geleitet und wirkt bei seinem Austritt aus der Metalloberfläche als Schutzgas. Bei der Verwendung von im Fussteil fest eingebauten Düsen empfiehlt es sich, die Spülgasbehandlung spätestens zu beenden, wenn die Kokille gefüllt ist oder bereits
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keitsgrad der Schmelze so weit abgenommen hat, dass die Abscheidung von nichtmetallischen Einschlüssen nicht mehr in ausreichendem Masse erfolgt. Es empfiehlt sich, im letzten Abschnitt der Gasbehandlung die Gaszufuhr stark zu drosseln, so dass eine weitgehende Abscheidung der Einschlüsse erfolgen und die Änderung desFlüssigkeitsgrades beobachtet werden kann. Die anfänglich stärkere Konvektionsströmung der Schmelze ist dadurch gegen Ende der Blaszeit nur noch gering.
Bei der Bemessung der Blasstromstärke und ihrer zeitlichen Änderung ist von dem spezifischen Gasverbrauch (Nl/t) auszugehen. Der spezifische Gasverbrauch ist im Bereich von 10 bis 50 NI/t entsprechend der Anfälligkeit des Blockes für Kernfehler zu wählen. Im Hinblick auf eine günstige Badbewegung soll die Blasstromstärke (Nl/min) den Betrag von 2 x spezifischer Gasverbrauch (Nl/t) x mittlere Giessge-
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gende Verhältnisse. Der Block möge 50 t wiegen und bis zur Haube etwa 42 t fassen. Die Giesszeit bis zur Haube möge 16 min, die gesamte Giesszeit etwa 24 min betragen. Die Gasbehandlung soll beispielsweise mit einem spezifischen Gasverbrauch von 30 NI/t und einer gesamten Blaszeit von 18 min durchgeführt werden.
Daraus ergibt sich im ersten Blasabschnitt eine Blasstromstärke zwischen 155 und 125 NI/min, bei einer Blaszeit zwischen 6 und 11 min. Im zweiten Blasabschnitt wird die Blasstromstärke bis zur 12. min stark reduziert. Im dritten Blasabschnitt wird bis zur 18. min mit 12-5 Nl/min nachgeblasen.
Bei der Bemessung der Austrittsöffnungen sollen möglichst kleine Querschnitte mit hohen Blasstromstärken, bezogen auf die Flächeneinheit, angestrebt werden. Dieses Bestreben ist begrenzt durch den maximal zulässigen Druck. Auch die Betriebssicherheit sollte hier berücksichtigt werden. In diesem Beispiel sind für Blasstromstärken zwischen 120 und 180 NI Argon/min 24 Austrittsöffnungen mit je 0, 08-0, 12 mm2 Querschnitt ausreichend, wenn ein Gasdruck von etwa 10 atü zur Verfügung steht.
Im Nachstehenden soll die Erfindung an Hand eines Berechnungsbeispieles des Blasverlaufs für die Spülgasbehandlung von Schmiedeblöcken erläutert werden.
In der Zeichnung ist der Blasverlauf einer Spülgasbehandlung in Form eines Diagrammes schematisch festgehalten. Das schraffierte Feld gibt den Bereich für die Änderung der Blasstromstärke an.
Ausgangswerte :
Spez. Gasverbrauch G [NI/t]
Ges. Blockgewicht M [t]
Blockgewicht bis Haube Mo [t]
Giesszeit bis Haube t [min]
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Unter der Bedingung t = t = 0, 6't ergibt sich eine untere Grenze für V nach folgender max n s max Beziehung : V, o = obere Grenze der max. Blasstromstärke max V t u = untere Grenze der max. Blasstromstärke max
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Für den Fall, dass t =0, 555't ist und t = 0. 6. t. vereinfacht sich die Beziehung zu max s n s
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Das heisst, in vielen Fällen ist der Bereich für die max. Blasstromstärke gering.
Die nach dem beschriebenen Verfahren erzeugten Blöcke zeichnen sich durch ein gleichmässiges und feinkörniges Gussgefüge aus, das frei von Lunkerhohlräumen und Kernfehlern ist. Weitere Vorteile sind geringe Blockseigerungen und eine fehlerfreie Blockoberfläche mit guten Verformungseigenschaften. Die Homogenität des Blockes wirkt sich günstig auf die Gleichmässigkeit der mechanischen Eigenschaften aus.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Verhinderung von Kernfehlern in metallischen Gussblöcken, insbesondere in Stahlblöcken, beim Erstarren des Metallbades in der Kokille, wobei das flüssige Metall in der Kokille vom Eingiessen bis zum Erstarren mit neutralen oder reduzierenden, im Metallbad praktisch unlöslichen Gasen behandelt wird, nach Patent Nr. 234290, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschmelze auf 1 t Metall 10-50 NI Gas, ansteigend entsprechend der Anfälligkeit des Blockes für Kernfehler, zugeführt werden, dass die Behandlungsdauer bzw.
Blasezeit der Metallschmelze der halben bis vollen Gesamtgiesszeit des Blockes entspricht, dass die maximale Gasstromstärke bei Beginn des Blasens höchstens den doppelten Wert des Produktes aus spezifischem Gasverbrauch und der mittleren Giessgeschwindigkeit bis zur Haube entsprechend der Formel
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erreicht, dass gegen Ende der Blasezeit die Gesamtblasstromstärke wesentlich absinkt, wobei die Nachblasmenge etwa 4'10 der Gesamtgasmenge ausmacht, und dass die Nachblaszeit gleich der Nachblasmenge dividiert durch die Nachblasstromstärke, also gleich der 0, 4fachen Blasezeit, ist, wobei in der Formel Vmax die maximale Blasstromstärke in Nl/min, G den spezifischen Gasverbrauch in NI/t, Mo das Blockgewicht bis zur Haube in t und t die Giesszeit bis zur Haube in min bedeutet.