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Verfahren zur Herstellung praktisch schlackenfreier Stähle im basischen
Lichtbogenofen oder im basischen Induktionsofen _ Eines der schwierigsten Probleme
bei der Stahlherstellung stellt die Beherrschung der als Folge des Herstellungsverfahrens
im Stahl zurückbleibenden nichtmetallischen Einschlüsse dar. Die Menge dieser Einschlüsse,
ihre Art und ihre Verteilung können in entscheidender Weise die Stahleigenschaften
beeinflussen. Bei der Herstellung von schweren Schmiedestücken, wie z. B. Achsen,
Wellen, Läufern für Dampf-, Wasser- und Gasturbinen, Induktorkörper u. dgl., für
welche große Blöcke mit über 25 t Gewicht benötigt werden, können die nichtmetallischen
Einschlüsse für die Brauchbarkeit dieser Blöcke von entscheidender Bedeutung sein.
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Beim Vorliegen derartiger Anforderungen an die Stahlqualität werden
von Haus aus ausschließlich Herstellungsverfahren gewählt, die in bezug auf die
erzielbare Schlackenreinheit als die aussichtsreichsten angesehen werden müssen.
In dieser Hinsicht kommt vor allem der basische Lichtbogenofen und in Sonderfällen
der basische Induktionsofen in Betracht. Dennoch ist es aber auch bei Auswahl dieser
Herstellungsverfahren nicht immer mit Sicherheit möglich, das gewünschte Ziel zu
erreichen, und es liegen bereits zahlreiche Vorschläge vor, welche die Vermeidung
von Schlackeneinschlüssen oder allgemein die Vermeidung von nichtmetallischen Einschlüssen
ermöglichen sollen.
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Die Ausbildung unerwünschter Einschlüsse im Stahl ist bekanntlich
auf verschiedene Ursachen zurückzuführen. Solche Einschlüsse können aus den keramischen
Teilen stammen, mit denen der flüssige Stahl im Laufe seines Herstellungsverfahrens
in Berührung kommt, ferner können solche Einschlüsse Schlackenreste darstellen,
die während der Erstarrung des Stahles in der Kokille festgehalten werden, oder
sie können Verunreinigungen im Stahl, wie z. B. an Schwefel, zur Ursache haben,
die dann wieder nichtmetallische Einschlüsse, z. B. sulfidische Einschlüsse, ergeben.
Man ist daher bestrebt, einen möglichst schwefelarmen Stahl herzustellen und das
Gießen im Vakuum oder unter Schutzgas vorzunehmen. Auch ist es bekannt, möglichst
direkt, also fallend und ohne Zwischengefäße zu gießen.
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Eine besondere Einschlußquelle stellen die Vorgänge bei der Desoxydation
dar, die ihre Aufgabe m befriedigender Weise nur dann zu erfüllen vermag, wenn es
gelingt, die Desoxydationsprodukte, die sowohl gasförmig, flüssig oder fest sein
können, in der zur Verfügung stehenden Zeit zur Abscheidung zu bringen.
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Insbesondere wurde bisher das bei der Desoxydation mit dem kräftigen
Desoxydationsmittel Aluminium stehende feste A1203 als besonders schwer abscheidbar
angesehen. Deshalb wird auch das Aluminium bei der Elektrostahlerzeugung im allgemeinen
erst nach dem Zusatz der milderen Desoxydationsmittel, wie Mn und Si, also erst
am Ende der Feinungsperiode bzw. erst beim Abstich dem Stahlbad zugesetzt, um auf
diese Weise durch Abbinden des verhältnismäßig geringen Restsauerstoffgehaltes nur
eine geringe Menge von A1203 Einschlüssen zu erhalten. Trotz Beachtung dieser Maßnahmen
ist die Schlackenreinheit noch immer unbefriedigend.
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Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, das Aluminium während der
Feinungsperiode vor dem Zusatz der Legierungen und der Desoxydationsmittel, wie
Ferro-Mangan oder Ferro-Silizium, zuzugeben, um auf diese Weise absichtlich A1203
Einschlüsse im Stahl zu erzeugen und diese Einschlüsse an den Korngrenzen durch
Zusammenballung in eine unschädliche Form überzuführen. Für viele Verwendungszwecke
sind aber auch diese zusammengeballten Einschlüsse unerwünscht. Es besteht nach
wie vor das allgemeine Bedürfnis nach praktisch schlackenfreien Stählen.
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Dieses Ziel wird durch die vorliegende Erfindung erreicht. Sie beruht
auf der Erkenntnis, daß das flüssige Stahlbad im Lichtbogen- oder Induktionsofen
das sich bei der Desoxydation mit A1 bildende A1203 in relativ kurzer Zeit abzuscheiden
vermag, wenn eine vollständige Desoxydation mit A1 in dem Zeitpunkt vorgenommen
wird, in dem das Stahlbad seinen
höchsten Sauerstoffgehalt aufweist,
nämlich am Ende der Frischperiode bzw. zu Beginn der Feinungsperiode. Durch die
vollständige Desoxydation wird außerdem der Sauerstoffgehalt des Bades auf solche
Werte gesenkt, daß sich bei der nachfolgenden Zugabe von Legierungen und anderen
Desoxydationsmitteln keine nennenswerten Einschlüsse mehr bilden. Um unerwünschte
Reaktionen des Aluminiums mit der Frischschlacke zu vermeiden, erfolgt die Al-Zugabe
nach dem Abziehen derselben.
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Gegenstand der Erfindung ist also ein Verfahren zur Herstellung praktisch
schlackenfreier Stähle als Aufbauschmelzen im basischen Lichtbogenofen oder im basischen
Induktionsofen, wobei die Schmelze gefrischt, nach dem Abziehen der Frischschlacke
unter einer Feinungschlacke fertiggemacht bzw. legiert wird und im Ofen einen Zusatz
von Aluminium erhält, und die Erfindung besteht darin, daß die Schmelze nach dem
Abziehen der Frischschlacke, jedoch vor dem gegebenenfalls, erforderlichen Aufkohlen
und vor dem Aufbringen der Feinungsschlacke ausschließlich mit 0,05 bis 0,2011/o
Al desoxydiert, nach dem Aufbringen der Feinungsschlacke im Ofen bis zur vollständigen
Abscheidung des Desoxydationsproduktes A1203 belassen wird und der Schmelze gegebenenfalls
nach weiterem Aufkohlen und Legieren beim Abstich ein Zusatz von höchstens 0,1%
Ca, z. B. in Form von CaSi oder CaAl, zum Schutz gegen Luftoxydation in die Pfanne
aufgegeben wird.
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Erfindungsgemäß beginnt also die Reduktionsperiode mit einer vollständigen
Desoxydation der Schmelze durch Aluminium, und die Feinungsschlacke bzw. die bekannten
Reduktionsmittel für dieselbe haben nur mehr die Aufgabe, das Legieren zu ermöglichen
bzw. eine Sauerstoffaufnahme der Schmelze zu verhindern und nicht, wie bisher üblich,
den Sauerstoffgehalt laufend zu senken. Dadurch wird die Feinungsperiode wesentlich
abgekürzt. Die Ermittlung der notwendigen AI-Menge zur Einstellung eines gewünschten
Gleichgewichtssauerstoffgehaltes in Stahlschmelzen war bereits Gegenstand eingehender
Untersuchungen. Sie ist bekanntlich abhängig von der Temperatur der Schmelze und
vom Kohlenstoffgehalt derselben. Für den Zweck der vorliegenden Erfindung, also
zur Erzielung eines möglichst sauerstoffarmen Bades, ist es im allgemeinen ausreichend,
mit einer AI-Menge von etwa 0,1% zu desoxydieren.
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Erfahrungsgemäß ist nach erfolgtem Aufschmelzen der Feinungsschlacke
die Abscheidung des A1203 bereits beendet. Die übliche Schlußdesoxydahon am Ende
der Feinungsperiode entfällt somit zur Gänze.
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Die Zugabe von Ca in die Pfanne dient dem Zweck, den flüssigen Stahl
vor einer neuerlichen Sauerstoffaufnahme durch die Luft zu schützen. In dieser Hinsicht
hat sich das Ca als besonders wirksam erwiesen; es kann in Form von CaSi und/oder
CaAl zur Anwendung kommen. Eine weitere zusätzliche Möglichkeit zum Schutz gegen
Luftoxydation besteht darin, das Vergießen der Schmelze unter Vakuum oder Schutzgas
durchzuführen.
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Zur Vermeidung der Aufnahme von nichtmetallischen Einschlüssen aus
keramischen Massen ist es ferner empfehlenswert, die Schmelze in an sich bekannter
Weise unmittelbar aus der Abstichpfanne zu vergießen und die Benutzung von Zwischenpfannen
zu vermeiden.
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Bei Beachtung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen war es
beispielsweise möglich, 50 t schwere; im Vakuum vergossene Schmiedeblöcke aus niedriglegierten
Stählen mit einwandfreiem Ultraschallbefund serienmäßig herzustellen und vor allem
die bei der üblichen Herstellungsweise unter Verwendung der bekannten Schlußdesoxydation
auftretenden Ansammlungen von nichtmetallischen Einschlüssen im Blockfuß, die häufig
schlechte Ultraschallbefunde ergeben, zu vermeiden.