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Im
Gegensatz zu den primären
Erschmelzungen von Metallen oder metallischen Legierungen in Öfen mit
direkter Zuführung
von Energie wie gezündeten
Gasen, mit Luft verbrennendem Koks oder Elektrizität im Lichtbogen,
wo direkt neben der Energieumsetzung zu beträchtlichen Temperaturen eine
sehr innige Vermengung mit beigegebenen Schlackenbildnern stattfindet
und metallurgisch zu chemischem Platzwechsel oder physikalischem
Abbinden hervorragend seit mindestens einem Jahrhundert genutzt
werden, stehen neben diesen in der technischen Anwendung volumenmäßig viel
kleinere Schmelzeinheiten seit langem in technischer Verwendung,
deren Energieeinspeisung für
den Schmelzprozess nur indirekt erfolgt, das sind dann die noch
heute in der Lehre so gekennzeichneten „Umschmelzaggregate", welche wenn überhaupt,
eine „Schlackenarbeit" nur sehr beschränkt kennen,
etwa die Abdeckung mit erweichtem Glas zur Verhinderung von zusätzlicher
Schmelzenoxydation oder das Aufstreuen von CaO-CaF2-Gemengen
für eine
Entschwefelung, wobei sich der Gebrauch von Flussspat (CaF2) nach den heutigen Umwelterfordernissen
durch die Freisetzung von Fluor in offener Erschmelzungsart verbietet,
sei denn man verfügt über sehr
aufwändige
und damit teuere Spezialabsaugungen mit dabei gebräuchlichen
Marmorbettfiltern u. a. m.
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Zur
weit verbreiteten technischen Gattung von Öfen mit indirekter Beheizung
gehören
die weltweit als Umschmelzaggregate dienenden Elektro-Induktions-Öfen, abgekürzt auch
hier nur „Induktionsöfen" oder „I-Öfen" benannt, die, mit
Netz- oder Mittelfrequenz betrieben, dazu den Vorteil haben, der
Schmelze durch elektrodynamische Einwirkung eine Rührbewegung
zu geben.
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Der
Nachteil ist, dass eine Schlackenreaktion „in situ" bisher als nicht nutzbar angesehen
und so auch nicht angewendet wurde. Abdeckungen der Schmelze aber
nutzen eine Schlackenreaktion nicht genügend aus, und das ist zurückzuführen auf
die eingeschränkte
Berührungsfläche zwischen
Schlacke und Metallbad und das auch unter der oben erwähnten speziellen
Badbewegung. Die bereits erwähnte „metallurgische
Innigkeit" am Ort
von Primärschmelzaggregaten
wie etwa dem Lichtbogenofen, Hochofen, dem Unterschlacke-Elektroschweißen, wo
die aktiven Grenzflächen
von Schmelze und Schlacke sowohl von der Flächengröße als auch von der Fließdynamik
her betrachtet durchaus als optimal anzusehen sind und die Aktivität der gegebenen
Schlackenzusammensetzung, erzeugt von „Schlackenbildnern" aus dem chemischen
Vielstoffsystem mit den Hauptkomponenten Al2O3-CaO-MgO-SiO2 dann
im Wesentlichen nur noch temperaturabhängig ist, fehlt dem I-Ofen
leider diese wesentlich aktivierte Schlackenarbeit, und das ganz
bestimmt in der aufschmelzenden Chargierung.
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So
hat der I-Ofen den technischen Mangel auch dahingehend, mit den üblichen
Schmelzenabdeckmitteln nicht genügend
reinigend etwa für
Metalloxyde zu wirken und am Ende des Schmelz- und Gießprozesses hat
der Endverarbeiter dann oft eine nicht hinnehmbare Anreicherung
von nichtmetallischen Einschlüssen
zu bemerken. Diese wieder erhöhen
als Keimstellen die Bruchgefahr und das besonders bei dynamisch
beanspruchten Maschinenteilen wie etwa Rädern und Walzen. Ganz abgesehen
davon, dass derartig fehlerhaftes Material die Eingangskontrollen
beim Verbraucher kaum unbeanstandet passieren kann.
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Die
Domäne
der unter dem Zutritt von Luft- also „offen"-erschmolzenen
Legierungen betrifft die Herstellung von höchstlegierten Werkzeugstählen bestimmter
Hersteller mit typischerweise sehr hohen Legierungsanteilen von
oxydationsempfindlichen Metallen, wie beispielsweise Molybdän, Vanadium
und Niob sowie auch Chrom in einer Eisenbasis oder auch die Herstellung
von Kobaltbasislegierungen.
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Bedingt
durch den betriebswirtschaftlich notwendigen Einsatz von Schrott
bis weit über
50% der Gesamtchargierung und die bereits darin wieder im Kreislauf
enthaltenen nichtmetallischen Verunreinigungen bringt selbst ein
Vakuumschmelzverfahren keine entscheidenden Vorteile und es bleibt
dann nur noch der Weg, mittels Pfannenmetallurgie weiterzukommen,
aber diese ist bei kleinen Chargenmassen nicht effektiv genug. Am
Ende einer dann hinsichtlich „Einschlussqualität" nicht befriedigenden
Produktion bleibt als Ausweg das nur noch die besondere Sekundärmetallurgie
des „Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahrens" übrig; dies ist aber eine die
Fertigungskosten erhöhende
Maßnahme,
abgesehen von zusätzlichen
und erheblichen Investitionskosten.
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Nicht
zu vergessen ist dabei die weltweit schlechter werdende Schrottbasis,
die schon jetzt erkennen lässt,
dass sich auch unerwünschte
metallische Legierungselemente immer mehr anreichern; zu nennen
ist in diesem Zusammenhang beispielsweise Nickel in Schnellarbeitsstählen. Dazu
kommt, dass betrieblich genutzter Rücklaufschrott teilweise mit
sehr großer
und damit oxydationsempfindlicher Oberfläche eingesetzt wird (Drehspäne).
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Aus
der
DE 34 20 902 A1 ist
eine Ofenanordnung zum Schmelzen von Metallen bekannt, die aus zwei über mindestens
einen Rinnenofeninduktor miteinander verbundenen Ofenkammern besteht.
Zum Betreiben der Ofenanordnung wird eine Mischung aus Schrott und
Flussmittel aufgegeben.
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Die
DE 25 08 252 C2 beschreibt
ein Legierungsverfahren, bei dem Legierungsmittel portionsweise oder
schrittweise der Schmelze zugesetzt oder gleichzeitig mit einer
chargierten Stahlschrott-Teilmenge
beigegeben werden. Die Durchführung
des Verfahrens erfolgt in einem Netzfrequenz-Induktionstiegelofen.
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Aufgabe
ist, in Öfen
mit indirekter Beheizung des Schmelzgutes, so auch im I-Ofen, eine
Schlackenarbeit durchzuführen,
die Einschlussgehalt an nichtmetallischen Verunreinigungen im Sinne
der Endverarbeitung der erstarrten Gusslegierung weitestgehend reduziert.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Lösung
der technischen Aufgabe wurde dadurch erreicht, dass man im Gegensatz
zur bisherigen Schmelzpraxis im I-Ofen nun bewusst den oder die
Schlackenbildner bereits in die noch feste Chargierung eingattiert
und damit zweierlei erreicht: Erstens bedeckt sich die Teilschmelze
beim – langzeitigen – Einschmelzprozess
mit Schlacke und vermindert so das Aufoxydieren schon anfänglich und
zweitens wird so eine optimal große Schlackenoberfläche in Reaktion
zur Schmelze gebracht, und das im Verhältnis zu einer bisher nur üblichen
oberen Schmelzspiegelabdeckung im Laufe des Einschmelzprozesses
immer größer bzw.
besser werdend.
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Durch
den bewussten Aufbau von auch mehreren Zonen mit Trennflächen von
Schlackenbildner zu Metall im horizontalen oder vertikalen Aufbau
der Chargengattierung erfolgt ein zeitabhängiges und nacheinander erfolgendes
Durchschmelzen dieser Zonen und Trennflächen, wodurch „in situ" die Schlacke-Metall-Reaktion im
Aufschmelzvorgang mehrfach stattfindet, so dass auch eine Übersättigung
der Schlacken mit nichtmetallischen Einschlüssen vermieden und insgesamt
damit der Reinheitsgrad des Metalls bzw. der eingeschmolzenen Legierungen
optimiert werden kann.
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Ein
praktisches Beispiel verdeutlicht den Vorteil der Erfindung. Eine
Eisenbasislegierung mit 9 Masse-% V,5% Mo, 18% W, 7% Cr, 3% Nb wurde
hinsichtlich des Einschlussgehaltes an nichtmetallischen und makroskopisch
sichtbaren Fehlstellen metallografisch untersucht, wobei erstens
unter den gleichen Verhältnissen
von der Chargierung mit einer massegleichen Gattierung aus Drehspänen der
aufzuschmelzende Einsatz nur eine Abdeckung aus CAO-CAF2 erhielt,
zweitens ein Parallelversuch mit festem Calciumaluminat als in etwa
horizontale Schicht zum unteren Einsatz erfolgte und drittens Calciumaluminat
als Abdeckung der fertigen Schmelze verwendet wurde. Das Einschmelzen
erfolgte in einem Tiegelofen (Außenerhitzung des Tiegels).
Dazu erhielt jede Charge Vanadiumpentoxyd, welches durch Glühen von
100 Gramm Vanadiumkarbid gewonnen wurde. Die erhaltene Korngröße hatte
ihr Maximum in der Verteilung bei 0,1 mm Länge. Der Kohlenstoffgehalt
in der Legierung betrug 2,7 Masse-%.
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Es
ergaben sich bei einem Einsatz von jeweils 5 kg Drehspäne und konstant
gehaltener Masse an Schlackenbildner von 28 Gramm diese Ergebnisse
im Metall:
| CaO-CaF2 als Deckschicht: | 31
makroskopische Einschlüsse/10
cm2 Bemusterungsoberfläche (poliert) |
| Calciumaluminat
als Doppelschicht: | 14
makroskopische Einschlüsse/10
cm2 Bemusterungsoberfläche (poliert) |
| Calciumaluminat
als Doppelschicht im unteren Drittel der Chargierung und Deckschicht: | 3 makroskopische Einschlüsse/10 cm2 Bemusterungsoberfläche (poliert) |
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Die
Schmelztemperaturen waren etwa gleich mit 1550 +/– 5 Grad,
gemessen mit einem Tauch-Pt(PtRh)-Thermoelement.
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Es
folgten entsprechende Anwendungen bei einer Schmelzmasse von ungefähr 2 Tonnen
im Elektro-Induktionsschmelzofen
mit ca. 10 kg Aluminat im Ofen und einer ebensolchen Masse als Deckschicht. Empfehlenswert
ist ein Zwischenabschlacken am Schmelzenspiegel und eine Neubelegung
mit Calcium-Aluminat. Da sich der Schlackenbildner verhältnismäßig schnell
mit Metallen, Oxyden und Silikaten aus der Schmelze resorbierend
sättigt,
ist die optimale Zugabe als Masse der Schlackenbildner stark abhängig vom Verunreinigungsgrad
der Chargierung und kann nur empirisch bestimmt werden. Die obigen
Angaben beziehen sich auf den Einsatz von etwa jeweils einem Viertel
an Drehspäne,
Glühzunder,
Blockköpfen
und Ausstichmaterial. Beim I-Ofen ist es vorteilhaft, mehrere Zonen
von Metall- zu Schlackenbildner in der Chargierung aufzubauen, beispielsweise
zwei im unteren Drittel horizontal und zwei konzentrisch vertikal
zur Tiegelwand.
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Die
besonders gute Reinigung von nichtmetallischen Einschlüssen gemäß Variante
3 bestätigte
sich.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich nicht mit den metallurgischen Vorgängen außerhalb der Öfen, so
auch nicht mit der Schmelzenbehandlung in Rinnen, Pfannen, Verteilern
und Ausgleichskammern („Tundish") sowie oxydationsschützenden
Maßnahmen
beim Blockgießen
und auch nicht mit der Lenkung von Primärerstarrungen.
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In
Laborversuchen wurde gezielt mit weiteren Metalloxyden gearbeitet
und das Verfahren modifiziert. Damit konnte die Schmelze-Schlackenreaktion
hinsichtlich der Abbindung von nichtmetallischen Einschlüssen weitergehend
verbessert werden. Die Ergebnisse wurden so erzielt:
Es ist
möglich,
mit dem Schlackenbildner in einer Schichtung Konzentrationsschwerpunkte
zu bilden, so dass der Wärmefluss
im Gemenge durch die Anwesenheit von Metall nicht behindert wird
und so der Schlackenbildner in erster Näherung direkt die Metalltemperatur
allumfassend erfährt.
Dabei ist auch der Einsatz von chemisch-mineralogisch differenzierten
Schlackenbildnern zusätzlich
erfolgreich.
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Die
für Nichtmetalle
bzw. Oxyde lösungsspezifischen
Unterschiede bezüglich
der chemischen Zusammensetzung von Schlackenbildnern können besonders
gutgenutzt werden, wenn man zwei derartige Schlackenbildungen über CaO-Al2O3 einerseits und
CAO-SiO2 andererseits nebeneinander und
thermisch gleichzeitig verwendet.
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So
führt das
System CAO-Al2O3 nutzbar
von der Verbindung 3CaOAl2O3 zu
5CaO3Al2O3 mit einem Gemenge oder einer Schichtung
vom System CAO-SiO2 über 3CaO SiO2 zu
Wollastonit, wo zu dieser Seite eine auch epitaktisch begründete günstige Abbindung
von Silikat-Einschlüssen
erfolgt. CaO-Al2O3 dagegen
als „Aluminat" bindet dagegen eher
die Schwermetalloxyde.
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Schließlich sind
Anwendungen von Edel- oder sonstigen Schutzgasen im Verbund mit
diesem Verfahren dann besonders erfolgreich, wenn man zum Einbringen
der Schlackenbildner die Injektionstechnik nutzt, d. h. in einem
solchen Förderstrom
die festen Raffinationsstoffe unter einem bereits bestehenden Schmelzenspiegel
appliziert. Der Vorteil dieser Kombination ergibt sich daraus, dass
das die Schmelze durchströmende Gas
je nach den Partialdruckverhältnissen
auch gleichzeitig in der Schmelze gelöste Gase aufnimmt, wie das von
Wasserstoff vorbekannt ist. Außerdem
ergibt sich ein oberflächenseitig
verbesserter Metall-Schlacke-Kontakt durch den Aufbau von strömungstechnisch
zu bewertender Verwirbelung und/oder Turbulenz. Weiterhin schwimmt
das aus der Schmelze aufsteigende Gas die gesättigte Schlacke tröpfchenförmig auf.
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Die äußere Gestalt
der aufzugebenden Schlackenbildner ist für den Erfolg der Verfahrensmaßnahmen generell
unerheblich, auch wenn man Vorteile dahingehend nutzen kann, dass
bedingt durch die Oberflächengestaltung
doch kugelige Aggregate mit ihrem Roll- und Verteilungsvermögen leichter
zu gebrauchen sind. Auch gibt die Kugel so Gewähr dafür, dass die metallische Schlacke
einen optimal gleichörtlichen
Kontakt beim Anschmelzen ermöglicht.
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Handelt
es sich um Vorschmelz- oder Vorsinterprodukte ist zudem der Feinstkornanteil
im abrasiven Chargierverhalten verhältnismäßig gering. Von der Schlackenarbeit
her weitergehend betrachtet, ist es auch sinnvoll, als Schlackenbildner
keramische Sonderprodukte zu verwenden, welche zu mineralogisch
bestimmbaren Verbindungen einen definierten Schmelzpunkt haben.
Dazu gehört
u. a. Calciumaluminat, das bisher nur für Applikationen nach dem Abguss
aus Öfen
weltweit mit metallurgischem Erfolg verwendet wird.
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Weniger
gut bis problembehaftet ist es, den Schlackenbildner aus den zur
Verbindungsbildung notwendigen Teilmassen als Einzelprodukte dem
Ofen zuzuführen,
so etwa CAO als gebrannter Kalk + Al2O3 als „Tonerde" + fluorfreie Flussmittel.
Hier zeigt auch das hygroskopische Verhalten von CaO bezüglich von
Lagerungsproblemen ein schwieriges Verhalten. Für den Aufbau speziell von vertikalen
Schlackenbildner/Metallzonen ist das partielle Gemengeverfahren
gänzlich
ungeeignet.
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Die
Möglichkeit,
im Verfahrensablauf mit den Schlackenbildnern zusammen auch Desoxydationsmittel einsetzen
zu können
als metallurgische Teilmaßnahme,
erweitert das Verfahren beträchtlich.
Genannt dafür werden
als Beispiele Aluminium, Calcium-Silizium, Calcium-Mangan-Silizium
und auch Calcium-Magnesium-Silizium als besonders effektiv wirkende
Substanz. Darüber
hinaus ist es möglich,
Einfluss auf die Entschwefelung, Entphosphorung und Entkohlung zu
nehmen nach dem dafür
vorbekannten Stand der Technik, dies allerdings nun im Tiegel von
indirekt beheizten Öfen.
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Zur
besseren Handhabung von zonenweise aufgebauten Schichtungen empfiehlt
es sich, beispielsweise Metallschablonen einzusetzen, welche nach
der endgültigen
Chargierung aus der Gattierung herausgezogen werden können. Es
sind dafür
mehrere Schablonen mit kleiner werdenden Radien gut geeignet. Ein
solches Verfahren eignet sich für
den Aufbau von vertikalen Schichten im I-Ofen. Es handelt sich dabei
um einen Satz von durchmesserdifferenzierten Rohrstücken. Die
dem Tiegelrand zuerst anliegende Schicht solle grundsätzlich aus
metallischer Gattierung bestehen.
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Betriebswirtschaftlich
günstig
ist es, zur Vermeidung von zeit- und kostenintensiven Gattierungsarbeiten
der patentgemäßen Art
die Schlackenbildner beispielsweise als für die Zonen- bzw. Schichtbildung
vorkonfektioniertes Material zu verwenden. Das können genügend steife Umhüllungen
entweder aus Metallen, deren Legierungen oder Kunststoffen sein.
Auch ist es möglich,
die Schlackenbildner als dementsprechende Formkörper mittels Schmelzen oder
Sintierung selbsttragend herzustellen, im Gussverfahren auch mit
Bindern.