DE1583582A1

DE1583582A1 - Verfahren zur Behandlung von Stahl zur Verbesserung der Aktivierungseigenschaften desselben und Verminderung von Einschluessen

Info

Publication number: DE1583582A1
Application number: DE19671583582
Authority: DE
Inventors: Kirkland Russel Lee
Original assignee: BECKER ROBERT L
Current assignee: BECKER ROBERT L
Priority date: 1966-10-10
Filing date: 1967-09-11
Publication date: 1970-09-17
Also published as: GB1181848A; BE704679A; NL6713528A

Description

ROBERT L. Becker, Pittsburgh, Penn. / USA

Verfahren-zur Behandlung von Stahl zur Verbesserung der Aktivierungseigenschäiften desselben und Verminderung von

■Einschlüssen

Die Erfindung beziehtfsich auf ein Verfahren zur Behandlung von Stahl zur Verbesserung der Aktivierungseigenschaften· desselben und Verminderung von Einschlüssen. Genauer gesagt, bezieht sich die Erfindung auf die Herstellung eines unberu- | hlgten Stahles, der in oben offene oder flaschenartige Formen gegossen wird.

Die Lösbarkeit von Sauerstoff in festem Stahl ist beträchtlich geringer als diejenige in geschmolzenem Stahl. Daher werden beträchtliche Mengen Sauerstoff im Verlauf des Erstarrungsprozesses von dem erstarrenden Teil freigesetzt. Das

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Diffusionsvermögen von Sauerstoff in geschmolzenem Stahl ist niedrig, so daß sich an der Grenze zwischen dem erstarrten Abschnitt und dem flüssigen Abschnitt hohe Sauerstoffkonzentrationen einstellen. Diese lokalen Sauerstoffkonzentrationen sind hoch genug, um die Gleichgewichtsbedingungen zu tiberschreiten, die erforderlich sind, um Oxyde des Eisensoder Mangans zu bilden. Weiterhin vereinigen sich, wenn Aluminium vorhanden ist, die Oxyde des üisenS/and des Aluminiums zu einem unlöslichen Metalloxyd derjenigen Art, die allgemein als Hercynj:th bekannt ist. Diese Oxyde tendieren dazu, wenn sie im Bereich der dendritischen Kristalle gebildet werden, die senkrecht zur i'ormwand wachsen, sich in den Dendriten zu fangen, was zu Einschlüssen in Form der bekannten handzoneneinschlüsse oder ICorngrenzeneinschlüsse führt. Nichtmetallische Einschlüsse dieser Art sind unerwünscht sowohl wegen ihres ψ schädlichen Effekts auf die Verformungseigenschaften des hetalls als auch wegen ihrer Tendenz, zur Oberfläche aufzusteigen und diese beim Aufwalzen auf feinblech-oder Weißbleehstärke aufzureissen. Durch die Erfindung werden Anzahl, Größe und \r- ; ten der gebildeten Einschlüsse reduziert. Die Dicke und Dichte^ { der an der Aussenflache des Busses gebildeten Kandzonen werden ^; gleichfalls verbessert.

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So wird durch die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung von Stahl geschaffen, mit dem die Aktivierungseigenschaften desselben verbessert und Einschlüsse vermieden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß dem Stahl. beim Gießen eine Mischung aus Kohlenstoff, einem Flußmittel und einem Antischaummittel zugesetzt wird. Das letztere findet Verwendung zur Steuerung der Schäümungsnelgung des Stahls. ^

Als Flußmittel kann Natriumfluorid, Calciumfluorid oder Natrium-Aluminium-Fluorid (Kryolith) verwendet werden.

Das Antischaummittel besteht aus Aluminium, Titan, Zirkonifh, Bor oder Silizium.

Die Mischung wird vorzugsweise während des Eingusses des Stahls in die Form hinzugegeben und zwar in einer Menge zwischen 0,033 und 1,0 kg pro Tonne Stahl. Vorzugsweise wird dem flüssi- . gen Metall während des Giessens genügend Kohlenstoff beigesetzt, um das Kohlenstoff-Sauerstoff-Gleichgewicht durch mindestens 0,005 # Kohlenstoff zu stören.

Bei Anwendung dieses Verfahrens hat sich gezeigt, daß Anzahl, Größe und Art der gebildeten Einschlüsse beträchtlich ver-

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ändert werden. Mun tritt eine dicke, dichte Handzone in Erscheinung, die Hohlräume vermeidet und gestattet, den Barren bzw. Guß wieder zu erhitzen mit sehr geringer Gefahr, daß Überflächenschäden dabei auftreten, da die Handzone zu dick ist, um durch den Abblätterungseffekt"durch die Atmosphäre.

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in dem Aufheizofen entfernt zu werden. Um in der Gußform während des Giessens die verstärkte Aktivität zu verursachen, die zu der dicken, dichten irandzone und der verbesserten inneren Heinheit führt, ist es erforderlich, daß die Kohlenstoff, ein Flußmittel und ein Antischaummittel enthaltende Mischung während des Giessens zugesetzt wird. Die verstärkte Aktivität oder Turbulenz des Metalls infolge des Zusatzes der Mischung ist auf den Kohlenstoff anteil zurückzuführen, der das voriier eingestellte Kohlenstoff-Sauerstoff-Gleichgewicht stört. Anderenfalls, nämlich wenn die Mischung dem Metall vor dem eigentlichen Gießvorgang beigesetzt wird, beispielsweise in der Gießt pfanne, bilden der Kohlenstoff- und der Sauerstoffanteil in der Gießpfanne ein neues Gleichgewicht, bevor es zum Guß kommt."Mach Bildung dieses neuen Gleichgewichtes ist weniger freier Kohlenstoff vorhanden, um mit dem überflüssigen Sauerstoff zu reagieren, der aus dem erstarrenden Anteil des Stahles ausgeschieden wird, und mehr Säuerstoffeinschlüsse sind die Folge. Da Kohlenstoff und Sauerstoff miteinander im Gleichgewicht stehen, tritt auch weniger Turbulenz oder Aktivität in dem Metall innerhalb der Gießform auf, um nichtmetallische Einschlüsse zu entfernen, welche die Neigung haben, zwischendendritische Kanäle zu bilden.

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'Wenn die Kohlenstoff-Flußmittel-Antischäummittel-Mischung nach dem Guß zugesetzt wird, wird nicht der ganze Vorteil erhalten, da dann Kohlenstoff und Sauerstoff während des Giessens des Stahls miteinander im Gleichgewicht sein werden und derjenige Anteil/ der vor der Zugabe der Mischung erstarrt, aus letzterer keinen Nutzen zieht. Vorzugsweise sollte die Mischung in einer Menge zwischen 0,023und 1,O¹ kg pro Tonne Stahl zugesetzt werden.

Pa die Heaktionsprödukte bei Desoxydierung des Metalls durch Kohlenstoff flüchtig sind, bleiben keine festen Oxyde ■ in dem Metall zurück, um nichtmetallische ilinsehlüsse zu bilden. Die Ge samt reinheit des Metalls wird deshalb bei /regebenem Kohlenstoffanteil in der Gießpfanne verbessert, da weniger Sauerstoff zur Bildung nichtmetallischer, nichtflüchtiger· Oxyde zur Verfügung steht, die nachträglich zurückgehalten und in dem erstarrten Metall abgeschieden werden könnten.

Die bis zum Eintritt der Aktivität verstreichende Zeit wird durch die Kohlenstoffzugabe während des Giessens verkürzt.

Wie-oben angedeutet, wird der Kohlenstoff in Verbindung mit einem Karbonat, wie z.B. Natriumkarbonat, zugesetzt. Das 'Karbonat dissoziiert bei den Temperaturen des flüssigen Stahls ! in Metalloxyd und gasförmiges■Kohlendioxyd. Das Kohlendioxyd

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allein ist jedoch nicht stabil bei den Temperaturen des flüssigen Stahls und setzt sich um unter Bildung von Kohlenmonoxyd¹ nach folgender Gleichung:

CO₂ + C —- 2 CO

Die Umsetzung des Kohlendioxyds in Kohlenmonoxyd setzt den fc Auszug von Kohlenstoff aus dem flüssigen Metall voraus. Dies führt zu einer lokalen Kohlenstoffverarmung in dem Stahl und einer lokalen Sauerstoffanreicherung über das vorher vorhandene Kohlenstoff-Sauerstoff-Gleichgewicht. Die übermäßige Sauerstoffkonzentration erhöht die Wahrscheinlichkeit, daß Oxyde des Eisens oder einer oder mehrerer der Legierungen gebildet und in dem Metall als nichtmetallische Einschlüsse abgeschieden werden. Weiterhin wird die Sauerstoffkonzentration lokal in der Nachbarschaft des erstarrenden Metallanteils beträchtlich erhöht. Deshalb ist es vorteilhaft, den Zuwachs der-Sauerstoff- ;·■" konzentration durch Hinzufügung zusätzlichen Kohlenstoffs während des Susses aus folgenden Gründen zu erhöhen.

1) Er verhindert die KohlenstoffVerarmung infolge des bei der Umwandlung des Kohlendioxyds in Kohlenmonoxyds entstehenden^

• Bedarfs;

2) Br steht jederzeit zur Verfügung, um sich mit dem von

j. der üirstarrung^front freigesetzten Sauerstoff zu vereinigen. ,

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Der Kohlenstoffbedarf infolge der Umwandlung des Karbonats zu Kohlenmondxyd könnte in einfacher Weise dadurch verringert werden, daß die zugesetzte Menge des Karbonats herabgesetzt wird. Jedoch sind die Blasen aes Kohlendioxyds und anschließend des lvohienmonoxyds, die bei der umsetzung des Kohlenstoffes entstehen, günstig, indem sie gleichsam Kristallisationskerne für das als Produkt der verbleibenden heaktion gebildete liohlenmon-

oxyd darstellen. Daher wird die Einleitung und nachfolgende Fortsetzung der Aktivität des Stahles durch c^!ie Zugabe von Kohlenstoff 5 unterstützt, da dieser die Schnelligkeit der .Bildung der Kohlenmonoxydblasen sowohl durch die Umwandlung des Karbonats als auch durch die Heaktion mit dem aus dem erstarrenden · Metall ausgeschiedenen Sauerstoff erhöht. Weiterhin wird die Reinheit des Stahles wegen der der Aktivität des Stahles durch die Zugabe von kobinstoff mitgeteilten Heftigkeit erhöht. Der Kohlenstoff erhöht die Heftigkeit der Aktivität sehr erheblich, so daß die Dicke der handzone an der Oberfläche des Gusses er- J heblich vergrößert wird, Dieser Vorgang erhöht beträchtlich die ' Geschwindigkeit des flüssigen Metalls, das im Anschluß an und durch die teilweise noch nicht erstarrten Abschnitte des dendritischen Gefüges strömt. Das Auftreten des flüssigen üetallstroms trägt zur Verdrängung der nichtmetallischen Einschlüsse zur Oberfläche des Gusses l>ei, wo die nichtmetallischen Bestandteile dazu tendieren, sich zu dem geläufigen Kokillenschaum zusammenzuschließen, als weicher sie auf verschiedenartige 'ieise entfernt

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werden können. Dieser Schaum setzt sich zum größten Teil aus den Oxyden des Eisens, Magnesiums und Aluminiums zusammen und besteht aus den nichtmetallischen Einschlüssen, die in den unteren Teilen des-Gusses gebildet wurden und zur Oberfläche aufgestiegen sind. " -

^ Die Menge des Schaums auf der überfläche des Barrens oder W ...........

Gusses wird durch die 2ugabe von Kohlenstoff beträchtlich herabgesetzt. Wie vorausgehend erläutert, setzt sich der Kohlenstoff mit dem überschüssigen Sauerstoff'in dem Metall um, um gasförmiges Kohlenmonöxyd au bilden, das dann aus dem Metall austritt. Daher bedeutet jedes Kilogramm Sauerstoff im Metall, das mit dem Kohlenstoff reagiert, ein Kilogramm weniger Sauerstoff, das für die Bildung nichtmetallischer Einschlüsse zur Verfügung steht, die den Schaum bilden. Eine verringerte Schaummenge ist vorteilhaft sowohl aus dem Gesichtspunkt, daß gerin^ ' ψ ,cere kengen leichter entfernt werden könnten, als auch, daß eine nachfolgende, mechanische Überziehung oder Plattierung des Barrens oder Gusses v/irt schaftlicher und sicherer durchgeführt werden kann.

Der Kohlenstoff kann dem Metall wahrend des Giessens nicht ohne irgendeine Einrichtung zur Staie-rung der Kohlenmonoxydentwicklung zugesetzt werden, '''enn Kohlenstoff und nur Kohlenstoff'

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dem flüssigen Metall während des Glessens zugesetzt würde, würde starkes Schäumen des Guss'es einsetzen. Daher werden zusammen mit dem Kohlenstoff zusätzliche Additive zugesetzt, die dazu vorgesehen sind, das Maß der Gasentwicklung und die Oberflächenspannung des Metalls zu steuern. ^Jegen der '''ichtig-• keit, Kohlenstoff und Antischaummittel gleichzeitig zuzusetzen, anstatt sich auf eine menschliche "Überwachung des Kohlenstoffzusatzes und der Antischaummittel im richtigen Maße zur rich- ™ tigen Zeit zu verlassen, wird dem Metall eine Mischung zugesetzt , die sowohl Kohlenstoff als auch Antischaummittel enthält. Die Mischung enthält genauer gesagt Kohlenstoff, ein Flußmittel, wie z.B. Natriumfluorid, Kalziumfluorid oder Natrium-Aluminium-Fluorid (Kryolith) und ein Steuermittel für die Geschwindigkeit und Oberflächenspannung (auch als Antischaummittel bekannt) ,-wie z.B. Aluminium,' Titan, Zirkonium, Bor oder Silizium. .

Beispiel I

Eine vollkommen zufriedenstellende Mischung für Stähle im Bereich von 0,03 ^rJ> bis 0,25 i> Kohlenstoff ist eine solche, die ungefähr 60 < Kohlenstoff, 14 4> Kalziumfluorid, 14 ^Natriumkarbonat und 12 °/o Aluminium enthält. Die genannten Proportionen müssen nicht absolut eingehalten werden, sondern können je nach der zu behandelnden Stahlart variieren. Beispielsweise kann, wenn die Anwesenheit von Einschlüssen,die

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Kalzium enthalten, als störend empfundeil wird, das Natriumfluorid durch Kalziumfluorid ersetzt werden.

Beispiel II

Um befriedigende Ergebnisse für einen Stahl mit einem Nominalgehalt von 0,08 % Kohlenstoff, 0,35 ß> Mangan und 0,05 % Sauerstoff zu erhalten, der in eine Form gegossen wird, die einen Barren von ungefähr 13*6 Tonnen ergibt, sollten etwa 2,72 kg Kohlenstoff zugegeben werden. Wenn der Kohlenstoff in der Mischung nach Beispiel I, nämlich aus ·6θ % Kohlenstoff, 14 % Kalziumfluorid, 14 % Natriumkarbonat und 12 % Aluminium, zugegeben wird, sind demnach insgesamt 4,5^ kg der Mischung zuzusetzen.

Die Heftigkeit der Aktivität und der Grad, bis zu dem die innere^ Reinheit des Stahles verbessert wird, sind abhängig von dem Grad, bis zu dem das Kohlenstoff-Sauerstoff-Gleichgewicht gestört wird. Bei einem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt kann es erforderlich sein, das Kohlenstoff-Sauerstoff-Gleichgewicht durch einen Kohlenstoffanteil von 0,03 % bis 0,04 % Kohlenstoff zu stören.

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Beispiel IIί .

Ein Stahl mit 0,05 <t> Kohlenstoff, 0,55 ^r/> iiangan und 0
Sauerstoff erfordert 10 kg tier Mischung aus 60 '' ohlenstoff, 14 ^ Kalziumfluorid, 14 ^₀ Natriumkarbonat und 12 "'.-Aluminium pro Tonne bei einem etwa 13>6 Tonnen schweren Barren, um eine Gleichgewichtsstörung durch 0,04 4 Kohlenstoff zu erreichen.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Behandlung von Stahl zur Verbesserung dessen Aktivität und Verminderung von Einschlüssen, dadurch g ekennze ichnet, daß dem Stahl- beim Gießen eine Mischung aus Kohlenstoff, eii-iem -Flußmittel und einem Antischaummittel zugesetzt wird.

2.. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch -gekennzeichnet, daß die Mischung während des Giessens des Stahles in einei Menge zwischen O,O55und 1,0 kg pro "?onne Stahl zugesetzt wird.

J. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff in einer "enge zugesetzt wird, die ausreicht, das Kohlenstoff-Sauerstoff-Gleichgewicht um mindest ens j, 005 ^r/o zu stören.

4. Verfahren nach einem aer Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das !''lußmittel aus Watriumfluorid,-Kalziumfluorid oder ^citrium-Aluminiuo-Fluorid besteht.

5. Veriahreri nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Antischaummittel aus Aluminium, Titan, Zirkonium oder Silizium-besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß der Mischung ein Karbonat zugegeben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Karbonat Natriumkarbonat ist. ·

8. Verfahren neich einem der Ansprüche 1 bis ? zur Behandlung von Stahl in dem Bereich zwischen 0,03 *'· Kohlenstoff und 0,25 ^rio Kohlenstoff, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t,daß eine Mischung aus ungefähr 60 ^c;i> Kohlenstoff, 14 "' K^lstumfluorid, 14 ^Natriumkarbonat und 12 Λ Aluminium Verwendung findet.

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