AT312832B

AT312832B - Verfahren und Vorrichtung zum Verhindern von Kernfehlern in metallischen Gußblöcken, insbesondere Stahlblöcken

Info

Publication number: AT312832B
Application number: AT488170A
Authority: AT
Original assignee: Reisholz Stahl & Roehrenwerk
Priority date: 1970-06-01
Filing date: 1970-06-01
Publication date: 1974-01-25

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verhindern von Kernfehlern in metallischen Gussblöcken, insbesondere Stahlblöcken, bei dem in das flüssige Metall in der Kokille vom Giessbeginn bis zum Erstarren ein
Gas eingeblasen und ein Feststoffpulver zugeführt wird.

Metallische Gussblöcke, insbesondere Stahlblöcke neigen zu Kernfehlern, d. h. im Kern des Blockes kon- zentrieren sich beim Erstarren in der Kokille Fehler, die vor allem durch oxydische und nichtmetallische Ein- schlüsse in Poren und Lunkerhohlräumen bedingt sind, während der Block in der Randzone eine gute Qualität be- sitzt. Poren und Lunkerhohlräume selbst stellen keine Fehler dar, wenn ihre Oberfläche sauber, d. h. frei von
Verunreinigungen ist, so dass sie durch Verschweissen des umgebenden Metalls beim Walzen oder Schmieden wieder verschwinden. Bei technischen Schmelzen kommen jedoch Poren und Lunkerhohlräume mit sauberer
Oberfläche praktisch nicht vor, da das Erstarren eines Blocks stets mit einer Seigerung verbunden ist, die zum
Abscheiden nichtmetallischer Eisenbegleiter und oxydischerDesoxydationsprodukte führt.

Ausserdem ist der Ver- lauf der Erstarrung im Blockern ungleichmässig, so dass sich häufig im bereits erstarrten Metall noch Flüssig- keitsinseln befinden, die mit der übrigen Schmelze nicht mehr in Verbindung stehen und an Seigerungsproduk- ten, insbesondere Desoxydationsprodukten angereichert sind. Beim Erstarren dieser Flüssigkeitsinseln bilden sich dann Poren und Lunkerhohlräume, in welchen die nichtmetallischen Eisenbegleiter und Desoxydationsprodukte in fester Phase ausgeschieden sind.

Um die insbesondere bei schweren Schmiedeblöcken und hochlegierten Stählen häufig auftretenden Kern- fehler zu beseitigen, wurde bereits vorgeschlagen, die Schmelze in der Kokille vom Giessbeginn bis zum Er- starren mit neutralen oder reduzierenden, in der Schmelze unlöslichen Gasen zu behandeln. Als Behandlungs- gase kommen bei diesem bekannten Verfahren Argon, Stickstoff und Kohlenoxyd zur Verwendung, die von un- ten her in das in der Kokille befindliche Metall eingeblasen werden. Bei diesem Verfahren kommt es jedoch sehr darauf an, wie das Gas in die Schmelze eingeblasen wird. Eine wesentliche Verbesserung der Blockstruktur ergibt sich nämlich nur dann, wenn das Gas in feiner und möglichst gleichmässiger Verteilung über den Block- querschnitt eingeblasen wird.

Im Vakuum ist dieses Verfahren jedoch wegen der ausserordentlich starken Expan- sion-des Gases nicht anwendbar, da mit der Expansion eine Durchwirbelung der Schmelze verbunden ist, die da- zu führt, dass der Blockschaum, d. h. die auf der Schmelze schwimmende Schlacke, in die Schmelze eingesaugt wird. Auf diese Weise entstehen oxydische Einschlüsse im Block, die sich unangenehm bemerkbar machen.

Es wurde auch bereits ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem einem Gasstrom zur Kühlung und Keimbildung in der Schmelze Feststoffpulver zugemischt werden und der Gasstrom als Trägergas für die Feststoffe dient (deut- sche Auslegeschrift 1226748). Bei diesem bekannten Verfahren wird ausserhalb der Kokille und ausserhalb der Schmelze eine Feststoff/Gas-Suspension erzeugt, die alsdann in die Kokille bzw. in die Kokillenschmelze eingeblasen wird.

Dieses bekannte Verfahren bringt jedoch eine Reihe von praktischen Schwierigkeiten mit sich, vor allem Probleme der Fluidisierung einschliesslich der Gefahr einer Sedimentation, die insbesondere an den Umlenkungsstellen der Rohrleitung zum Kokillenfuss besteht. Durch Sedimentation kann es leicht zu einem Verstopfen der Zuleitung oder auch des Einleitungssystems kommen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, eine weitere Verbesserung der Blockstruktur durch Verstärkung der kühlenden und keimbildendenwirkung des Gases zu erreichen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Verhindern von Kernfehlern in metallischen Gussblöcken, insbesondere Stahlblöcken, bei dem in dem flüssigen Metall in der Kokille von Giessbeginn bis zum Erstarren ein Gas und ein Feststoffpulver verteilt werden, vorgeschlagen, bei welchem Verfahren erfindungsgemäss das Feststoffpulver vor dem Vergiessen in die Kokille eingebracht wird und das Gas das Feststoffpulver in dem flüssigen Metall fein und gleichmässig verteilt.

Als Feststoffpulver sind beispielsweise Silizium, Aluminium, Kohlenstoff, Titan, Vanadin, Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel, Niob, Molybdän, Cer, Tantal, Wolfram und insbesondere Mangan, sowie wegen ihres hohen Dampfdruckes Lithium, Magnesium und Kalzium oder leicht reduzierbare Metalloxyde geeignet.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemässenverfahrens besteht darin, dass einige der oben erwähnten, mit dem Behandlungsgas in der Schmelze verteilten Feststoffe eine hohe Schmelz- und Lösungswärme besitzen und der Schmelze daher örtlich Wärme entziehen. Ausserdem wirken die Feststoffpartikel als Primärkeime, welche das Abscheiden der nichtmetallischen und oxydischen Eisenbegleiter aus der beim Erstarren stark übersättigten Schmelze wesentlich erleichtern. Die mit dem Gas erreichbare feine Verteilung der Feststoffpartikel in der Schmelze garantiert ein ebenso feines Ausscheiden der Eisenbegleiter, so dass die nach dem erfindungsgemässen Verfahren behandelten Blöcke frei von makroskopischen Fehlern sind.

Durch zahlreiche Versuche konnte festgestellt werden, dass zwischen den Viskositäten der sich auf der Blockoberfläche abscheidenden Schlacke, d. h. des Blockschaumes, und der Schmelze sowie der Feinkörnigkeit des Gussgefüges bzw. der Blockqualität ein bestimmter Zusammenhang besteht. Ausserdem wurde festgestellt, dass auch Stähle mit verhältnismässig hohem Sauerstoffgehalt dann fehlerfreie Blöcke ergeben, wenn sich der Sauerstoff im Block in homogener Verteilung befindet. Um diesen Erkenntnissen Rechnung zu tragen, wird das erfin- dungsgemässeverfahren vorzugsweise so durchgeführt, dass mit dem Gas ein Flussmittel in der flüssigen Schmelze verteilt wird.

Als Flussmittel kommen dabei alle in der Hüttentechnik gebräuchlichen Flussmittel in Frage,

sofern sie nicht selbst zu einer Verunreinigung der zu behandelnden Schmelze führen. Insbesondere sind jedoch die neutralen Flussmittel wie Flussspat und Borax oder auch basische Flussmittel wie Soda und Eisenoxyd geeig- net.

Vorzugsweise wird mittels des Gases in der Schmelze ein körniger oder pulverförmiger Feststoff verteilt, der aus Flussmittel, Schlackenbildnern. und Metall, beispielsweise aus Kalziumfluorid (Cal; ), Kalziumoxyd (CaO) und Glas sowie Metall, beispielsweise Mangan besteht.

Als Behandlungsgas eignen sich insbesonders inerte Gase, wie Argon, dem Sauerstoff und/oder Kohlendi- oxyd beigemischt werden kann. Enthält das Gas freien oder gebundenen Sauerstoff, so kommt es in der Schmelze zu einer örtlichen Oxydation des Eisens und seiner Begleiter und damit zu einer Bildung von Metalloxyden, ins- besondere Eisen-und Manganoxyd, die in der Schmelze als Flussmittel fungieren. Dies ist von besonderem Vor- teil, weil die verhältnismässig starke Sauerstoffkonzentration zu einer örtlichen Sauerstoffübersättigung und da- mit zur schnellen Bildung von Keimen führt, welche das anschliessende Ausscheiden der in übersättigter Lösung befindlichen Oxyde wesentlich erleichtert. Ausserdem vermindert das Flussmittel die Grenzflächenspannung Me- tall/Oxyd, wodurch die Ausscheidung gelöster Oxyde wesentlich erleichtert wird.

Bei der praktischen Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens hat sich gezeigt, dass sich hervorragen- de Ergebnisse erzielen lassen, wenn sich der Feststoff in einem durch das flüssige Metall zerstörbaren Behälter beispielsweise aus gelochtem Blech befindet. In diesem Falle löst die Schmelze den Behälter und den darin enthaltenen Feststoff auf, der dann durch das mittels der Düse unmittelbar unterhalb des Behälters eingeleitete Gas gleichmässig und fein in der Schmelze verteilt wird. Versuche haben ergeben, dass sich mit einem Feststoffzusatz von 20 bis 500 g/t Stahl und einer Gasmenge von 15 bis 25 Nl/t bei Behandlung unter Atmosphärendruck und 5 bis 15 Nl/t im Vakuum hervorragende Ergebnisse erzielen lassen.

Im Einzelfall muss das Flussmittel, dessen Menge und das Gas bzw. dessen Menge innerhalb der angegebenen Grenzen unter Berücksichtigung der Giesstemperatur, der Giesszeit und der Zusammensetzung des Stahls bzw. Metalls gewählt werden.

Besondere Bedeutung kommt dem Feststoff-, insbesondere dem Flussmittelzusatz zu, wenn das erfindungs- gemässe Verfahren im Vakuum durchgeführt wird. Für den Erfolg des erfindungsgemässen Verfahrens kommt es nämlich wesentlich darauf an, dass ein Durchwirbeln der Schmelze in der Kokille vermieden wird. Demzufolge muss die Gasmenge im Vakuum entsprechend dem niedrigen Druck über der Schmelze stark verringert werden.

So darf die Gasmenge beim Behandeln einer Schmelze im Vakuum etwa 15 Nl/t Stahl nicht übersteigen, wogegen bei einer Behandlung unter Atmosphärendruck Gasmengen bis zu 50 Nl/t zulässig sind. Der an sich naheliegende Gedanke, die Gasmenge entsprechend der Gasexpansion infolge des Unterdrucks zu verringern, lässt sich jedoch nicht verwirklichen, weil die dann noch verbleibende Gasmenge zu gering ist, um die erforderliche Kühlwirkung und Keimbildung in der Schmelze zu erreichen.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren tritt nun der Feststoff bzw. das Flussmittel an die Stelle eines Teiles des Behandlungsgases, so dass sich trotz der geringenGasmenge von nur 5 bis 15 Nl/t Stahl infolge der durch den Feststoff in der Schmelze hervorgerufenen Fremdkeime die gewünschte Strukturverbesserung des Blocks ergibt. Wegen der verhältnismässig geringen Gasmenge kommt es somit nicht zu einerunerwünschtenDurchwirbelung der Schmelze, so dass auch die Gefahr eines Einsaugens des Blockschaumes in die Schmelze nicht besteht.

Im Rahmen eines Versuches wurde eine 100 t-Schmelze der Zusammensetzung :
EMI2.1

<tb>
<tb> 0, <SEP> 30% <SEP> Kohlenstoff,
<tb> 0, <SEP> 40% <SEP> Silizium,
<tb> 0, <SEP> 60% <SEP> Mangan,
<tb> 1,5 <SEP> % <SEP> Chrom,
<tb> 0, <SEP> 551o <SEP> Molybdän,
<tb> 2, <SEP> 1 <SEP> Nickel,
<tb> Rest <SEP> Eisen
<tb>
nach dem erfindungsgemässenverfahren behandelt. Die Schmelze wurde aus einer Pfanne-l-in eine Kokille - vergossen, die sich in einem mit einem Deckel-3-versehenen Vakuumbehälter-4--befand. Am Fusse der Kokille befand sich eine aus zwei ineinander geschraubten Teilen-5 und 6-bestehende und mit Radialbohrungen --7-- versehene Gasdüse, deren Zuleitungskanal-8-über eine Leitung --9-- mit einem nicht dargestellten Gasbehälter in Verbindung stand.

Auf der Gasdüse befand sich ein aus Lochblech bestehender, den Feststoff enthaltender Behälter --10--.

In der Schmelze wurden 450 g/t einer Feststoffmischung aus Flussspat, weichgebranntem Kalk, Glaspulver und Ferromangan mit 801o Mangan verteilt.

Die vorerwähnte Mischung besitzt einen niedrigen Schmelzbereich von etwa 1100 bis 13000C und wird von der mit etwa 1600 bis 16500C vergossenen Stahlschmelze schnell aufgeschmolzen. Die dabei entstehenden Schmelzprodukte besitzen eine gute Benetzbarkeit gegenüber Oxyden, insbesondere Tonerde, die zum Abscheiden der Oxyde in dem Blockschaum führt.

Bei dem Versuch wurden während einer Dauer von insgesamt 17 min 800 Nl (Normalliter) eingeblasen. Im

EMI3.1

EMI3.2

Die Untersuchung von Proben aus dem nach dem erfindungsgemässen Verfahren behandelten Block mittels Ultraschall ergab keinen Ausschuss.

Das erfindungsgemässe Verfahren gestattet es, mit verhältnismässig geringen Gasmengen hochwertige Metallschmelzen sowohl bei Atmosphärendruck als auch im Vakuum mittels körnigen oder pulverförmigen Feststoffen zu behandeln und dabei eineQualitätsverbesserung zu erreichen, die insbesondere zu einer Verminderung des durch Fehler im Blockkern bedingten Ausschusses um etwa 60 bis 850/0 führt. Das auf diese Weise erheblich verbesserte Ausbringen an gutem Material wiegt die Kosten des erfindungsgemässen Verfahrens bei weitem auf.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Verhindern von Kemfehlern. in metallischen Gussblöcken, insbesondere Stahlblöcken, bei dem in dem flüssigen Metall in der Kokille von Giessbeginn bis zum Erstarren ein Gas und ein Feststoffpulver verteilt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Feststoffpulver vor dem Vergiessen in die Kokille eingebracht wird und das Gas das Feststoffpulver in dem flüssigen Metall fein und gleichmässig verteilt.

Claims

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass pro Tonne Stahl 20 bis 500 g Feststoffpulver zugegeben werden. EMI3.3

4. Feststoff zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Flussmittel enthält.

5. Feststoff zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er Eisenoxyd oder andere leicht reduzierbare Metalloxyde enthält.

6. Feststoff zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Flussmittel, Schlackenbildner und Metall enthält.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen den Feststoff enthaltenden, durch das flüssige Metall zerstörbaren und oberhalb einer Gasdüse (5,6) angeordneten Behälter (10).

8. Behandlungsgas zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 unter Verwendung eines Feststoffes nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, d a dur c h g ek e n n z e i c h- net, dass es in an sich bekannter Weise Argon ist.

9. Behandlungsgas nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich das 0, 5 bis 1, 2fache an Sauerstoff und/oder Kohlendioxyd enthält.