Verfahren zur Herstellung von Ferrotitan- Legierungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ferrotitan-Legierungen aus Titanschrott in Form von Spänen, Bohnspänen, Drehbankabfällen oder irgendeiner anderen Form fein zerteilten Materials.
Die feinzerteilte Form mit geringer Massendichte von Titanschrott, d.h. Drehbankabfällen, Spänen und dgl., sind als stark luftentzündlich bekannt. Eine luftentzündliche Eigenschaft wird definiert als eine starke Neigung zur Oxydation, so dass das Material eine grosse Neigung hat, sich in Gegenwart von Luft mit schneller, wenn nicht explosiver Reaktion spontan zu entzünden. Die luftentzündliche Eigenschaft von Titanschrott, dessen geringe Massendichte und das verhältnismässig geringe spezifische Gewicht des Materials erschweren aber das Schmelzen in normaler Luft derart, dass das Material dazu neigt, auf der Oberfläche des Schmelzgutes zu schwimmen, was zu übermässiger Oxydation oder sogar zur Entzündung der Schmelze führt, aus welcher eine geringe Ausbeute resultiert.
Da Titan bei der Titan-Schmelzhitze bekanntlich starke Reaktionen mit jedem bekannten feuerfesten Futtermaterial für Schmelzöfen eingeht, ist es äusserst schwierig, für die Herstellung von Legierungen mit starkem Titangehalt aus solchem Schrott normale Schmelzverfahren zu verwenden. Auch ist Titan bei der Schmelztemperatur von Eisen stark reaktiv.
Man hat zwar bei der Herstellung von Ferrotitan grosse Titanschrotteile, wie Schaufeln von Gasturbinen, wegen ihrer verhältnismässig grossen Massendichte verwenden können, ebenso auch weil man diese grossen Stücke verhältnismässig leicht eintauchen kann. Wirtschaftlich gesehen sind jedoch die grossen, festen Materialien pro Gewichtseinheit um ein Vielfaches kostspieliger als der feinzerteilte Titanschrott. Zudem fallen viele grössere Mengen dieses feinzerteilten Schrotts an, der zudem einen unerwünschten Abfall darstellt.
Ziel der Erfindung ist die Herstellung einer Ferrotitan-Legierung auch aus Titan- und Titanlegierungsschrott feinzerteilter Art von geringer Massendichte in technisch günstiger und ökonomischer Weise zu ermöglichen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Ferrotitan-Legierung unter Verwendung von Titan enthaltendem Schrott ist dadurch gekennzeichnet, dass vorwiegend aus Eisen bestehende Rohre mit Titan enthaltendem Schrott gefüllt werden und eine von einer nichtreaktiven flüssigen Salzdecke bedeckte Schmelze von Ferrotitan mit den gefüllten Rohren beschickt wird.
Es wird dabei unterstellt, dass das Verfahren zur systematischen Herstellung von Metallegierungen durch Induktionsschmelzen in Luft, das die Stufe des Bedekkens der Metallschmelze mit einer flüssigen Schicht eines Metallsalzes einschliesst, im allgemeinen bei diesem Arbeitsverfahren verwendet werden kann. Die Verwendung des Ausdruckes Induktionsschmelzen in Luft soll dieses Verfahren vom Vakuumschmelzen von Metallen oder vom Schmelzen von Metallen in Gegenwart von trägen Gasen unterscheiden. Induktionsschmelzen in Luft von feinzerteiltem Titanschrott zur Herstellung von Ferrotitan wird allgemein für eine sehr gefährliche, unpraktische und oft sogar zu Katastrophen führende Methode gehalten.
Das hier weiter unten beschriebene Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens wird als erste sichere Methode auf diesem Gebiet zur Herstellung einer Ferrotitan-Legierung durch Induktionsschmelzen von feinzerteiltem Titanschrott in Luft angesehen.
Die Ausführungsbeispiele des Verfahrens werden in den folgenden Abschnitten beschrieben und sind in der beigefügten Zeichnung schematisch als Strömungsblatt dargestellt.
Kleinstückiger Titanschrott, den man als < (Schaufel- barer Drehbankabfall, Bohrspäne und kleine Späne bezeichnen kann, wird in das geschlossene Ende eines Eisen oder Stahlrohres gefüllt. Dieser kleinstückige Titanschrott kann Abfall aus der Industrie sein, z.B.
Späne, Bohrspäne, Drehbankabfall und ähnliches feinzerteiltes Schrottmaterial, das jetzt noch als Abfall betrach tet wird und ohne Schwierigkeiten von Verarbeitern von Teilen aus Titan oder Titanlegierungen bezogen werden kann. Geeignetes Schrottmaterial für dieses neue Verfahren ist bei den Fachleuten als Schaufelbare Späne, Bohrspäne und Spanabfall > y bekannt. Die gewünschte Spanbreite beträgt im allgemeinen t bis 1,4 Zoll. Das Verhältnis von Titanschrottgewicht zu Rohrgewicht wird entsprechend den gewünschten chemischen Eigenschaften der Ferrotitan-Legierung festgesetzt. Kennt man die Zusammensetzung und Massendichte des Schrotts, kann man die Grösse und Wandstärke des Rohres entsprechend auswählen, um das gewünschte Verhältnis zu erzielen.
Die Massendichte des Schrotts kann durch Zerkleinern und/oder Sortieren verändert werden. Falls gewünscht, kann Eisenschrott mit Titanschrott vermischt werden, um eine Ferrotitan-Legierung mit hohem Eisengehalt zu bekommen. Das offene Ende des Rohres wird dann, z.B. durch Sicken oder Aufsetzen einer Kappe verschlossen. An dem Ende oder entlang der ganzen Länge des Rohres kann eine Lüftung vorgesehen werden, um eingeschlossene Luft während des folgenden Erhitzens und Schmelzens entweichen zu lassen. Der verwendete Schrott muss im wesentlichen frei von Fremdkörpern, öl, Schmutz, Wasser usw. sein. Dies würde eine übermässige Gasbildung während des Schmelzvorganges verursachen. Die Länge des verschlossenen Rohres ist verhältnismässig unwichtig und wird nur mit Rücksicht auf die leichte Handhabung beim Beschicken in den Ofen festgelegt.
Im allgemeinen werden Rohre von 45 bis 120 cm Länge vorgezogen.
Zur Unterscheidung der leeren Eisenrohre von den mit Schrott gefüllten werden die letzteren entweder Büchsen oder Briketts genannt. Die Verwendung des Ausdruckes Brikett soll aber keine Materialien einschliessen, die, gewöhnlich unter hohem Druck, aus Schwammeisen und Titan geformt und gewöhnlich anstelle von Grundlegierungen zum Zusatz von Titan verwendet werden, um die endgültigen Legierungen, wie z.B. nichtrostende Stähle zu bilden.
Vor dem Beschicken der mit Schrott gefüllten Rohre oder der sogen. Briketts in einen Induktionsofen wird eine Ladung aus grossen Stücken, am besten mit der gewünschten Legierungszusammensetzung, in einem Ofentiegel mit einer Auskleidung geschmolzen, die bei Berührung mit Ferrotitan genügend stabil bleibt. Eine solche Auskleidung besteht gewöhnlich aus Material mit Aluminium- oder Magnesiumgehalt.
Das Volumen der geschmolzenen Charge aus grossen Stücken darf im allgemeinen 10 bis 30% der Tiegelkapazität betragen. Während des Schmelzvorganges muss diese Charge vor Oxydation geschützt werden. Diesen Schutz bietet gemäss dieser Erfindung eine Schicht aus flüssigem Salz. Für diese flüssige Salzdecke werden vorzugsweise Materialien wie Bariumchlorid, Mischungen aus Barium- und Natriumchlorid, Kryolith und ähnliche Chloride oder Fluoride verwendet, die bei den gewöhnlich verwendeten Schmelztemperaturen verhältnismässig stabil gegenüber Ferrotitan sind.
Wenn die Charge aus grossen Stücken vollständig geschmolzen ist, wird sie genügend überhitzt, um eine zu starke Abkühlung während der Beschickung der Rohre zu vermeiden. Nun wird ein mit Schrott gefülltes Rohr in den Ofentiegel oder die feuerfeste Auskleidung herabgelassen. Das untere Rohrende geht zuerst durch die Salzschicht und berührt dann das flüssige Metall. Es entsteht so eine innige Berührung zwischen Büchsenmetall, Schrottmetall und flüssiger Legierung im Ofen. Es tritt eine flüssig-feste Diffusion auf, die ein Auflösen des Büchsen- und Schrottmetalls in der Schmelze bewirkt. Da das Verhältnis von Titan und Eisen von Büchse und Inhalt ungefähr das gleiche ist wie das der Schmelze, tritt während der Auflösung von Büchsen- und Schrottmetall in der Schmelze keine wesentliche Veränderung ihrer Zusammensetzung auf.
Während des Schmelzens der Metalle wird die Oberfläche der Schmelze weiterhin von der geschmolzenen Salzschicht geschützt, so dass keine Oxydation auftreten kann. Nach dem Schmelzen von Büchse und Inhalt kann eine weitere Büchse und der darin enthaltene Schrott beschickt werden. Das wird fortgesetzt, bis der Tiegel die gewünschte Füllung erreicht hat.
Die geschmolzene Legierung wird gewöhnlich durch Abstich gewonnen. Vor dem Abstich wird der grösste Teil der Salzdecke durch Abgiessen oder Abschöpfen auf bekannte Art und Weise entfernt. Soll eine neue Charge der gleichen Legierung geschmolzen werden, werden nur vier Fünftel der Schmelze in geeignete Masselformen gegossen.
Der Rest dient als Grundmasse für den Fortgang des Schmelzens. Das abgeschöpfte Salz wird vor dem Fortgang des Schmelzens wieder in den Tiegel zurückgegossen. Das genannte Salz kann mehrere Male als Deckschicht verwendet werden, je nach Stabilität und Verschmutzungsgrad. Eine Analyse ist natürlich in passenden Zeitabständen empfehlenswert.
Das Verfahren ist am wirtschaftlichsten, wenn die Zusammensetzung der Schmelze im Bereich von 60 bis 75% Titan liegt. Der Grund dafür ist der verhältnismässig niedrige Schmelzpunkt solcher Legierungen im Gegensatz zu anderen Ferrotitan-Legierungen. Dieser niedrige Schmelzpunkt verringert die Reaktivität zwischen Schmelze, Ofenauskleidung und Schlacke beträchtlich.
Auch wird für den ganzen Schmelzvorgang weniger Strom verbraucht. Müssen jedoch Ferrolegierungen von 10 bis 80% Titan erzielt werden, dann können sie am wirtschaftlichsten durch Verdünnung der optimalen Zusammensetzung der Schmelze mit festem Eisenschrott oder Titan erreicht werden.
Ein anderer Vorteil des beschriebenen Verfahrens ist die Möglichkeit, den Kohlenstoffgehalt der in diesem Verfahren erschmolzenen Legierungen durch Auswahl von Schrott mit geeignetem Kohlenstoffgehalt und/oder Verwendung von festem Graphit in Büchsen durch Variieren von 0,05% bis 8,0% zu steuern. Auf diese Weise kann das Verfahren Legierungen produzieren, die auf dem Markt als Ferrotitan mit geringem, mittlerem und grossem Kohlenstoffgehalt verkauft werden. Auf diese Weise können auch Zusammensetzungsgrenzen von sogenannten Trampelelementen , wie Aluminium, Vanadium und Silikon, durch die Zusammensetzung des beschickten Schrotts festgelegt werden.
So wurde z.B. das beschriebene Verfahren mit gutem Erfolg verwendet, um eine wie folgt zusammengesetzte Ferrotitan-Legierung zu bilden
Titan 66,6 %
Eisen 25,0 %
Vanadium 2,4 %
Silizium 0,4 %
Kohlenstoff 0,1 %
Aluminium u.a. 5,5 % Ein einzelnes Stück Eisenrohr aus SAE 1015 Stahl und folgender Zusammensetzung
Kohlenstoff 0,14 - 0,18 %
Mangan 0,30- 0,60 %
Phosphor 0,04 % (Maximal)
Schwefel 0,05 % (Maximal)
Eisen Rest wurde mit Titanschrott-Spänen folgender Zusammensetzung gefüllt:
:
Aluminium 5,5 - 6,75 %
Vanadium 3,5 - 4,50 %
Stickstoff 0,07 % (Maximal)
Kohlenstoff 0,01 %
Wasserstoff 0,01 % ) >
Eisen 0,40 %
Sauerstoff 0,30 % wobei 3,87 (amerikan.) Pfund Schrott ein Rohr von 1,22 Pfd. Gewicht füllten. Diese Gewichte hängen natürlich von der Länge des Rohrstückes ab. Werden längere Rohrstücke verwendet, ist auch das Gesamtgewicht von Schrott und Rohr grösser.
Das so gefüllte Rohr wurde verschlossen und in eine überhitzte, von geschmolzenem Salz bedeckte Schmelze gegeben, die während der Beschickung und beim Schmelzvorgang auf 2450 F (1343) gehalten wurde. Das erzielte Produkt wurde bei der gleichen Temperatur von 2450 F (1343) C) abgegossen.
Die eutektische Temperatur der Legierung von der erzeugten und vorbeschriebenen Zusammensetzung ist nicht genau bekannt. Es wird angenommen, dass die eutektische Temperatur der erzielten Legierung zwischen 2050 F (1121 C) und 2100 F (1149 C) liegt.
Werden Eisenrohre von grossem Durchmesser verwendet, ist es ratsam, Eisen- oder Stahlschrott in der Form von Drehbankabfällen, Bohrspänen, Spanstücken und dgl. beizufügen, um die Eisenzusammensetzung der erzielten Ferrolegierung zu steuern. Derartige Beifügungen dienen zum Ausgleich für zwei Probleme, die eventuell bei der Verwendung grosskalibriger Rohre auftreten können. Zunächst kann ein Diffusionsproblem auftauchen, da das Material in der Mitte des Rohres in allen radialen Richtungen von Titanschrott umgeben ist. Zweitens vergrössert sich das Verhältnis des eingeschlossenen Volumens zur Eisenmasse mit zunehmendem Rohrdurchmesser. Daher ist unter solchen Bedingungen die Verwendung von etwas Eisen- oder Stahlschrott in der Titanschrottmischung ratsam.
Die sogenannten Grundlegierungen von Ferrotitan werden gewöhnlich durch Reduktion von Ferrotitan Oxyden, wie Ilmenit mit einem reduzierenden Agens wie Aluminium in Lichtbogenöfen hergestellt. Dadurch werden diese Verfahren zur Herstellung solcher Grundlegierungen verhältnismässig kostspielig, und die Grundlegierungen sind ebenfalls teuer. Die Verwendung des be schriebenen Verfahrensgestattet aber eine wirtschaftlichere Produktion von Grundlegierungen und die vorteilhafte Verwendung von Material, das im Augenblick noch als Abfall betrachtet wird.