DE1238625B - Verfahren und Vorrichtung zum Entgasen von schmelzfluessigem Stahl - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B22d

Deutsche Kl.: 31 b2 - 27/16

Nummer: 1 238 625

Aktenzeichen: U 7138 VI a/31 b2

Anmeldetag: 17. Mai 1960

Auslegetag: 13. April 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entgasen von schmelzflüssigem Stahl beim Vergießen des Stahls in eine Kokille.

Wird ein Strahl schmelzflüssigen Metalls einem erheblichen Unterdruck ausgesetzt, tritt auf Grund der Expansion der im Metall eingeschlossenen Gase eine Aufteilung des Strahls in divergierende Einzelstrahlen auf. Mittels dieses bekannten Effektes ist es möglich, unerwünschte Gaseinschlüsse aus dem Metall zu befreien, d. h., das Metall zu entgasen. Je niedriger dabei der Druck ist, dem das Metall ausgesetzt wird, um so stärker und wirkungsvoller ist die Entgasung. So ist zur Verminderung des Wasserstoffgehalts von Stahl auf etwa 0,00015 % ein Unterdruck von höchstens 1 mm Hg erforderlich. Wird jedoch Stahlschmelze in eine die Gießform enthaltende Vakuumkammer mit einem Druck von 1 mm Hg eingegossen, erfolgt die Zerteilung des Gießstrahls mit nahezu explosionsartiger Vehemenz. Dies hat zur Folge, daß die Schmelze in die Vakuumkammer verspritzt und es nicht möglich ist, einen brauchbaren Guß zu erzielen. Es ist nun zwar bereits eine Vakuumkammer, in welcher ein Druck von weniger als 0,5 mm Quecksilbersäule aufrechterhalten wird, bekannt, in deren Eingießöffnung ein Trichter eingesetzt ist, dessen Mantel den expandierenden Sprühstrahl begrenzen und dessen Auslaßöffnung den Sprühstrahl in einen im wesentlichen massiven Gießstrahl zurückformen soll. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß bei einem Vakuum von etwa 0,5 mm Hg die Aufteilung des Gießstrahls mit einer derartigen Vehemenz erfolgt, daß mit diesem Trichter ein einwandfreies Auffangen der Metalltropfen und Zurückführen dieser Tropfen in einen massiven Gießstrahl nicht gewährleistet ist. So ist insbesondere mit diesem Trichter nicht zu verhindern, daß die Innenwandung der Kokille mit Metalltropfen besprüht wird, was die Oberflächengüte des zu erzielenden Gußstückes äußerst nachteilig beeinflußt.

Es ist weiterhin ein Vakuumgießverfahren bekannt, bei dem das Druckgefälle in mindestens zwei kleinere Druckgefälle zerlegt wird. Der Druck in der ersten Stufe soll dabei etwa 20 bis 30 mm Hg betragen, in der zweiten Stufe bis zu 10~² mm Hg. Damit soll und wird ein Versprühen des Metallstrahls vermieden, da die erwähnte explosionsartige Zerteilung des Gießstrahls nur dann auftritt, wenn der Gießstrahl vom Normaldruck in ein Vakuum von höchstens etwa 3 mm Hg eintritt. Diese Verhinderung des Zersprühens des Gießstrahls bringt jedoch den schwerwiegenden Nachteil mit sich, daß die Ent-Verf ahren und Vorrichtung zum Entgasen von
schmelzflüssigem Stahl

Anmelder:

United States Steel Corporation,
Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,

München 22, Widenmayerstr. 5

gasungswirkung mangelhaft ist, wie niedrig auch das Vakuum der Endstufe gewählt wird. Dieses bekannte Verfahren ist deshalb nicht dazu geeignet, den Wasserstoffgehalt von Stahl auf etwa 0,00015% herabzusetzen.

Ziel der Erfindung ist es deshalb, ein plötzliches Zerstäuben des Gießstrahls zuzulassen, womit eine wirkungsvolle Entgasung gewährleistet ist, zugleich aber zu gewährleisten, daß in die Kokille der schmelzflüssige Stahl als massiver Gießstrahl eintritt, so daß auch einwandfreie Oberflächen der Gußstücke erzielt werden.

Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel durch ein Verfahren erreicht, bei welchem der Stahl in eine Kokille vergossen wird, die in einer Vakuumkammer unter einem Druck von weniger als 0,5 mm Quecksilbersäule steht, wobei der Gießstrahl vom Bodenausguß der Pfanne zunächst durch eine Vorkammer fällt, hier versprüht wird und in einem unter dem Pfannenguß angeordneten, die Vorkammer mit der Vakuumkammer verbindenden Trichter wieder zu einem geschlossenen Strahl zusammengefaßt wird, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß während des Gießvorgangs in der Vorkammer ein Druck von höchstens 2,5 mm Quecksilbersäule und in der Vakuumkammer ein Druck unter 1,0 mm Quecksilbersäule aufrechterhalten wird. Zweckmäßigerweise wird dieses Verfahren mit einer Vorrichtung durchgeführt, bei welcher an die Vorkammer eine weitere Absaugeinrichtung angeschlossen ist, die den austretenden

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Wasserstoff absaugt und einen Druckanstieg in der Vorkammer über 2,5 mm Quecksilbersäule verhindert.

Mit der Erfindung wird der Vorteil erreicht, daß die Stahlschmelze in der Vorkammer vollständig zerstäubt und damit wirkungsvoll entgast wird, beim Eintritt in die eigentliche Vakuumkammer jedoch bereits wieder als massiver Gießstrahl vorliegt, der keiner weiteren Aufspaltung mehr unterworfen wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. la eine Einzeldarstellung in vergrößertem Maßstab und

F i g. 2 in vergrößertem Maßstab eine Ansicht im Querschnitt nach der Linie H-II von Fig. 1.

In der Zeichnung ist mit 2 eine Vakuumgießkammer bezeichnet; sie besteht aus einem Fußteil 4 und einem abnehmbaren Gehäuseteil 6, wobei eine Dichtung 8 zwischengeschaltet ist. Eine Absaugleitung 10 verbindet die Kammer 2 über den Fußteil 4 mit nicht gezeigten Absaugpumpen. Für die Zwecke der Erfindung müssen die Pumpen die Kammer 2 auf einem Druck unter 1 mm Quecksilbersäule halten können, wenn das Metall mit einem maximal zu erwartenden Wasserstoffgehalt und mit einer gewünschten maximalen Geschwindigkeit in die Vorrichtung eingegossen wird. Der Fuß teil 4 und das Gehäuse 6 sind aus Stahlblech oder aus einem anderen Metall von solcher Festigkeit hergestellt, daß sie dem atmosphärischen Außendruck und dem Gewicht der Gießpfanne 12 sowie des schmelzflüssigen Metalls 20 zu widerstehen vermögen. Die Gießpfanne 12 ist mit einem sich nach unten erstreckenden, in einen Flansch auslaufenden Ringteil 11 versehen, der an der Unterseite der Gießpfanne gasdicht befestigt ist und auf einem Flansch eines korrespondierenden Ringes 13 aufruht, welcher an der Oberseite des Gehäuses 6 gasdicht befestigt ist. Zwischen den Flanschen der Ringe 11 und 13 ist ein Dichtungselement 14, z. B. ein zusammendrückbarer Dichtungsring, angeordnet. Die Unterseite der Pfanne 12 bildet zusammen mit den Ringen 11 und 13 und der Oberseite des Gehäuses eine Vorkammer 15, welche in die Kammer 2 durch eine Öffnung 22 in der Oberseite des Gehäuses 6 mündet. Die Vorkammer 15 ist mit einer Vakuumpumpe 17 über ein Regelventil 19 und eine am Ring 13 angebrachte Rohrleitung 21 verbunden. Die Pumpe 17 muß eine solche Leistung aufweisen, daß sie die Vorkammer 15 während des Gießvorgangs auf einem Druck von maximal 2,5 mm Hg halten kann. Die Gießpfanne 12 weist außerdem eine feuerfest ausgekleidete Düse 16 üblicher Gestalt auf, deren Durchmesser auf der Zeichnung mit D-16 bezeichnet ist und die zentral über der Öffnung 22 des Gehäuses 6 steht. Die Düse kann durch einen üblichen Stopfen 18 verschlossen werden, der durch eine nicht gezeichnete Hebelanordnung bekannter Art angehoben und abgesenkt werden kann. Bei Anheben des Stopfens 18 fließt schmelzflüssiges Metall 20 durch die Vorkammer 15 hindurch in eine Gießform 24, die auf einem Sockel 26 in der Kammer 2 unterhalb der Öffnung 22 angeordnet ist. Mit 27 ist ein von der Form getragener Gießaufsatz bekannter Art für die Form 24 bezeichnet.

Eine als Ganzes mit 49 bezeichnete Trichteranordnung ist in die Öffnung 22 des Gehäuses 6 eingesetzt und weist einen Mantel 50 mit einer herausnehmbaren Auskleidung 52 auf, die aus Metall oder einem feuerfesten Material besteht. Der Mantel 50 ist mit einem nach innen abstehenden Flansch 54 versehen, der zur Lagerung des Auskleidungseinsatzes 52 dient. Der Einsatz 52 weist ebenfalls einen nach innen abstehenden Flansch 56 auf, der eine Öffnung 58, deren

ίο Durchmesser mit D-58 bezeichnet ist, begrenzt, der wesentlich kleiner ist als der Durchmesser D-52 des Mantelteils des Einsatzes 52.

Da die Erfindung bei Verwendung entsprechend leistungsstarker Pumpen keine über das Übliche hinausgehende Beschränkungen hinsichtlich der Gießgeschwindigkeit erfordert, wird zur Erzielung kürzestmöglicher Gießzeiten der Durchmesser D-16 der Gießdüse vorteilhafterweise so groß gewählt, daß die gewünschte maximale Strömungsgeschwindigkeit des Gießmetalls erhalten wird, die in bekannter Weise von der Größe des zu gießenden Blockes abhängt. So kann z. B. im Fall eines Blockes von 20 t ein Düsendurchmesser von 50 bis 75 mm, der Gießgeschwindigkeiten von 10 bis 20 t in der Minute ergibt, zweckmäßig sein, während für kleinere Blöcke Düsen bis herunter zu einem Mindestwert von etwa 25 mm möglich sind.

Die Erfindung ist für die Behandlung von Stahl bestimmt, der ursprünglich bis zu 9 Teile Wasserstoff auf die Million enthält (0,0009%) und auf weniger als 1,5 T/M (0,00015%) Wasserstoff gebracht werden soll. Wie erwähnt, erfordert dieses Ziel die Durchführung des Gießvorgangs bei einem Unterdruck von weniger als 1 mm Hg, wobei eine starke Zerstäubung des Gießstroms durch die Gasentwicklung erfolgt. Der Trichter 49 dient nun dazu, diese Zersprühung räumlich zu begrenzen, während mittels der Durchlaßöffnung 58 des Flansches 56 der Auskleidung 52 das zersprühte Metall wieder zu einem im wesentliehen massiven Gießstrom zurückgeformt wird. Dabei soll der Durchmesser D-58 der Öffnung 58 nicht größer sein als etwa das Fünffache und nicht kleiner als etwa das Zweifache des Durchmessers D-16 der Düse 16. Bei größeren Öffnungen 58 wird nämlich der Sprühnebel nicht ausreichend zu einem massiven Strahl zusammengefaßt, wenn dagegen der Durchmesser D-58 weniger als zweimal so groß wie der Durchmesser D-16 ist, kann das Metall nicht rasch genug aus dem Trichter abfließen. In manchen Fällen kann es jedoch auch zweckmäßig sein, den Sprüh-

:: nebel nicht zu einem massiven Strahl, sondern nur zu einem Tröpfchenstrahl zusammenzufassen.

Außerdem muß der Trichter so angeordnet werden, daß er den gesamten Sprühnebel auffängt; dabei darf er jedoch die Düse nicht so umgeben, daß das Abziehen der frei gewordenen Gase in die Vorkammer 15 verhindert oder erschwert wird. Daher darf der Abstand L-I vom oberen Ende des Auskleidungseinsatzes 52 zum unteren Ende der Düse 16 nicht geringer sein als etwa 25 mm, und der Innendurchmesser D-52 des Einsatzes muß mindestens das 4,7fache des Abstandes L-I und vorzugsweise das 4,7fache der Summe aus dem Abstand L-I und dem Durchmesser D-16 betragen. Der Abstand L-I kann vergrößert werden, vorausgesetzt, daß das Mindestverhältnis des Durchmessers D-52 zum Abstand L-I gewahrt bleibt. Besonders zweckmäßig ist es, einen Abstand L-I von etwa 75 mm zu verwenden, in wel-

chem Fall der Durchmesser D-S2 mindestens etwa 35,5 cm betragen muß und vorzugsweise 35,5 cm plus dem Durchmesser D-16 der Pfannendüse betragen soll. Die Abmessung D-52 bezieht sich auf das obere Ende des Verkleidungseinsatzes, d. h., der Einsatz muß nicht über seine gesamte Länge einen gleichbleibenden Durchmesser aufweisen, sondern er kann gegebenenfalls mit konischen Seitenwänden versehen sein. In der Praxis nimmt der Einsatz sogar von selbst die Form als Folge einer Metallablagerung während der Anfangsstadien des Gießvorganges an, wenn also der Einsatz noch kalt ist.

Die Länge L-2 des Einsatzes muß mindestens gleich dem größten Innendurchmesser des Einsatzes sein, um tatsächlich ein vollständiges Sammeln des Sprühstrahls zu erreichen. Der Abstand L-2 kann gegebenenfalls größer sein, solange die Trichteranordnung ausreichend weit oberhalb des Gießaufsatzes endet, so daß der Gießstrom und der Metallspiegel in der Form während des Gießvorgangs beobachtet werden können.

Um Gußblöcke herzustellen, die weniger als 1,5 T/M (0,00015 o/o) Wasserstoff enthalten und trotzdem eine optimale Oberflächengüte aufweisen, muß außerdem das Metall bereits in der Vorkammer 15 im wesentlichen auf den gewünschten geringen Wasserstoffwert entgast sein; wenn dies nicht erreicht wird, erfolgt zwangläufig ein zweites Zersprühen des Metalls innerhalb der Trichteranordnung in der Kammer 2. Obwohl die sich in der Vorkammer 15 entwickelnde Wasserstoffmenge relativ gering ist, ist ihr Volumen bei den zu ihrer Freisetzung erforderlichen Unterdrücken außerordentlich groß. Beispielsweise nimmt bei einem Druck von 1 mm Quecksilbersäule und einer Gießgeschwindigkeit von 10 t in der Minute jedes aus dem Stahl freigesetzte T/M (0,0001%) Wasserstoff ein Volumen von 77,305 m³ ein, so daß bei der Herabsetzung des Wasserstoffgehalts auf 1,5 T/M (0,00015%) aus dem Stahl, der in der Pfanne 9 T/M (0,0009%) enthält, 579,788 m» Wasserstoffgas in der Minute freigesetzt werden. In der Praxis ist das Volumen des entweichenden Gases tatsächlich sogar noch etwas größer, da auch geringe Mengen an Sauerstoff (als CO) und Stickstoff freigesetzt werden. Obwohl die Mengen der letzteren Gase von Stahl zu Stahl beträchtlich schwanken, können sie die gesamte Gasentwicklung unter den vorgenannten Bedingungen bis auf 1700 m³ pro Minute erhöhen, welches Volumen gegebenenfalls durch Lufteinschlüsse noch weiter vergrößert werden kann. Wird deshalb dieses freigesetzte Gas nicht sofort abgeleitet, so nimmt der Druck in der Vorkammer 15 schnell zu, mit der Folge, daß die Menge des neu freigesetzten Gases sich vermindert. Eine gewisse Druckzunahme in unmittelbarer Nähe der Gasentwicklung kann selbstverständlich nicht vermieden werden und ist auch ohne Bedeutung. Wesentlich ist jedoch, daß der Druck in der Vorkammer 15 nicht über einen Wert von 2,5 mm Hg ansteigt, da dann gewährleistet ist, daß das aus dem Trichter austretende Metall nicht mehr als etwa 2,5 T/M (0,00025%) Wasserstoff enthält, wobei dann zusätzlich 1 bis 1,5 T/M (0,0001 bis 0,00015%) Wasserstoff freigesetzt werden, wenn dieser Strahl in die Kammer 2 eintritt, ohne daß dabei der Gießstrahl nochmals zerstäubt. Ein Teil des aus dem Gießstrahl in der Kammer 15 freigesetzten Gases tritt zwangläufig durch die Öffnung 58 des Einsatzes 52 hindurch. Da jedoch die Größe der öffnung 58 begrenzt ist, um die Bildung des gewünschten massiven Metallstrahls zu bewirken, ist die Menge des durch diese Öffnung austretenden freigesetzten Gases nur sehr klein. Der größte Teil des freigesetzten Gases muß also durch zusätzliche Maßnahmen entfernt werden. Für diesen Zweck ist eine Hilfspumpe 17 vorgesehen. Jedoch kann gegebenenfalls auch die Leitung 21 unmittelbar mit der Absaugleitung 10 verbunden werden,

ίο oder es können an Stelle der Pumpe 17 oder zusätzlich zu dieser weitere Absaugöffnungen zwischen der Vorkammer 15 und der Kammer 2 im Gehäuse 6 vorgesehen sein. Bei der letzterwähnten Maßnahme dienen dann die Hauptpumpen auch dazu, das in der Vorkammer 15 entwickelte Gas durch die Kammer 2 hindurch zu entfernen, und zwar ohne daß dieses Gas durch die Gießöffnung 58 hindurchtreten muß. Die zusätzlichen Absaugöffnungen müssen jedoch eine beträchtliche Größe aufweisen. Beispielsweise müssen sie bei einer Gießgeschwindigkeit von 8 t in der Minute eines Stahlstrahls, der 9 T/M (0,0009%) Wasserstoff enthält, eine Fläche von mindestens 516 bis 645 cm² aufweisen.

Wie sich aus dem Vorangehenden ergibt, besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, daß ein Strom schmelzflüssigen, mit Wasserstoff verunreinigten Stahls in eine Vorkammer geleitet wird, die auf einem Druck unter 2,5 mm Quecksilbersäule gehalten wird und in welcher der Strahl explosionsartig in einen Sprühstrahl zerstäubt, womit sein Wasserstoffgehalt auf weniger als etwa 2,5 T/M (0,00025%) herabgesetzt wird. Der im wesentlichen entgaste Sprühstrahl wird dann gesammelt und zu einem im wesentlichen massiven Strom zurückgebildet. Der zurückgebildete massive Gießstrahl wird dann in eine zweite Kammer, die eigentliche Vakuumkammer, eingeleitet, welche auf einem Druck von weniger als etwa 1 mm Hg gehalten ist und in welcher der Wasserstoffgehalt des Gießstrahls auf weniger als 1,5 T/M (0,00015%) absinkt, und zwar ohne erneutes Zerbersten des Gießstrahls, worauf dann der Gießstrahl in die Gießform eingeleitet wird, die in der zweiten Kammer untergebracht ist. In der Praxis ist es vorzuziehen, die zweite Kammer auf einem Druck von etwa 0,5 mm Quecksilbersäule zu halten. Bei diesem Druck erzeugt das Verfahren gleichmäßig saubere Blöcke, die von Oberflächenfehlern frei sind und weniger als 1,0 T/M (0,0001%) Wasserstoff enthalten. Das Verfahren ist zur Herstellung von Blöcken von jeder gewünschten Größe sowohl durch steigendes als auch durch fallendes Vergießen geeignet.

Nachstehend soll noch das Gießen eines Blockes von 200 t mittels der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung erläutert werden. Nachdem die Form und der Gießaufsatz auf den Sockel 26 aufgesetzt worden sind und das Gehäuse 6 sowie die Pfanne 12 aufgestellt sind, wird die Vorrichtung auf einen Druck von mindestens 0,5 mm Quecksilbersäule evakuiert. Hierauf wird die Pfanne 12 mit schmelzflüssigem Stahl 20 aus einer üblichen Transportpfanne beschickt. Bei laufenden Absaugpumpen wird dann das Metall durch die Düse 16 mit einem Durchmesser von 57 mm aus der Pfanne 12 in die Vorkammer 15 eingeleitet, wobei sich eine Gießgeschwindigkeit von etwa 10 t pro Minute ergibt. Um diese Geschwindigkeit während des Gießvorgangs sicherzustellen, wird der Metallspiegel in der Pfanne 12 durch weiteres Zuschütten aus der Transportpfanne annähernd kon-

stantgehalten. Die Pumpe 17 wird durch das Regelventil 19 so geregelt, daß der Hauptteil des sich entwickelnden Gases aus dem Sprühstrom direkt entfernt wird, während der Rest des freigesetzten Gases die Vorkammer 15 zusammen mit dem Gießstrahl durch die Öffnung 58 im Trichtereinsatz 52 verläßt. Der Druck in der Vorkammer 15 kann gleich demjenigen in der Kammer 2 gehalten werden, jedoch findet während des Gießvorgangs ein gewisser Druckanstieg statt, es genügt jedoch, wenn der Druck unter 2,5 mm Hg bleibt. Der zersprühte Strahl wird dann durch die Trichteranordnung 49 wieder gesammelt und tritt in die Kammer 2 durch die Öffnung 58 als im wesentlichen massiver, zuammenhängender Strahl ein, der ohne nochmalige Zerstäubung in die Form 24 fällt. Der Druck in der Kammer 2 wird vorzugsweise auf etwa 0,5 mm Quecksilbersäule gehalten. Das Freisetzen von zusätzlichem Gas aus dem Metall in dieser Kammer zusammen mit dem freigesetzten Gas, das aus der Vorkammer 15 zusammen mit dem Metallstrom eintritt, wirkt sich jedoch im Sinne eines Druckanstiegs aus, der jedoch so lange nicht nachteilig ist, als der Druck unter 1 mm Quecksilbersäule bleibt, was durch geeignete Regelung des Hauptpumpensystems erreichbar ist. Nach Beendigung des Gießvorgangs wird die Vorrichtung wieder mit dem Außenluftdruck in Verbindung gebracht und das Gehäuse abgenommen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Entgasen von schmelzflüssigem Stahl beim Vergießen des Stahls in eine Kokille, die in einer Vakuumkammer unter einem Druck von weniger als 0,5 mm Quecksilbersäule steht, wobei der Gießstrahl vom Bodenausguß der Pfanne zunächst durch eine Vorkammer fällt, hier zersprüht wird und in einem unter dem Pfannenausguß angeordneten, die Vorkammer mit der Vakuumkammer verbindenden Trichter wieder zu einem geschlossenen Strahl zusammengefaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Gießvorgangs in der Vorkammer ein Druck von höchstens 2,5 mm Quecksilbersäule und in der Vakuumkammer ein Druck unter 1,0 mm Quecksilbersäule aufrechterhalten wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Vorkammer (15) eine weitere Absaugvorrichtung (17,19, 21) angeschlossen ist, die den austretenden Wasserstoff absaugt und einen Druckanstieg in der Vorkammer über 2,5 mm Quecksilbersäule verhindert.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1173 413,
944.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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