DE1508146C3 - Verfahren zum Herstellen eines randblasen- und lunkerfreien Stahlblocks, bei dem ein vorzugsweise im Vakuum beruhigter Stahl vergossen wird - Google Patents

Description

Es ist bekannt, Stahlblöcke oder Brammen beruhigt, unberuhigt oder auch halbberuhigt zu vergießen, wobei ein unberuhigtes bzw. halbberuhigtes Erstarren wegen der Verringerung des Schwindungslunkers im allgemeinen vorgezogen wird. Der Wegfall des Schwindungslunkers verringert in starkem Maße den Kopfschrott und führt damit zu einer nicht unbeträchtlichen Erhöhung des Ausbringens gegenüber beruhigt erstarrtem Stahl.

Bei unberuhigtem Erstarren macht sich jedoch die Blockseigerung insoweit unangenehm bemerkbar, als die Legierungselemente des Stahls ungleichmäßig über den Blockquerschnitt verteilt sind. Diesen Nachteil weisen halbberuhigt erstarrte Blöcke nicht auf; bei ihnen ist die Verteilung der Eisenbegleiter und Legierungselemente bei verhältnismäßig geringem Schwindungslunker und wenig Kopfschrott über den Blockquerschnitt homogen. Dafür haben halbberuhigt erstarrte Blöcke jedoch einen anderen Mangel, der darin besteht, ■ daß ein Teil des sich während des Erstarrens bildenden Kohlenmonoxyds in Form von kleinen Blasen in der erstarrten Randschicht des Blocks verbleibt. Derartige Randblasen stellen einen sehr unangenehmen Fehler dar, der sich insbesondere bei der Weiterverarbeitung der Blöcke sehr nachteilig auswirkt. Dabei ist der Randblasenbefall häufig so stark, daß ein erheblicher Teil der Randschicht durch Flämmen oder dergleichen Maßnahmen entfernt werden muß.

Es ist bekannt, daß das beim Erstarren entstehende Kohlenmonoxyd je nach Menge zum unberuhigten oder halbberuhigten Erstarren führt. Inwieweit der Erstarrungsvorgang im Einzelfall unberuhigt oder halbberuhigt ist, ergibt sich daraus, wie stark der Stahl bei gegebener Temperatur von seinem Kohlenstoff-Sauerstoff-Gleichgewicht abweicht. Um ein halbberuhigtes Erstarren zu erreichen, werden Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalt entweder durch Vordesoxydation oder durch eine Vakuumbehandlung so eingestellt, daß sie merklich unter dem betreffenden Gleichgewichtswert liegen, dieser jedoch durch die Kohlenstoff- und Sauerstoff-Seigerung im Bereich der Erstarrungsfront überschritten wird. Bei beruhigten Stählen wird der freie Sauerstoff des Stahls im allgemeinen durch Zugabe sauerstoffaffiner Elemente, wie Aluminium, Silizium und Titan, so weit erniedrigt, daß das Kohlenstoff-Sauerstoff-Gleichgewicht während des Erstarrens nicht erreicht wird.

Bekannt ist aus der deutschen Patentschrift 9 00 459 ein Verfahren, beim Vergießen beruhigter Stähle die Gefahr von Einschlüssen zu verringern. Dies geschieht in der Weise, daß die Stahlschmelze mit Hilfe von Gußeisenspänen nachdesoxydiert wird, die in der Schmelze Kohlenmonoxyd entwickeln, das seinerseits die Verunreinigungen zur Badoberfläche hin ausspült. Die Nachdesoxydation erfolgt in der Pfanne oder spätestens beim Eingießen des Stahls in die Kokille, um möglichst die ganze Schmelze in der Pfanne oder Kokille mit dem Spülgas zu beaufschlagen. Ein Verfahren, bei dem reaktionsfähige Feststoffe in den unteren Teil einer Kokillenschmelze eingebracht werden, um den ganzen Kokilleninhalt nach Art einer Spülgas-Behandlung in lebhafte Wallung zu versetzen, ist aus der deutschen Patentschrift 2 86 227 bekannt. Dieses Verfahren stellt eine Art Kokillenfrischen dar, bei dem sauerstoffreiche Stoffe in die Kokillenschmelze eingetragen werden und dort unter Wärmeentwicklung Schlacke und Gase bilden. Die verschiedensten Spülgasbzw. Einblas-Verfahren und -Vorrichtungen werden in »GIESSEREI«, 1961, S. 639 bis 647 beschrieben, ohne daß dabei jedoch die Probleme der Blockerstarrung erörtert oder Maßnahmen zu deren Beeinflussung vorgeschlagen werden.

Schließlich lehrt die als älteres Recht in Betracht gezogene deutsche Patentschrift 14 33 546 ein Verfahren, bei dem in eine Kokillenschmelze kohlenmonoxydabgebende Feststoffe und/oder ein Gemisch aus Sauerstoff und Kohlenstoff abgebenden Feststoffen eingetragen wird, um lunkerfreie beruhigte oder unberuhigte Stahlblöcke zu erzeugen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der eingangs erwähnten bekannten Verfahren unter Beibehaltung ihrer Vorteile zu beseitigen und insbesondere ein Verfahren zu schaffen, das einen sowohl randblasen- als auch schwindungslunkerfreien Stahlblock herzustellen erlaubt.

Die Lösung dieser Aufgabe geht von der Feststellung aus, daß ein Stahl auch dann beruhigt erstarrt, wenn sein Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalt beispielsweise durch eine Vakuumbehandlung auf tiefe Werte abgesenkt wird und der Stahl einen von diesen Werten bestimmten Mangangehalt besitzt. Anders ausgedrückt bedeutet das, der Stahl erstarrt bei gegebenem Sauerstoff- und Mangangehalt beruhigt, wenn sein Kohlenstoffgehalt unter einem bestimmten Wert liegt. Für die Abhängigkeit des Kohlenstoffgehaltes im Hinblick auf ein beruhigtes Erstarren wurden folgende Beziehungen gefunden:

für (% O) = 20 · 10-3 ist(0/₀ q

< - 0,0035 + 0,06 (% Mn),
für (% O) = 30 · 10-3 i_st (o/_o Q

< - 0,0055 + 0,06 (% Mn),
für (%O) = 40 · 10-3 ist (% C)

< - 0,0075 + 0,06 (% Mn).

Die festgestellte Abhängigkeit der Gehalte an Sauerstoff, Kohlenstoff und Mangan sei nachfolgend an Hand eines Beispiels näher erläutert Ein Stahl mit 0,030% Sauerstoff, 0,42% Mangan, weniger als 0,002% Aluminium, unter 0,01% Silizium erfordert in Anwendung der vorstehenden Beziehungen einen kritischen Kohlenstoffgehalt von 0,020%. Der Stahl wurde zu zwei Zehntonnenbrammen vergossen, von denen die eine bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,017% völlig beruhigt erstarrte und demzufolge Schwindungslunker aufwies. Die ohne Zusatz von Desoxydationsmitteln beruhigt erstarrte Bramme wies eine sehr saubere Oberfläche auf, so daß ein Abflämmen oder Putzen, wie es bei aluminiumberuhigten Brammen häufig unerläßlich ist, nicht erforderlich war.

Die zweite Bramme besaß einen Kohlenstoffgehalt von 0,022% und erstarrte ohne Bildung von Schwindungslunker, wies jedoch zahlreiche Randblasen auf. Daraus ergibt sich, daß das beruhigte bzw. halbberuhigte Erstarrungsverhalten bei einem bestimmten Mangangehalt nur wenig vom Sauerstoffgehalt, jedoch in starkem Maße vom Kohlenstoffgehalt des Stahls abhängig ist.

Demzufolge besteht die Erfindung darin, daß bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art in den noch flüssigen Blockkern nach Bildung einer beruhigt erstarrten Randschicht eine für ein halb- oder unberuhigtes Erstarren ausreichende Menge Kohlenstoff eingetragen wird. Auf diese Weise lassen sich die Vorteile eines beruhigt erstarrten Stahls mit den Vorteilen eines unberuhigt bzw. halbberuhigt erstarrten Stahls vereinigt. Das heißt, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Block ist sowohl randblasenals auch lunkerfrei.

Der Zeitpunkt der Kohlenstoffzugabe in den flüssigen Blockkern hängt von der im Hinblick auf eine fehlerfreie Weiterverarbeitung erforderlichen Dicke der Randschicht ab. Da die Dicke der erstarrten Randschicht vom Blockkopf zum Blockfuß stetig zunimmt, wird der Zugabezeitpunkt für den Kohlenstoff zweckmäßigerweise an Hand der Randschichtdicke am Blockkopf bestimmt. Die Zeitabhängigkeit der Erstarrung ergibt sich für Kokillenguß etwa aus folgender Formel:

d = 2,5 · |/F,

wobei d die Dicke der erstarrten Randschicht in Zentimetern und t die Zeit nach Erstarrungsbeginn in Minuten ist. Somit kann der Zeitpunkt für die Kohlenstoffzugabe nach Erstarrungsbeginn entsprechend der nachfolgenden Gleichung ermittelt werden:

t =

2,5

d ist in diesem Fall die im Hinblick auf eine fehlerfreie Weiterverarbeitung zu fordernde Dicke der randblasenfreien Randschicht Ist demnach eine randblasenfreie Schicht von beispielsweise 2,5 cm gefordert, so muß die Kohlenstoffzugabe 1 Minute nach Erstarrungsbeginn erfolgen.

Die im Einzelfall erforderliche Zugabemenge ergibt sich aus der Differenz zwischen dem für ein halbberuhigtes bzw. unberuhigtes Erstarren entsprechend den obigen Bedingungen erforderlichen Kohlenstoffgehalt der Schmelze und dem tatsächlichen Kohlenstoffgehalt. Für die beruhigt erstarrte Bramme des oben beschriebenen Beispiels wäre demnach eine zusätzliche Kohlenstoffmenge von 0,003% erforderlich. Es empfiehlt sich jedoch in jedem Falle, eine das notwendige Maß geringfügig übersteigende Kohlenstoffmenge in den Blockkern zu geben. Die Praxis hat dabei erwiesen, daß im allgemeinen Kohlenstoffzugaben von unter 0,01% ausreichend sind, was bei einer Zehntonnenbramme einer Zugabe von 1 kg Kohlenstoff entspricht. Wie Versuche gezeigt haben, führt die durch die erfindungsgemäße Kohlenstoffzugabe bedingte geringfügige Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes des Stahls zu keiner wesentlichen Beeinträchtigung seiner technologischen Eigenschaften. Da die Kohlenstoffzugabe in den flüssigen Blockkern zu dem Zwecke erfolgt, nach dem Erstarren der randblasenfreien Außenzone die Bildung von Schwindungslunker zu verhindern, genügt es, wenn der Kohlenstoffgehalt lediglich im Bereich des Blockkopfes erhöht wird.

Erfindungsgemäß erfolgt die Kohlenstoffzugabe durch Eintauchen von Kohlenstoffstäben oder Stäben aus kohlenstoffhaltigem Material in den flüssigen Blockkern. Es können jedoch auch sich im Stahl auflösende oder zersetzende Behälter mit Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltigem Material in den flüssigen Blockkern gegeben werden. Eine weitere Möglichkeit zum Einführen von Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltigem Material in den Blockkern besteht in der Verwendung eines Trägergases oder von Gasen, die sich im Stahl zersetzen und dabei Kohlenstoff freigeben, wie beispielsweise Methan.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines randblasen- und lunkerfreien Stahlblocks, bei dem ein vorzugsweise im Vakuum beruhigter Stahl vergossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den noch flüssigen Blockkern nach Bildung einer beruhigt erstarrten Randschicht eine für ein halb- oder unberuhigtes Erstarren ausreichende Menge Kohlenstoff eingetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß ein Kohlenstoffstab- oder Kohlenstoff enthaltender Stab in den flüssigen" Blockkern eingetaucht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Stahl auflösende, mit Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltigem Material gefüllte Behälter in den flüssigen Blockkern eingeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltiges Material mittels eines Trägergases in den flüssigen Blockkern geblasen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich unter Kohlenstoffentwicklung zersetzende Gase in den flüssigen Blockkern eingeblasen werden.