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Verfahren zur Herstellung von Gussblöcken aus Stahl
Bei der Herstellung von Stahlblöcken entstehen ausser den oxydischen Ausscheidungen, die sich un- mittelbar nach der Zugabe eines Desoxydationsmittels bilden, stets nichtmetallische Ausscheidungen, die dadurch bedingt sind, dass mit fortschreitender Abkühlung die Löslichkeit für Gase wie Sauerstoff, Stick- stoff und Wasserstoff herabgesetzt wird. Die ersteren beiden Elemente scheiden sich im Stahl in Form von nichtmetallischen Verbindungen aus und bewirken beim Vorliegen in unzulässig hohen Anteilen den soge- nannten schlechten Reinheitsgrad.
Die Verbesserung des Reinheitsgrades ist ein uraltes Anliegen der Hüttenleute und es hat nicht an Versuchen und Vorschlägen gefehlt, die Herabsetzung der nichtmetallischen Einschlüsse so weit wie mög- lich zu treiben.
Neben der Einhaltung bestimmter Schmelzbedingungen hat sich dabei die Durchführung der Desoxydation nach Bedingungen, die eine optimale Herabsetzung des Sauerstoffgehaltes und eine günstige Abscheidbarkeit der gebildeten Oxyde gewährleisten, als gut erwiesen. Ferner hat auch die Anwendung der Vakuumtechnik dadurch zu guten Reinheitsgraden geführt, dass der Sauerstoff zum grossen Teil über die CO-Reaktion abgebaut wurde. Verschiedentlich wird auch noch zur Erreichung eines guten Reinheitsgrades das sogenannte Perrinieren durchgeführt, bei dem der flüssige Stahl in eine Pfanne abgestochen wird, die flüssige, reduzierende Schlacke enthält, die die Desoxydation des Stahles bewirkt.
Alle diese Verfahren können aber nicht zur Entfernung der Ausscheidungen beitragen, die während des nachfolgenden Abkühlens des Stahles entstehen. Dies gilt insbesondere für Nitride in titanhaltigen, insbesondere rostfreien Stählen, die erst verhältnismässig spät in der Schmelze zur Ausscheidung gelangen und damit üblicherweise nicht mehr völlig abgeschieden werden, und für zirkonhaltige Stähle.
Erfindungsgemäss wird nun vorgeschlagen, den Stahl beim Vergiessen durch Zugabe von fester Schlakke abzukühlen und mit dieser Schlacke bei ihrer Trennung vom noch schmelzflüssigen Stahl (Aufschwimmen) die im Stahl suspendierten Einschlüsse herauszuschwemmen. Durch die Abkühlung findet eine verstärkte Ausscheidung der Einschlüsse statt. Im übrigen soll die zugegebene feste Schlacke nicht zu einer zusätzlichen Desoxydation führen, sondern lediglich die im Stahl suspendierten feinen Einschlüsse, die während der Abkühlung entstanden sind, mit in die Schlacke abführen.
Es ist zwar schon oft die Behandlung des Stahles mit flüssiger Schlacke beim Abstich oder auch beim Vergiessen vorgeschlagen worden, aber diese Verfahren bedingen einen zusätzlichen Schlackenschmelzofen und sind deshalb aufwendig. Die Behandlung beim Abstich soll dabei eine Desoxydation, die Behandlung beim Vergiessen insbesondere eine gute Blockoberfläche bewirken. Die Zugabe von festen Schlacken ist dagegen bis jetzt nur beim Abstich zur Entschwefelung vorgenommen worden. Dabei wird eine möglichst hohe Reaktionstemperatur angestrebt. Die Zugabe von fester Schlacke unmittelbar vor dem Vergie- ssen hat gegenüber der Verwendung von flüssigen Schlacken den Vorzug der leichten Handhabung und eines erstaunlich grossen Effektes auf den Reinheitsgrad des Stahles.
Das Verfahren eignet sich insbesondere auch für kleinere Blöcke, bei denen infolge ihrer vergleichsweise schnellen Erstarrung eine Selbstreinigung des Stahles besonders schwierig oder unmöglich ist, also für Blockgewichte von höchstens 3 Tonnen, vorzugsweise von höchstens 1 Tonne.
Das Verfahren wird in folgender Weise durchgeführt :
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Bei Unterguss kann die Zugabe der festen Schlacke in einem Zwischenpfännchen, in einem Trichter mit grossem Durchmesser od. dgl., durchgeführt werden. Vorzugsweise wird der Trichter, wie an sich bekannt, durch eine Kokille ersetze, die entweder unten offen ist oder bei der das Bodenloch auf den Durchmesser des Königssteines aufgebohrt worden ist. Durch diese Zentralkökille wird der Stahl in den Aussenkokillen steigend vergossen, so dass also beim Guss eines Gespannes 6 oder 8 Blöcke steigend und 1 Block, der Zentralblock, fallend vergossen werden. Während des Vergiessens wird dabei dem Zentra1blóck die feste Schlacke zugesetzt.
Neben der Abscheidung der oxydischen Ausscheidungen wird bei den titanhaltigen u. ähnl. Qualitäten eine Entfernung des gebildeten Nitrids bewirkt, was zu einer sehr guten Oberfläche des gefertigten Produktes, wie Blech, Stabstahl oder Halbzeug, führt. Es werden insbesondere die sonst bei stabilisierten Stählen auftretenden Schalen und Oberflächenfehler weitgehend vermieden. Da durch diese Oberflächenfehler erhebliche Mehrkosten bei der Verarbeitung dieser Stähle entstehen, hat sich die Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens insbesondere bei den stabilisierten, rostfreien Qualitäten als wirtschaftlich äusserst günstig erwiesen.
Das Zwischenpfännchen, der Trichter mit grossem Durchmesser oder die zentrale Kokille können so
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Kokillen gelangt, in denen der Stahl steigend gegossen wird. Wird aber bei diesem Verfahren die feste
Schlacke in einem normalen oder etwas engeren Trichter zugegeben, so reisst der fallende Stahlstrahl diese Schlacke mit in den Block. Es hat sich nun gezeigt, dass auch bei einem Mitreissen der Schlacke bis in den Block eine völlige Separierung der Schlacke und dabei ein Auswaschen der im Stahl vorliegenden nichtmeta1l. ischen Einschlüsse erfolgt.
Dementsprechend wird die Schlacke in einem so engen Trichter zugegeben, dass sie in die Kokille mitgerissen wird und dort unter Mitnahme nichtmetallischer Ausscheidungen aus dem Stahl wieder austritt.
Weiterhin zeigte sich dabei, dass bei der Verwendung eines Abdeckpulvers oder von Gichtstaub aus Eisenhochöfen der aufsteigende Block von einer dünnen Schlackenschicht eingehüllt wird, die erstens eine ausgezeichnete Oberfläche des Blockes bewirkt und zweitens eine unerwünscht rasche Erstarrung der Aussenfläche des Blockes mit Sicherheit verhindert und dadurch ein gutes Aufsteigen der mitgerissenen Schlacke in den flüssigen Schlackendeckel zulässt.
Neben der dabei erzielten Qualitätsverbesserung führt dies zu einem erhöhten Ausbringen an Stahl, da der Abfall durch den Trichterknochen entfällt. Ebenfalls wird die Wirtschaftlichkeit dadurch verbessert, dass das Mauern und Setzen der Trichter unterbleiben kann. Ein weiterer Vorteil bei dieser Arbeitsweise hat sich dadurch ergeben, dass der Durchsatz je Quadratmeter Giessgrubenfläche erhöht werden kann.
Mit der Zugabe der festen Schlacke wird erst nach dem Angiessen des Gespanns begonnen, da dann das Mitreissen der Schlacke in den Stahl und das nachfolgende gründliche Separieren gewährleistet sind.
Bei Obergussblöcken wird die feste Schlacke unmittelbar nach dem Angiessen in die Kokille gegeben.
Bei beiden Giessarten soll vorzugsweise die Schlacke bis zum Ende kontinuierlich zugegeben werden.
Damit kann die Kühlwirkung gleichmässig über die Blocklänge verteilt werden. Durch die Kühlwirkung wird auch eine Verminderung der Löslichkeit und Ausscheidung der gelösten Gase bewirkt.
Die Zusammensetzung der verwendeten Schlacke kann in weiten Grenzen schwanken. Es ist auch nicht unbedingt notwendig, synthetische Schlacken zu verwenden, sondern die Zugabe einer Mischung oder einzelner Schlackenkomponenten wie SiO, Al 0 oder CaO hat sich ebenfalls als wirksam erwiesen. Allerdings hat die Verwendung von synthetischen Schlacken den Vorteil, dass man bestimmte einheitliche Körnungen verwenden kann, die zu einem optimalen Ausschwemmen der gebildeten Ausscheidungen führen. Eine zweckmässige Körnung enthält Körner, die nicht kleiner als 1 mm und nicht grösser als 10 mm sind. Die verwendete Schlacke muss auch nicht unbedingt reduzierenden Charakter haben, da ia ein voll beruhigter Stahl vergossen wird.
Es empfiehlt sich allerdings, bei stark oxydierenden Schlacken den Desoxydationsgrad der Schmelzen zu erhöhen, um keine unzulässige Unterdesoxydation des Stahles zu erreichen.
Weiter wird vorgeschlagen, die Stahlreinigung gemäss der Erfindung in Anwendung auf das Stranggiessen von Stahl durchzuführen. Die Zugabe der festen Schlacke soll dabei kontinuierlich im Tundish erfolgen. Die Höhe des Tundish soll grösser als sein Durchmesser sein, vorzugsweise etwa gleich dem dreifachen Durchmesser. Der Tundish soll auch so ausgerüstet sein, dass ein Überlaufen der durchgewirbelten und gegebenenfalls aufgeschmolzenen Schlacke ermöglicht wird.
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Die Zugabe der festen Schlacke darf erst nach einem teilweisen Füllen des Tundish erfolgen, um eine völlige Separierung der Schlacke von dem flüssigen Stahl im Tundish zu gewährleisten. Es ist von Vorteil, das nachfolgende Verteilen des flüssigen Stahles auf die einzelnen Giessstränge und das Giessen selbst unter Schutzgas vorzunehmen, um eine nachfolgende Aufnahme von Gasen wie Sauerstoff und Stickstoff zu vermeiden.
Um die Wirkung von extremen Schlackenzusammensetzungen bei der Durchführung des Verfahrens zu zeigen, seien die beiden folgenden Ausführungsbeispiele aufgeführt : Beispiel l : Es wurde ein titanstabilisierter, austenitischer Stahl der Qualität X 10 CrNiTi 18 9, Werkstoff-Nr. 4541, erschmolzen, u. zw. nach den üblichen Bedingungen in einem 15 Tonnen-Elektroofen. Die Schmelze wurde steigend in Achtergespannen zu 1000 kg-Blöcken vergossen. Nach dem 1.
Gespann wurde ein 1000 kg-Obergussblock mit 10 kg Schlacke folgender Zusammensetzung behandelt :
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<tb>
<tb> SiO <SEP> FeO <SEP> MnO <SEP> CaO <SEP> Al2O3 <SEP> TiO2
<tb> 0/0 <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> 0/0
<tb> 40 <SEP> 3 <SEP> 40 <SEP> 9 <SEP> 4 <SEP> 0, <SEP> 5
<tb>
Diese Schlacke ist mit 43 % (MnO + FeO) leicht reduzierbar und deshalb ungünstig wegen möglicher Reaktionen mit den sauerstoffaffinen Stahlbegleitern.
Die Oberfläche des hergestellten Obergussblockes hatte ein besseres Aussehen als normale Obergussblöcke bei titanstabilisierten Güten.
Tabelle 1
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<tb>
<tb> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> P <SEP> S <SEP> Cr <SEP> Ni <SEP> Ti
<tb> 0/0 <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> ci <SEP> % <SEP> % <SEP> %
<tb> ohne <SEP> Schlacke <SEP> 0, <SEP> 08 <SEP> 0, <SEP> 55 <SEP> 1,22 <SEP> 0, <SEP> 033 <SEP> 0, <SEP> 030 <SEP> 17,40 <SEP> 10, <SEP> 60 <SEP> 0, <SEP> 50
<tb> mit <SEP> Schlacke <SEP> 0. <SEP> 09 <SEP> 0, <SEP> 57 <SEP> 1,30 <SEP> 0, <SEP> 035 <SEP> 0, <SEP> 028 <SEP> 17,60 <SEP> 10,30 <SEP> 0, <SEP> 45
<tb>
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Der Ti-Verlust betrug trotz des hohen (MnO + FeO)-Gehaltes nur 10 lu. Damit ist der C-Gehalt des Ober- gussblockes noch voll an Ti abgebunden.
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Produktion im Unterguss. Ein Vergleich der Stufenhobelproben an Platinen zeigte folgendes Bild : normal erfindungsgemäss mit Schlacke
1.
Stufe : einzelne Zeilen, einwandfrei 5 - 20 mm lang
2. Stufe : viele feine Zeilen einwandfrei
3. Stufe : viele stärkere Zeilen einige feine Zeilen im Kern im Kern
Entsprechend war auch der Aufwand beim Sturzenschleifen der vorgesturzten Platinen : normal mit Schlacke
Alle Sturzen allseitig nur etwa die Hälfte der Sturzen örtlich geschliffen geschliffen
Die Bleche waren aus beiden Chargenteilen in Ordnung.
Beispiel 2 : Es wurde titanstabilisierter, austenitischer Stahl der Qualität X 10 CrNiTi 18 9, Werkstoff-Nr. 4541, erzeugt. Das Erschmelzen erfolgte nach den üblichen Bedingungen im 15 Tonnen-Elektroofen. Die Schmelze wurde steigend in Achtergespannen zu 1000 kg-Blöcken vergossen. Das zweite Gespann wurde in einem Spezialtrichter mit Schlacke behandelt. Die zugegebene Schlacke war ein Gemisch aus 62 % granulierter, geglühter Hochofenschlacke und 38 % Silbersand (SiOz)'
Die Analyse der Hochofenschlacke war folgende :
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<tb>
<tb> SiOz <SEP> CaO <SEP> AlPs <SEP> S <SEP> MgO
<tb> % <SEP> % <SEP> ufo <SEP> % <SEP> %
<tb> 33 <SEP> 43 <SEP> 15 <SEP> 1,9 <SEP> 3, <SEP> 5
<tb>
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Etwa 60 kg des Schlackengemisches wurden während des Vergiessens kontinuierlich in den Spezialtrichter. zugegeben.
Nach dem Vergiessen wurde die Restschlacke des Spezialtrichters auf Ti-Verbindun-
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<tb>
<tb> % <SEP> TiO2und <SEP> 4,C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> P <SEP> S <SEP> Cr <SEP> Ni <SEP> Ti
<tb> 0/0 <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> 0/0
<tb> ohne <SEP> Schlacke <SEP> 0, <SEP> 06 <SEP> 0, <SEP> 64 <SEP> 1, <SEP> 22 <SEP> 0, <SEP> 034 <SEP> 0, <SEP> 019 <SEP> 17, <SEP> 70 <SEP> 10,70 <SEP> 0, <SEP> 40
<tb> mit <SEP> Schlacke <SEP> 0, <SEP> 07 <SEP> 0, <SEP> 73 <SEP> 1,21 <SEP> 0, <SEP> 034 <SEP> 0, <SEP> 032 <SEP> 17, <SEP> 70 <SEP> 10, <SEP> 70 <SEP> 0, <SEP> 33
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felung stattgefunden, die aber noch in der Analysengrenze liegt. Der Titanverlust beträgt etwa 20 % und das vorgeschriebene Mindest-Abbindeverhältnis von Ti : C = 5 wird unterschritten.
Deshalb wurde das mit
Schlacke behandelte Gespann besonders genau auf Anfälligkeit gegen interkristalline Korrosion untersucht.
Es wurde jedoch keine Anfälligkeit festgestellt.
Für mit Schlacke behandelte Ti-haltige Stähle sind demnach geringere A bbindungsverhältnisse zuläs- sig als bei normaler Erzeugung, offenbar, weil der Ti-Gehalt in einer wirksameren Form als sonst vorliegt.
Titanoxyde und Titannitride sind weitgehend ausgeschwemmt worden. Während die Blöcke ohne Schlakkenbehandlung mit etwa 9 % Spanverlust abgedreht werden mussten, genügte bei den mit Schlacke behandelten Blöcken ein Überschleifen mit 1 - 2 % Metallverlust. Die wirtschaftliche Bedeutung des Verfahrens ist also erheblich.
Die Stufenhobelproben an Platinen zeigten folgenden Befund : ohne Schlacke mit Schlacke
1. Stufe: kurze Zeilen, fein einwandfrei, selten feine
Zeilen
2. Stufe : viele feine Zeilen vereinzelt feine Zeilen
3. Stufe : viele mittlere bis viele feine Zeilen, im Kern starke Zeilen im Kern etwas stärker
Die mikroskopische Beurteilung nach Diergarten ergab (Mittelwerte aus 15 Schliffen) : ohne Schlacke mit Schlacke Wertzahl3 Wertzahl 0, 5
Bei der Beurteilung der Sturzen und Bleche, die aus diesen Platinen gefertigt wurden, bestätigten sich obige Befunde.
Bei möglichst neutralen synthetischen Schlacken auf KaIk-Kieselräure-Tonerde-Basis treten die in den Anwendungsbeispielen absichtlich gezeigten ungünstigen Reaktionen, z. B. eine Aufschwefelung, natürlich nicht auf. Die Wirkung auf den Reinheitsgrad ist aber gleich oder besser.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Gussblocken aus Stahl mit sehr hohem Reinheitsgrad bei hohem Ausbringen, dadurch gekennzeichnet, dass derStahl beim Vergiessen mit fester, gekörnter Schlacke innig vermischt wird und mit dieser Schlacke bei ihrer Trennung vom in der Kokille befindlichen, noch schmelzflüssigen Stahl die nichtmetallischen Verbindungen, die durch die Kühlwirkung der Schlacke verstärkt ausgeschieden werden, ausgewaschen werden.