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Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von warmgewalzten
Stahlerzeugnissen aus Roheisen und Eisenerz Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur pulvermetallurgischen Herstellung von warmgewalzten Stahlerzeugnissen, wie Bleche,
Bänder, Stäbe, Drähte und Profile, unmittelbar aus kohlenstoffreichen Eisenlegierungen,
und ein Zweck der Erfindung ist, solche Erzeugnisse in einfacher, billiger Weise
aus dem Roheisen im festen Zustand, ohne den üblichen Weg über geschmolzenen Stahl
zu gehen, herstellen zu können. Das neue Verfahren ist durch die Kombination der
folgenden Maßnahmen gekennzeichnet, nämlich: Vorfrischen des aus dem Roheisenofen
gezapften Roheisens zur Reduzierung des Siliziumgehaltes bis unter 0,1'% und Aufrechterhaltung
des Kohlenstoffgehaltes über 2,5% und anschließende Granulierung des entsilizierten
Roheisens; inniges Mischen dieses auf eine Korngröße von unter etwa 1 mm feinzerteilten
Roheisens mit einer solchen Menge von ähnlich feinzerteiltem Eisenerz, daß der Sauerstoffgehalt
des Erzes für das Frischen des Roheisens bis zum gewünschten Kohlenstoffgehalt ausreicht;
Einfüllung dieses Gemisches in eine Stahlblechhülle, die bis auf kleine Öffnungen
für die Reaktionsgase geschlossen ist Erhitzung dieser gefüllten Hülle auf eine
unter dem Schmelzpunkt des Roheisens liegende, die Entkohlungsreaktion bewirkende
Temperatur, vorzugsweise in dem Bereich zwischen 950 und 1050° C, bis das Gemisch
in Stahl umgewandelt worden ist; Auswalzen des so erhaltenen Gebildes ohne Zwischenkühlung
in ein mechanisch homogenes Produkt bei einer Temperatur von wenigstens 1150° C.
Der Gehalt an Silizium soll unter 0,1'% betragen, um einen schlackenarmen Stahl
zu erhalten, was wichtig ist, da eine silikatische Schlacke nicht entfernt werden
kann. Die Hülle besteht vorzugsweise aus gemäß dem Verfahren hergestelltem Blech.
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Das Vorfrischen geschieht am besten mit reinem Sauerstoff oder mit
sauerstoffangereicherter Luft. Der Kohlenstoffgehalt muß verhältnismäßig hoch sein,
um die Granulierung bzw. Vermahlung zu erleichtern oder zu ermöglichen. Das Verhältnis
zwischen Rohessen und Eisenerz muß also so eingestellt werden und die Höhe der Temperatur
so hoch gehalten werden, daß die Oxyde praktisch vollständig reduziert sind, wenn
der erwünschte Kohlenstoffgehalt des Stahlproduktes erreicht ist. Die Reaktion geschieht
unter Entwicklung von Kohlenoxyd in Mischung mit einem kleinen Gehalt von Kohlendioxyd.
Nach beendeter Reaktion wird das poröse Stahlprodukt zusammen mit dem Blechmaterial
bei einer derartigen; Temperatur ausgewalzt, daß die Eisenkörner zu einem kompakten,
zusammenhängenden Produkt vollständig zusammengeschweißt werden, nicht nur unter
sich, sondern auch mit dem Blech, das auf diese Weise einen Teil des hergestellten
Stahlproduktes bildet.
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Es ist zwar bereits bekannt, in einer Blechhülle eingeschlossenes
Metallpulver, auch Eisenpulver, durch Schmieden oder Walzen mit der Blechhülle zusammenzuschweißen
und auf diese Weise in homogenes Blech überzuführen. Bei diesem Verfahren aber durften
die verwendeten Metallpulver nicht zu große Mengen von Oxyden enthalten. Solche
Oxyde mußten vielmehr durch Kohlenstoff, atomgewichtsmäßig 12 Teile je 16 Teile
Sauerstoff, entfernt werden. Aus diesen Anweisungen konnte aber nicht die erfindungsgemäße
Erkenntnis geschlossen werden, daß sich das in einer Blechhülle eingeschlossene
Roheisen mixt Eisenerz glatt frischen läßt.
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Außerdem ist es vorbekannt, Roheisen durch Frischen von Silizium zu
befreien, anschließend aufzukohlen und durch Verdüsung in Pulverform überzuführen;
nach
Frischen im festen Zustand wird dieses Pulver für pulvermetallurgische Zwecke verwendet.
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Mit keinem der bekannten Verfahren konnten aber die vorteilhaften
Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens. erzielt werden. Der Vorteil des Verfahrens
im Vergleich zu anderen Verfahren zur Herstellung von Stahlerzeugnissen aus Roheisen
liegt zunächst darin, daß mehrere Momente der traditionellen Stahlproduktion, wie
das Stahlschmelzen, das Blockgießen und das Grobwalzen, völlig vermieden werden.
Bei der Entkohlung von Roheisen mit Magnetitkonzentrat liegt die Stahlausbeute,
berechnet auf Roheisen, bei etwa 110'%. Zu einer hohen Ausbeute trägt außerdem die
Tatsache bei, daß kein Eisenverlust in Form von Schlacke oder Rauch vorkommt und
daß ferner der Schrottabfall minimal gehalten werden kann. Ferner kann die Absorption
von Stickstoff während der Behandlung verhindert werden. Der Gehalt von Kohlenstoff
in dem Stahl kann leicht auf den gewünschten Wert gebracht werden durch Abwiegung
der Zusammensetzung der Pulvermischung. Kohlenstoffgehalt unter 0,02'% und selbst
unter 0,0111/o kann erzeugt werden. Das Entstehen von Seigerungen im Produkt kann
vollständig vermieden werden. Hierin liegt wahrscheinlich ein Grund für die Tatsache,
daß der Phosphorgehalt 0,15'% übersteigen kann, ohne die guten Festigkeitseigenschaften
des hergestellten Stahles viel zu beeinträchtigen. Es wurde festgestellt, daß es
durchaus möglich ist, mit dem Verfahren gemäß der Erfindung Stahlqualitäten zu produzieren,
die vollkommen mit einem guten Siemens-Martin-Stahl vergleichbar sind.
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Das Roheisen wird vorzugsweise aus Eisenerz hergestellt, z. B. in
einem Hochofen oder einem elektrischen Ofen gewöhnlicher Art. Ausnahmsweise kann
aber auch Roheisen verwendet werden, das in einem Kupolofen oder irgendeiner anderen
Ofenart z. B. durch Aufkohlung erzeugt ist. Das Roheisen wird zweckmäßigerweise
durch Granulation aus dem geschmolzenen Zustand mit Wasser, Dampf, Luft oder einer
Kombination dieser Medien fein zerteilt, worauf das Granulat, sofern es notwendig
ist, auf die gewünschte Korngröße vermahlen wird.
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Es kann vorteilhaft sein, das verwendete Eisenerz teilweise zu reduzieren,
bevor es in die Beschickung eingemischt wird, um die Oxyde ganz oder zum Teil in
Oxydul (Fe0) überzuführen. Es wurde nämlich gefunden, daß es besonders vorteilhaft
ist, ein Oxydmaterial in Form. von Fe0 zu verwenden, um einen ; möglichst gleichmäßigen
Gehalt an Kohlenstoff in dem Produkt zu erhalten. Auf diese Weise wird nämlich das
Verhältnis CO: C02 im Reaktionsgas ungefähr dasselbe während des ganzen Reaktionsverlaufs,
was eine gleichförmigere Entkohlung mit sich bringt. ; Das Walzen des entkohlten
Produktes soll vorzugsweise bei hoher Temperatur stattfinden, um ein gutes Zusammenschweißen
zu erzielen. Die Temperatur soll wenigstens bei 1150 oder vorzugsweise 1200° C liegen.
Während der Entkohlungsreaktion i muß dieTemperatur indessen niedriger liegen, zweckmäßig
bei 950 bis 1050° C, um einen gleichmäßigen Kohlenstoffgehalt zu erreichen. Weiterhin
ist es, wichtig, d'aß der Temperaturgradient in dem Material während der Reaktion
nicht zu hoch ist. Es ist daher i zweckmäßig, zuerst eine Vorwärmung auf eine Temperatur
unterhalb etwa 800° C auszuführen, unter welcher Temperatur die Reaktion nicht in
bemerkbarem Maße stattfindet. Erst nachdem das Material bei dieser Temperatur ausreichend
durchgewärmt ist, wird die Temperatur auf die oben erwähnte günstigste Temperatur
für die Entkohlungsreaktion gesteigert.
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Bei der Herstellung von Blech oder Band gemäß der Erfindung, die näher
beschrieben ist, wird die Pulverbeschickung in einer Lage gewisser Stärke auf ein
verhältnismäßig dünnes Blech aufgebracht. Um während der Behandlung die Pulvermischung
auf dem Tragblech in einer gleichmäßigen Schicht zu erhalten, werden günstigerweise
die Kanten des Bleches durch irgendwelche selbsttätigen Biegevorrichtungen aufgebogen,
ehe das Auftragen des Pulvers erfolgt. Sofern ein bandförmiges Material als Trägermaterial
nicht zur Verfügung steht, sondern nur kürzere Bleche, kann das fortlaufende Verfahren
leicht so durchgeführt werden, daß die Bleche durch Schweißung oder in anderer Weise
miteinander verbunden werden. Die Bleche können auch als niedrige, offene Behälter
von geeigneter Länge ausgebildet werden, die nacheinander durch den Heizofen geleitet
werden.
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Um das Eisen in einfacher und wirksamer Weise vor einer Berührung
mit oxydierenden Gasen während des Verfahrens zu schützen, wird die Schicht auch
mit einem Blech abgedeckt. Hierdurch kann der Eintritt von oxydierenden Gasen ohne
Schwierigkeiten völlig vermieden werden, und das Verfahren wird von der Ofenatmosphäre
unabhängig. Hierdurch wird der beträchtliche Vorteil erreicht; daß die folgende
Wärmebearbeitung in der offenen Luft stattfinden kann. In diesem Falle braucht die
Erhitzung nicht unbedingt in einem Ofen von Spezialkonstruktion zu erfolgen, sondern
es können Standardtypen verwendet werden.
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Die Verbindung des Deckbleches mit dem Tragblech kann durch Falzung
oder am besten durch Verschweißung in einer bekannten Art erfolgen. Zum Beispiel
kann eine elektrische Nahtschweißung verwendet werden. Bei der kontinuierlichen
Durchführung des Verfahrens kann das Deckblech in Form eines Bandes vorgesehen werden,
das fortlaufend auf dem Tragblech befestigt wird, nachdem die Kanten einer oder
beider Bleche hochgebogen sind.
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Es ist nicht immer zweckmäßig, das Verfahren völlig kontinuierlich
durchzuführen. Das Walzen kann nämlich mit beträchtlich höherer Geschwindigkeit
des Materials erfolgen als die Wärmebehandlung. Es kann deshalb vorteilhaft sein,
die Beschickung in Pakete gewisser Länge zu unterteilen, vor oder während irgendeiner
bestimmten Verfahrensstufe, und die Pakete dem Ofen in zweckmäßigen Zeitintervallen
zum Walzen zu entnehmen.
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Beim Durchführen des Verfahrens mit geschlossener Blechhülle muß dafür
gesorgt werden, daß in geeigneter Weise angeordnete Öffnungen für den Austritt des
entwickelten Reaktionsgases in jedem Paket vorgesehen sind, z. B. Lücken in der
Schweißung oder der Falzung längs der Blechkanten.
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Tragblech und Deckblech -werden am besten aus dem Material hergestellt,
das durch das Walzen erhalten wird. Da sie in dem Endmaterial enthalten sind, wird
ein völlig unbedeutender Materialverlust verursacht. Die Kostensteigerung durch
das Blechmaterial wird hauptsächlich auf die Kosten der Wiedererwärmung der Bleche
beschränkt.
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Der Wärmeofen, der zur Vermeidung von Luftzutritt vorzugsweise gut
geschlossen gehalten wird, ist zweckmäßig elektrisch beheizt oder indirekt, wo de
Heizung
mit Brennstoff erfolgt. Das Tragblech kann unmittelbar auf dem Boden des Ofenraumes
gleiten, der eben sein muß. Es kann aber auch nach dem Ausstoßende hin geneigt sein,
um die Vorwärtsbewegung zu erleichtern. Für den Wärmeofen sind außerdem andere konventionelle
Vorschubmittel möglich.
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Das Verfahren ist nicht auf die Erzeugung von Blechen oder Bändern
beschränkt. Es können auch Stäbe, Drähte und Konstruktionsprofile nach dem Verfahren
hergestellt werden. Dabei muß das Pulverpaket einen entsprechenden Querschnitt haben,
z. B. rechteckig oder kreisförmig, der zum Walzen oder zum Schmieden dieser Dimensionen
geeignet ist.
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Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt
durch eine wenigstens teilweise fortlaufend arbeitende Vorrichtung, in der das Verfahren
durchgeführt wird; Fig. 2 zeigt einen Querschnitt nach Linie II-II der Fig. 1.
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Die Vorrichtung besteht aus einem Rollentransportbett, an dem eine
Anzahl verschiedener Vorrichtungen mit verschiedenen Funktionen vorgesehen sind.
An der Eingangsseite des Rollenbettes ist unten eine Bandrolle 3 angeordnet, von
der aus das Tragblech 5 zum Rollenbett geleitet wird. Am Anfang des Rollenbettes
ist eine Biegevorrichtung 7 zum Aufbiegen der Kanten 9 des Tragbleches vorgesehen.
Außerdem werden die oberen Teile 11 seitwärts abgebogen. Es wird so eine Trogform
erzielt, wie sie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Die Biegevorrichtung kann in irgendeiner
bekannten Weise ausgestaltet sein und ist deswegen im einzelnen nicht beschrieben.
Hinter dieser Biegevorrichtung ist eine Füllvorrichtung 13 für Pulver angeordnet,
durch welche das Pulver in das trogförmige Blechband eingefüllt wird. Auch diese
Einrichtung kann in irgendeiner bekannten Weise ausgestaltet werden und braucht
nicht näher beschrieben zu sein. Hinter der Füllvorrichtung ist eine Biegerolle
15 unmittelbar über den nach außen gebogenen Kanten 11 des Tragblechbandes
angeordnet. Über der Rolle 15 ist eine Bandrolle 17 vorgesehen, von der aus das
Deckblechband 19 um die Biegerolle 15 herum abgezogen wird. Es gelangt zu einer
Nahtschweißvorrichtung 21. Diese sitzt etwas hinter der Biegerolle 15. Durch die
Nahtschweißvorrichtung 21 wird das Deckblechband 19 auf die oberen Kanten 11 des
Tragblechbandes 5 mittels der Schweißwalzen 23 und 25 in bekannter Weise aufgeschweißt.
Das Tragblechband und das Deckblechband mit dem zwischen beiden eingelagerten Pulver
werden alsdann in eine Presse 27 geleitet. Diese Presse ist mit ihren Backen
29 und 31 quer angeordnet und bezweckt, in gewissen Längsabständen des Bandes querverlaufende
Eindrückungen vorzusehen. Noch weiter hinter der Presse 27 ist eine Schneidmaschine
33 aufgestellt, durch die die einzelnen mit Pulver gefüllten Blechpakete durch Schnitte
im Bereich der von der Presse 27 erzeugten Eindrückungen voneinander getrennt werden.
Sowohl die Presse als auch die Schneidmaschine können in irgendeiner bekannten Welse
ausgebildet sein und werden im einzelnen nicht näher beschrieben, da sie keinen
Teil der Erfindung an sich bilden. Gegebenenfalls kann der Schneidvorgang mit dem
Pressenvorgang durch Anwendung irgendeiner zu diesem Zweck geeigneten Maschine verbunden
werden. Soweit ist das Verfahren in der Hauptsache kontinuierlich, besonders wenn
die Presse und die Schneidmaschine so ausgebildet sind, daß sie ihre Funktionen
sukzessiv über einen Teil des Rollenbettes. ausüben. Dies ist insbesondere bei drehbaren
Pressen der Fall, bei denen das Preßorgan exzentrisch angeordnet ist sowie bei drehbaren
Schneidmaschinen bakannter Arten.
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Hinter der Schneidmaschine langt das Rollenbett in einem Ofen 37 an.
Es ist aber auch möglich, eine Unterbrechung zwischen der Schneidmaschine und dem
Ofen vorzusehen, wenn eine Lagerung der Blechpakete 35 eingeschaltet werden soll.
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Der Ofen 37 enthält Transportrollen 1 für die Blechpakete 35. Er wird
durch elektrische Heizelemente 39 beheizt. Diese sind vorzugsweise quer über dem
Walzenbett angeordnet. An dem der Schneidemaschine gegenüberliegenden Ende ist der
Eimaß 41 mit einer Tür 43 vorgesehen. Die Tür hängt über Rollen 45. Am gegenüberliegenden
Ende befindet sich der Auslaß 47 des Ofens, der durch eine Tür 49, die an Rollen
51 hängt, verschlossen wird. Durch die beiden Türen kann der Ofen verschlossen werden,
während sich die zu behandelnden Blechpakete darin befinden.
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Am Auslaßende ist eine Paketpresse 53 angeordnet, um die Blechpakete
vor dem Walzen zusammenzudrücken. Dieses Zusammendrücken ist nicht unbedingt notwendig,
indessen zuweilen vorteilhaft. Die Presse 53 kann unmittelbar hinter dem Ofen angeordnet
sein, so daß die Pakete ohne beträchtlichen Wärmeverlust in die Presse gelangen.
Die Presse besteht in bekannter Weise aus einer unteren und einer oberen Preßplatte
55 und 57, von denen die untere Platte 55 feststeht.
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Hinter der Presse 53 oder, sofern die Presse nicht angewendet wird,
hinter dem Ofen 37 ist ein Walzenständer 59 mit den Walzen 61 und 63 angeordnet.
In dem Walzenständer wird der erste Walzendurchgang durchgeführt, und das Blech
kann auch in demselben Werk fertiggewalzt werden.
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In der Nahtschweißvorrichtung 21 können die Kanten völlig zusammengeschweißt
werden, während die Blechpakete beim Pressen und Schneiden in. den Vorrichtungen
27 und 33 mit den Enden kräftig zusammengedrückt werden. Sie werden nur so weit
zusammengedrückt, daß das entwickelte Gas durch die engen Durchgänge zwischen den
Blechen an den Enden der Blechpakete bei der Reaktion in dem Wärmeofen 37 ausgepreßt
werden kann. Der Gasdurchgang durch diese engen verbleibenden Öffnungen ist so schwer,
daß man nicht zu befürchten braucht, daß Luft oder andere oxydierende Gase während
der Behandlung eintreten können.
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Die fortlaufende Zuführung am Anfang der Einrichtung wird zweckmäßigerweise
dadurch bewirkt, daß wenigstens einige der Rollen 1 angetrieben werden. Es können
indessen auch besondere Vorschubmittel vorgesehen sein, die z. B. in Verbindung
mit der Schweißvorrichtung 21 stehen oder hinter dieser angeordnet sind.