Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von schweren Stahlblöcken, z. B. Schmiedeblöcken, mit guten mechanischen Eigenschaften im Innern Es ist bekannt, die Warmhauben von Stahlblöcken nach dem Guss zu beheizen. Durch diese Massnahme wird eine Verringerung der Primärlunker sowie eine Materialersparnis beim verlorenen Kopf angestrebt.
Von der Anmelderin ist bereits vorgeschlagen worden, Blöcke nach dem Vergiessen unter einer Blockkopffeinung zum Erstarren zu bringen. Hierbei wird nach dem Guss des Blockes der flüssige Stahl mit einer oxydarmen, vorzugsweise karbidischen Feinungs- schlacke bedeckt, die mittels eines elektrischen Licht bogens flüssig und reaktionsfähig gehalten wird. Bei der Anwendung der Blockkopffeinung nach vorliegen den Patenten soll die Erstarrung des Blockes möglichst von unten nach oben gerichtet sein.
Die Blöcke zur Herstellung von hochwertigen Schmiedestücken, welche im Innern einwandfreie mechanische Eigenschaften aufweisen sollen, werden zu Blöcken mit einem bestimmten Schlankheitsgrad vergossen. Eine kennzeichnende Verhältniszahl von Länge zum Durchmesser ist hierdurch gegeben. Je kleiner diese Verhältniszahl ist, um so kürzer und dicker ist der Rohblock. Bei einem Block mit kleiner Verhältniszahl liegt der Vorteil darin, dass die Er starrung besser von unten nach oben gerichtet ist und dadurch Verminderung von Lockerstellen im Innern bzw. Verbesserung der mechanischen Eigenschaften im Innern auftreten.
Der Nachteil dieser Blockform ist ein langsameres Erstarren, wobei sich starke Seige- rungen ausbilden, die wieder Verschlechterungen der mechanischen Eigenschaften mit sich bringen. Man hat sich daher bemüht, zur Vermeidung der starken Seigerungen die Verhältniszahl nicht zu klein zu wäh len, und einen entsprechenden Schlankheitsgrad der Blöcke bevorzugt. Wird eine Blockkopfbeheizung nach dem Guss von Blöcken angewandt, so tritt durch die zugefügte Ener gie im oberen Teil des Blockes eine verzögerte Er starrung und damit stärkere Ausbildung von Seige- rungen mit ihren unerwünschten Folgen auf.
Es war daher verständlich, dass sich die Blockkopfbeheizung nicht im erwarteten Umfange bei der Herstellung hochwertiger Schmiedeblöcke einbürgern konnte.
Die Erfindung geht von der Tatsache aus, dass, wenn ein Block aus üblich erschmolzenem Stahl im Vakuum vergossen wird, hierbei wesentliche Bestand teile schädigender Gase, z. B. Wasserstoff um 50%, Sauerstoff um 60% und Stickstoff um 30%, während des Gusses aus dem Stahl herausgezogen werden. Es ist durch die neueste Forschung bekannt, dass gerade diese Gase stark zu Seigerungen neigen und in Ver bindung mit den Seigerungen der anderen Eisen begleiter (Gebiet der Schattenlinien) eine gefürchtete Qualitätsverminderung ergeben.
Es konnte nun fest gestellt werden, dass bei dem niedrigen Gasgehalt die Gase infolge der Vakuumbehandlung kaum noch zu Seigerungen neigen und dass hierdurch die durch den Schwefel- und Phosphorgehalt gekennzeichneten Sei- gerungsgebiete ihre Gefährlichkeit eingebüsst haben.
Bei Anwendung des Vakuumblockgusses kann daher die Blockkopffeinung ohne Gefahrenmomente angewandt werden. Darüber hinaus kann das Verhält nis von Länge zu Breite klein gehalten werden und damit durch wesentliche Vergrösserung des Warm haubenquerschnittes unter Verringerung der Hauben höhe die Angriffsfläche der Blockkopffeinung ver grössert werden.
Hierdurch tritt ebenfalls eine Ver grösserung des Einflussgebietes der Blockkopffeinung auf, wodurch vornehmlich in der Mitte des Blockes die Erstarrung von unten nach oben gelenkt wird und dadurch die Lockerstellen wesentlich verringert wer den. Gleichzeitig sorgt die desoxydierende Reaktion der Schlacke mit dem Stahl dafür, dass oxydische oder sulfidische Bestandteile durch die Reaktion ihres nichtmetallischen Charakters enthoben und damit unschädlich gemacht werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch ge kennzeichnet, dass ein Block von 25 bis zu mehreren Hundert Tonnen Gewicht durch Einlaufenlassen eines Giessstrahles in eine Stahlwerkkokille mit einem Grö ssenverhältnis der Länge zur lichten Weite kleiner als 1,6 gegossen wird, wobei die Kokille sich in einem Unterdrucksraum befindet, in dem ein absoluter Druck zwischen 30 und 0,1 Torr. herrscht,
sodann nach Beendigung des Giessens und der Vakuum behandlung der flüssige Stahl mit einer schwer metalloxydarmen desoxydierenden Feinungsschlacke bedeckt und unter Aufrechterhaltung der desoxydie- renden Eigenschaften der Schlacke eine Blockkopf beheizung mittels Lichtbogens vorgenommen, bei der die zugeführte Energie so hoch bemessen wird, dass eine allmähliche Erstarrung der Blöcke von unten nach oben stattfindet, wobei über der Schlacke und dem Lichtbogen ein Luftabschluss vorgesehen wird.
Zu den einzelnen Massnahmen sei folgendes be merkt: Durch das Giessen im Vakuum bei Drücken zwi schen 30-0,l Torr. wird der grösste Teil der schäd lichen Gase aus dem Stahl herausgeholt, so dass eine langsame Erstarrung im Blockkopf keine schädlichen Seigerungsgebiete ergibt. Werden Drücke über 30 Torr. angewandt, so ist der Gasentzug nicht mehr gross genug, um die erwähnte Wirkung zu erzielen. Bei Drücken unter 0,1 Torr. wird der Guss derart un ruhig, dass mit einem guten Schmiedeverhalten nicht mehr gerechnet werden kann.
Bei schweren Blöcken von etwa 25 bis zu meh reren Hundert Tonnen Gewicht wird durch eine Ver hältniszahl Länge zum Durchmesser des Blockes klei ner als 1,6 ein grosser Haubenquerschnitt erzielt, der eine grosse Reaktionsfläche des Stahles mit der Schlacke gewährleistet und gleichzeitig durch tiefes Eindringen der Wärme in das Blockinnere die Len kung der Erstarrung von unten nach oben günstig beeinflusst. Bei einer grösseren Verhältniszahl wird die Länge so gross, dass die zugeführte Wärme der Blockkopfbeheizung nicht in der Lage ist, die Er starrung von unten nach oben zu beeinflussen.
Die nach Beendigung des Gusses auf den flüssi gen Stahl aufgegebene schwermetalloxydarme desoxy- dierende Feinungsschlacke sorgt für die Beseitigung der nach oben hin entstehenden nichtmetallischen Ein schlüsse. Durch laufende Zugabe desoxydierender Mittel, wie Kohlenstoff, Silizium oder Aluminium, kann der reduzierende Charakter der Schlacke bei behalten werden.
Die Blockkopfbeheizung wird zweckmässig nach Aufgabe der Schlacke mittels eines gleichmässig bren nenden elektrischen Lichtbogens über einen Zeitraum vom Ende des Giessens bis zweckmässig mindestens zur Erstarrung des guten Blockteiles vorgenommen. Bei Blöcken für schwere Schmiedestücke wird zweck mässig eine Energie grösser als 30 KWh je Tonne Stahl zugeführt. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Erstarrung von unten nach oben verläuft. Bei Anwendung geringerer Energie kann es zur Brücken bildung im Innern des Blockes kommen.
Zur Aufrechterhaltung einer desoxydierenden Schlacke wird ein Luftabschluss über der Schlacke und dem Lichtbogen vorgesehen.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfin dungsgemässen Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen Luftabschlussdeckel mit feuerfestem Belag über der Kokille. Der Deckel besteht vorzugsweise aus ge mauerten feuerfesten Steinen. Der Deckel kann ein Kontrolloch aufweisen, das auch als Zugabeöffnung für Schlackenbildner dienen kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an hand der Zeichnung eingehender erläutert.
In dieser bedeutet 1 den Unterdruckraum mit seinen Dichtungsorganen 2. In diesem Raum befindet sich die Busseiserne Kokille 3. Auf der Kokille 3 steht die Warmhaube 4 mit einer wärmeisolierenden feuerfesten Auskleidung 5. Der Stahl 6 ist bereits in die Kokille 3 und in den unteren Teil der Warmhaube 4 unter Einwirkung von Vakuum eingegossen worden. Nun wird das Vakuum aufgehoben und ein (nicht ge zeichneter) Deckel des Unterdruckraumes 1 abgenom men. Auf die Warmhaube 4 wird ein aus feuerfesten Steinen gewölbt gemauerter Deckel 7 aufgesetzt, wel cher den Inhalt gegen Luft abschliesst. Dieser gewölbte Deckel 7 hat in seiner Mitte eine Öffnung 8, durch welche die Elektrode 9 eingeführt ist.
Auf die Stahl oberfläche wurde eine desoxydierende Feinungs- schlacke aufgegeben. Hierauf wird der Lichtbogen 11 gezündet und laufend über der Schlacke gefahren. Durch eine verschliessbare (Verschluss nicht gezeich net) Öffnung 12 kann der Zustand der Schlacke über wacht werden. Eventuell erforderliche Zugaben zur Aufrechterhaltung der desoxydierenden Eigenschaf ten können ebenfalls durch die Öffnung 12 zugegeben werden.
Method and apparatus for the production of heavy steel blocks, e.g. B. Forging blocks, with good mechanical properties inside. It is known to heat the hot hoods of steel blocks after casting. This measure aims to reduce the number of primary cavities and to save material in the case of the lost head.
It has already been proposed by the applicant to solidify blocks after they have been cast by refining the block head. Here, after the ingot has been cast, the liquid steel is covered with a low-oxide, preferably carbidic, fine slag, which is kept liquid and reactive by means of an electric arc. When using the block head refinement according to the patents available, the solidification of the block should be directed from bottom to top as possible.
The blocks for the production of high-quality forgings, which should have perfect mechanical properties inside, are cast into blocks with a certain degree of slenderness. This gives a characteristic ratio of length to diameter. The smaller this ratio, the shorter and thicker the ingot. In the case of a block with a small ratio, the advantage is that the stiffening is better directed from the bottom to the top, thereby reducing looseness inside and improving the mechanical properties inside.
The disadvantage of this block form is that it solidifies more slowly, with strong segregations forming, which in turn lead to deterioration in the mechanical properties. Efforts have therefore been made not to select the ratio too small in order to avoid the strong segregation, and preferred a corresponding slenderness of the blocks. If block head heating is used after blocks have been cast, the added energy in the upper part of the block causes delayed solidification and thus stronger formation of segregations with their undesirable consequences.
It was therefore understandable that the block head heating could not be used to the expected extent in the manufacture of high-quality forged blocks.
The invention is based on the fact that when a block of customary melted steel is cast in a vacuum, this essential constituent parts of harmful gases, eg. B. Hydrogen by 50%, oxygen by 60% and nitrogen by 30%, can be pulled out of the steel during casting. It is known from the latest research that these gases in particular have a strong tendency to segregate and, in conjunction with the segregation of the other iron components (area of the shadow lines), result in a dreaded reduction in quality.
It has now been established that with the low gas content, the gases hardly tend to segregate anymore as a result of the vacuum treatment and that the segregation areas characterized by the sulfur and phosphorus content have lost their danger.
When using vacuum block casting, block head refinement can therefore be used without any risk of danger. In addition, the ratio of length to width can be kept small and thus the area of attack of the block head refinement can be increased by significantly increasing the warm hood cross-section while reducing the hood height.
This also results in an enlargement of the area of influence of the block head refinement, whereby the solidification is primarily directed from bottom to top in the middle of the block and thus the looseness is significantly reduced. At the same time, the deoxidizing reaction of the slag with the steel ensures that oxidic or sulphidic components are removed from their non-metallic character through the reaction and thus rendered harmless.
The method according to the invention is characterized in that a block of 25 to several hundred tons in weight is cast by letting a casting jet run into a steelworks mold with a size ratio of the length to the clear width less than 1.6, the mold being in a vacuum chamber located in which an absolute pressure between 30 and 0.1 Torr. prevails,
Then after the casting and the vacuum treatment have ended, the liquid steel is covered with a deoxidizing fine slag that is poor in metal oxide and, while maintaining the deoxidizing properties of the slag, the block head is heated by means of an electric arc, in which the energy supplied is so high that it gradually solidifies of the blocks takes place from bottom to top, with an air seal being provided over the slag and the arc.
The following should be noted about the individual measures: By casting in a vacuum at pressures between 30-0.1 Torr. the majority of the harmful gases are extracted from the steel, so that a slow solidification in the block head does not result in any harmful segregation areas. Are pressures above 30 Torr. applied, the gas withdrawal is no longer large enough to achieve the effect mentioned. At pressures below 0.1 torr. the casting becomes so unsteady that good forging behavior can no longer be expected.
With heavy blocks of around 25 to several hundred tons in weight, a ratio of length to diameter of the block smaller than 1.6 results in a large hood cross-section, which ensures a large reaction surface of the steel with the slag and at the same time through deep penetration of the Heat in the interior of the block has a favorable effect on the direction of solidification from bottom to top. With a larger ratio, the length becomes so great that the heat supplied by the block head heating is not able to influence the stiffening from bottom to top.
The heavy-metal oxide-poor, deoxygenating refining slag, which is deposited on the liquid steel after the casting has finished, ensures that the non-metallic inclusions that arise at the top are eliminated. By continuously adding deoxidizing agents such as carbon, silicon or aluminum, the reducing character of the slag can be retained.
The block head heating is expediently carried out after the slag has been applied by means of an evenly burning electric arc over a period of time from the end of the casting until expediently at least until the solid part of the block has solidified. In the case of blocks for heavy forgings, it is advisable to use more than 30 KWh of energy per ton of steel. This ensures that the solidification runs from bottom to top. If less energy is used, bridges can form inside the block.
To maintain a deoxidizing slag, an air seal is provided over the slag and the arc.
The device for carrying out the method according to the invention is characterized by an air seal cover with a refractory coating over the mold. The lid is preferably made of masonry refractory bricks. The cover can have a control hole which can also serve as a feed opening for slag forming agents.
An embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the drawing.
In this, 1 means the negative pressure space with its sealing elements 2. In this space is the bus-iron mold 3. On the mold 3 is the warm hood 4 with a heat-insulating refractory lining 5. The steel 6 is already in the mold 3 and in the lower part the warm hood 4 has been poured under the action of a vacuum. Now the vacuum is canceled and a (not drawn) cover of the vacuum chamber 1 is removed. On the warm hood 4, a domed brick cover 7 made of refractory bricks is placed, wel cher closes the contents against air. This curved cover 7 has in its center an opening 8 through which the electrode 9 is inserted.
A deoxidizing fine slag was applied to the steel surface. The arc 11 is then ignited and continuously driven over the slag. The state of the slag can be monitored through a closable (closure not shown) opening 12. Any additions required to maintain the deoxidizing properties can also be added through the opening 12.