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Verfahren und Induktionstiegelofen zum Schmelzen von Eisenwerkstoffen und zur Behandlung derselben mit kugelgraphiterzeugenden Zusatzstoffen oberhalb der Schmelztemperatur
Die industrielle Erzeugung von Eisenwerkstoffen mit Kugelgraphit erfolgt in zwei Verfahrensstufen, diese bestehen einerseits im Erschmelzen des Basismetalls und anderseits in seiner Behandlung mit solchen metallischen Zusätzen, die eine Ausscheidung des Graphits in kugeliger Form bewirken.
Zum Herstellen der Basismetallschmelze dienen Kupolöfen, Lichtbogenöfen oder Induktionsöfen, während die Behandlung mit den kugelgraphitbildenden Zusätzen entweder in Giesspfanne oder in speziell für diese Zwecke gebauten Gefässen - eventuell unter Druck-vorgenommen wird. Die Behandlung wird durch Tauchen oder sonstiges Einbringen der festen oder flüssigen Zusatzstoffe bzw. durch blosses Auffliessenlassen der Basisschmelze auf die vorgelegten Zusatzstoffe ausgeführt. Auf die Behandlung folgt nach dem Abschlacken eine Impfung und anschliessend das Vergiessen.
Alle diese Massnahmen benötigen meistens, ausser den zwei genannten Aggregaten, nämlich dem Schmelz- und dem Behandlungsgefäss, noch zusätzliche Einrichtungen oder Vorbereitungsarbeiten, die die Erzeugung von Eisenwerkstoffen mit Kugelgraphit zu einem umständlichen Verfahrensgang machen.
Man kann zwar auch Sphäroguss mit Hilfe von Nickel-Magnesium herstellen, ohne zusätzliche Einrichtungen oder Vorbereitungsarbeiten zu benötigen, gegen dieses Verfahren spricht jedoch, dass die Ni-Mg-Legierung sehr teuer und ein Ni-Gehalt im Endprodukt vielfach unerwünscht ist.
Die Erfindung hat nun ein Verfahren zum Schmelzen von Eisenwerkstoffen und zur Behandlung derselben mit kugelgraphiterzeugenden Zusatzstoffen oberhalb der Schmelztemperatur, bei welchem der Eisenwerkstoff in einem Induktionstiegelofen oder in einem andern Ofen aufgeschmolzen wird, zum Gegenstand und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Induktionstiegelofen, in dem der aufgeschmolzene Eisenwerkstoff in an sich bekannter Weise auf die gewünschte Zusammensetzung und Endtemperatur gebracht wird, eine beliebige z. B. eine saure Zustellung aufweist und dass während der im gleichen Ofen erfolgenden Behandlung mit kugelgraphiterzeugenden Zusatzstoffen zur Ausnutzung des elektromagnetischen Rühreffektes dem Ofen Energie mit einer Frequenz bis zu 10 kHz, vorzugsweise mit Netzfrequenz, derart zugeführt wird, dass sich eine Badkuppe ausbildet.
Es ergeben sich folgende Vorteile :
1. Das bisher in manchen Fällen notwendige besondere Behandlungsgefäss entfällt.
2. Alle Einrichtungen zur Einbringung der kugelgraphiterzeugenden Zusatzstoffe und zur Durchmischung der Schmelze sind überflüssig.
3. Die Intensität der Durchmischung ist bequem regelbar.
4. Der Zeitbedarf für die Einbringung der kugelgraphiterzeugenden Zusatzstoffe ist sehr viel
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geringer als bei den meisten bisher üblichen Verfahren.
5. Der sonst durch das Eingiessen in ein Behandlungsgefäss, durch die Behandlung selbst und das anschliessende Abschlacken eintretende Temperaturabfall tritt nicht ein, da ein Umgiessen nicht erforderlich ist und die Schmelze während des Einrührens beheizt wird.
6. Hohes Ausbringen bei den zugesetzten, kugelgraphiterzeugenden Zusatzstoffen.
Als Ofentype empfiehlt sich die Verwendung eines kernlosen Induktionsofens, der mit Netzfrequenz oder mit Mittelfrequenz bis 10 kHz zu betreiben ist.
Die als wesentlich für die Durchführung des Verfahrens erkannte Badbewegung lässt sich beim Induktionsofen auf folgende Arten beeinflussen :
1. Durch die Frequenzwahl ; je kleiner die Frequenz, desto intensiver der Rühreffekt,
2. durch die zugeführte Leistung ; regelbar durch die Spulenanzapfung (Änderung der Zahl der stromdurchflossenen Windungen) oder über einen Regeltransformator,
3. durch die Beschickungsmenge ; durch Unterbeschickung nimmt der Rühreffekt innerhalb gewisser Grenzen zu und umgekehrt,
4. durch Änderung der Spulenanzapfung gemäss Fig. 1 bei gleichbleibender Zahl der stromdurchflossenen Windungen (aufgenommene elektrische Leistung bleibt etwa konstant) ;
bei Anschluss der In- duktionsspule --1-- über die Anschlüsse-2, 21-ist der Rühreffekt stärker als bei Anschluss an-3, 31--.
Eine ähnliche Wirkung ergibt sich bei einer Anordnung gemäss Fig. 2, bei welcher sich der Spiegel des Schmelzbades etwa in Höhe des Anschlusses --5-- befindet. Bei Anschluss der Induktionsspule-l- an --4 und 5-- ist der Rühreffekt stärker als bei Anschluss an --4 und 6--, obwohl die aufgenommene elektrische Leistung bei Anschluss an-4 und 5-kleiner ist als bei Anschluss an --4 und 6--. Die Verminderung der Leistung ist meist kein Nachteil, sondern erwünscht, weil dadurch eine Überhitzung der Schmelze vermieden wird.
Als Mass für die Badbewegung dient die Höhe der Badkuppe--h--. Dieser Wert ergibt sich aus der Beziehung
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dem vom Strom durchflossenen Teil der Spule zu verstehen. Mit-hth-ist die theoretisch errechnete Höhe der Badkuppe bezeichnet. Sie wird nach der bekannten Formel, s. z. B. Esmarch,"Wissenschaftli - che Veröffentlichungen" aus den Siemenswerken, Band 1 [1931], Heft 2, S.193, und "Siemens-Tech- nische-Berichte"Jhg. 11 [1959] April-Heft,
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bestimmt.
In dieser Formel (2) bedeuten : hth.. theoretische Höhe der Badkuppe in cm p... spezifischer elektrischer Widerstand der Schmelze in Q mm2/m f... verwendete Wechselstromfrequenz l/s W2... die der Schmelze zugeführte elektrische Wirkleistung in kW ohne jegliche Verluste, wie
Spulenverluste, Jochverluste, Kondensatorenverluste u. dgl. und ohne die vom Tiegel aufgenommene elektrische Wirkleistung, A... Fläche der Energieübertragung, innerhalb welcher sich stromdurchflossener Teil der Spule und Schmelzbad gegenüberliegen.
A = tr. d. H in m2, worin d der Baddurchmesser und H die Höhe des Zylindermantel ist. y... spez. Gewicht der Schmelze in kp/dm3.
Die Fig. 3 zeigt die Verhältnisse.
Falls der Badspiegel tiefer liegt als die Oberkante des stromdurchflossenen Teiles der Spule ist h = hth zu setzen. Für diesen Fall ist zu beachten, dass die Fläche A in Formel (2) kleiner ist als bei einer
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Der Grund, warum die Höhe der Badkuppe als Mass für die Badbewegung in einem beliebigen Induktionstiegelofen gelten kann, ist leicht einzusehen : Unter der Wirkung der elektromagnetischen Kraft kommt es zu einer Strömung des flüssigen Eisens im Bad in Richtung zum Scheitelpunkt der Badkuppe.
Nach Erreichen derselben strömt das Eisen nach allen Seiten ab. Die dabei erreichte maximale Geschwindigkeit hängt wesentlich von der Höhe der Badkuppe ab. Da die Zusatzstoffe zum Eisenwerkstoff an der Badoberfläche beigemengt werden, ist der Rühreffekt umso wirksamer, je höher die Geschwindigkeit, d. h. je höher die Badkuppe --h-- ist.
Tabelle I zeigt an einem Beispiel den Einfluss der Badbewegung. Dabei ist als Mass für den Effekt der Wirkstoffeinbringung die Dehnung des Werkstoffes im Gusszustand gewählt, die sich ergibt, wenn man mit manganarmem Einsatz arbeitet, dadurch treten die Unterschiede klarer hervor als bei der Bestimmung des Wirkstoffgehaltes, der Graphitausbildung oder der Schallgeschwindigkeit.
Das Ergebnis
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sprechenden Wärmebehandlung.)
Tabelle I
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<tb>
<tb> Netzfrequenzofen <SEP> (basische <SEP> Zustellung) <SEP> : <SEP> Leistung <SEP> 130-140 <SEP> kW
<tb> Inhalt <SEP> 229 <SEP> - <SEP> 426 <SEP> kg
<tb> Zugabe <SEP> an <SEP> Wirkstoff <SEP> Badbewegung
<tb> (Mg <SEP> + <SEP> SE) <SEP> schwach <SEP> mittel <SEP> stark <SEP>
<tb> in% <SEP> 6 <SEP> h <SEP> 6 <SEP> h <SEP> 6 <SEP> h
<tb> (Korngrösse <SEP> 20 <SEP> - <SEP> 30 <SEP> mm) <SEP> % <SEP> cm <SEP> % <SEP> cm <SEP> % <SEP> cm <SEP>
<tb> 0, <SEP> 060 <SEP> 7, <SEP> 9-3, <SEP> 83 <SEP> 5, <SEP> 7 <SEP> 2, <SEP> 72 <SEP> 9, <SEP> 8 <SEP> 11, <SEP> 90 <SEP>
<tb> 0,113 <SEP> 8, <SEP> 6 <SEP> -2, <SEP> 13 <SEP> 12,3 <SEP> 4,02 <SEP> 24,0 <SEP> 13,05
<tb> 0,166 <SEP> 12, <SEP> 6 <SEP> -0, <SEP> 13 <SEP> 19,0 <SEP> 6,02 <SEP> 20,7 <SEP> 14,20
<tb> 0, <SEP> 220 <SEP> 12, <SEP> 9 <SEP> 1,
<SEP> 47 <SEP> 22, <SEP> 3 <SEP> 8, <SEP> 02 <SEP> 28, <SEP> 4 <SEP> 15, <SEP> 65 <SEP>
<tb>
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von 0, 310/0 Mg einen Dehnungswert von 24, 9% ergibt.
Die Korngrösse der üblicherweise benutzten Legierungen musste bisher dem jeweiligen Behandlungs- verfahren angepasst werden ; so konnte man beim Tauchverfahren nur grobstückiges Material, beim
Einblasen nur feines Material verwenden. Beim erfindungsgemässen Verfahren ist man von der Korn- grösse weitgehend unabhängig. Wie das Beispiel nach Tabelle II zeigt, ist bei Stückgrössen von 20 bis
30 mm und 80 bis 120 mm der Effekt gleichbleibend gut, bei einer Korngrösse von 0,6 bis 3 mm nur wenig geringer.
Tabelle II
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<tb>
<tb> Einfluss <SEP> der <SEP> Korngrösse <SEP> auf <SEP> die <SEP> erzielten <SEP> Dehnungswerte
<tb> Zugabe <SEP> an <SEP> Wirkstoff <SEP> Korngrösse <SEP> in <SEP> mm
<tb> (Mg <SEP> + <SEP> SE <SEP> in <SEP> 0/0) <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> - <SEP> 3 <SEP> 20 <SEP> - <SEP> 30 <SEP> 80 <SEP> - <SEP> 120
<tb> 0, <SEP> 060 <SEP> 7, <SEP> 3% <SEP> 9, <SEP> 8% <SEP> 11, <SEP> 0% <SEP>
<tb> 0, <SEP> 113 <SEP> 13, <SEP> 0% <SEP> 24, <SEP> 00/0 <SEP> 25, <SEP> 4% <SEP>
<tb> 0,166 <SEP> 19, <SEP> OU/o <SEP> 20, <SEP> 7% <SEP> 24, <SEP> 7%
<tb> 0, <SEP> 220 <SEP> 22, <SEP> wo <SEP> 28,4% <SEP> 20, <SEP> 6%
<tb>
PATENTANSPRÜCHE :
1.
Verfahren zum Schmelzen von Eisenwerkstoffen und zur Behandlung derselben mit kugelgraphiterzeugenden Zusatzstoffen oberhalb der Schmelztemperatur, bei welchem der Eisenwerkstoff in einem Induktionstiegelofen oder in einem andern Ofen aufgeschmolzen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h net, dass der Induktionstiegelofen, in dem der aufgeschmolzene Eisenwerkstoff in an sich bekannter Weise auf die gewünschte Zusammensetzung und Endtemperatur gebracht wird, eine beliebige z. B. eine saure Zustellung aufweist und dass während der im gleichen Ofen erfolgenden Behandlung mit kugelgraphiterzeugenden Zusatzstoffen zur Ausnutzung des elektromagnetischen Rühreffektes dem Ofen Energie mit einer Frequenz bis zu 10 kHz, vorzugsweise mit Netzfrequenz, derart zugeführt wird, dass sich eine Badkuppe ausbildet.