DE1912295A1 - Verfahren zum Einfuehren eines Kornverfeinerungs- oder Legierungsmittels in geschmolzene Metalle und Legierungen - Google Patents

Description

Dlpl.-Ing. EIDENEIER Dipl.-Chem. Dr. RUFF Dipl.-Ing. J, BEIER

7 STUTTGART 1 Neckarstraße öO Telefon 294507

11. März 1969 R/Lb

.Anmelderin j Kawecki Beryl co Industries, Inc.,

220 Eaet 42nd Street, New Tork, N.T., USA

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Verfahren zum Einführen eines jfe verfeinerunga- oder Legierungsmittels in geschmolzene Metalle und !legierungen

Die Erfindung betrifft die Modifizierung von geschmolzenen · Metallen oder legierungen mit einer Vorlegierung dee Metalls, die ein Xomverfeinerungs- oder Legierungemittel oder beide enthält.

Bei einem gegenwärtig bevorzugten Verfahren zum Einführen eines Kornverfeinerungsmitteis in ein Metall, wie Aluminium und seine Legierungen, wirl eine Vorlegierung auf Aluminium« basis, die das Kornverfeinerungemittel enthält, dem geschmolzenen Aluminium oder der Aluminiumlegierung in einem Warmhalte« ofen oder einer GieBpäotono zugesetzt· Das Kornverfeinerungs-

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mittel ist ein in Aluminium unlSaliches Metall» eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung, die bei gleich» mäßiger Verteilung in dem gesc&r<§lzenen Aluminium feet bleibt (oder sich vor dem Aliuni um verfestigt) und das Aluminium veranlaßt« bei dessen Verfestigung in feiner Korngröße zu kristallisieren· Um dieses Ergebnis zu erzielen, muß das Kornverfeinerungsmittel, das im Vergleich zum geschmolzenen Wirtanetall in sehr geringen Mengen zugesetzt wird, nicht nur anfänglich im gesamten geschmolzenen Metall gut verteilt sein, sondern in diesem auch gut verteilt bleiben, bis sich das geschmolzene Wirtsmetall verfestigt»

Zur Erzielung einer guten anfänglichen Verteilung eines Kornverfeinerungs- oder Legierungsmittels wurde bisher eine Aluminium-Vorlegierung verwendet, die das Mittel in gleichmäßiger Verteilung in der Aluminiumbasis enthielt. Wird diese Vorlegierung einer Masse des geschmolzenen Aluminiums vor dem Gießen in fester Form zugesetzt, dann echmilzt der feste metallische Aluminiumbestandteil der Vorlegierung und setzt das Kornverfeinerungs- oder Legierungsmittel frei. TJm eine gleichmäßigere anfängliche Verteilung des Behandlungsmittels über das gesamte geschmolzene Aluminium zu erzielen, wurde die Vorlegierung bisher in relativ kleinen aufgeteilten Massen zugesetzt. Je kleiner jedoch diese einzelnen Teilchen sind, desto mehr durch Luftoxydation gebundenen Sauerstoff enthalten sie. Je größer andererseits die Teilchen sind, desto mehr neigen sie dazu, sich am Boden der Masse aus geschmolzenem Aluminium abzusondern·

Es wurden bisher auch einige Vorschläge gemacht, ein Metall in einen Strom eines anderen geschmolzenen Metalle einzu- · fuhren. Bei diesen Vorschlägen wurde das Fremdmetall entweder

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absichtlich oder unabsichtlich in einer solchen Zusammensetzung oder einer solchen Weise zugesetzt, daß ein Zerreißen des Stromes verursacht wurde* Bei vielen Gießverfahren wird eine solche !Turbulenz, wie sie durch das Zerreißen des Hetallstromes hervorgehoben wird, als untragbar oder mindestens unerwünscht angesehen, da sie die Auflösung der umgebenden Atmosphäre oder mindestens einer ihrer Bestandteile in dem geschmolzenen netall fördert«

Es wurde nun ein Verfahren zum Inokulieren von geschmolzenen Metallen und Legierungen mit einem metallischen Behandlungsmittel, wie einem Kornverfeinerungs» oder Legierungsmittel, gefunden, welches die bisher aufgetretenen Probleme vermeidet und eine gleichmäßige Verteilung des Behandlungemittels oder eines seiner Bestandteile über das gesamte Metall, dem es zugefügt wird, sichert· Beim erfindungsgemaßen Verfahren wird das geschmolzene Metall aus einer Vorratsquelle in einen eingeengten durchgangsartigen Abflußkanal unter Bildung eines durch den Abflußkanal fließenden Stromes des geschmolzenen Metalles gegossen und gleichzeitig in die Masse des in dem Durchgang fließenden gescholtenen Metalles ein den Fluß störender fester stangenförmiger Vosr&t des Behandlungsmittels eingeführt· Hierbei wird der stangenförmige Vorrat des Mittels in einer solchen Weise in den Strom des geschmolzenen Metalle eingeführt, daß eine deutliche Störung des Flusses bewirkt wird, ohne die Geschlossenheit beziehungsweise Ganzheit des Stromes zu beeinträchtigen. Die Stange wird nicht schneller nachgeführt als sie von dem fließenden geschmolzenen Metall in dem Durchgang verbraucht wird, und das erhaltene inokulierte geschmolzene Metall wird in eine Gießzone ausgegeben. Wird die Vorlegierung in das geschmolzene Metall, das in dem Durchgang mit einer vorbestiam-

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ten Geschwindigkeit fließt, eingeführt, dann enthält das in die Gießzone ausgegebene geschmolzene Metall einen vorbestimmten gleichmäßig in diesem verteilten Anteil an dem Behandlungsmittel «

Die geschmolzenen Metalle, die nach dem erfindungagemäßen Verfahren behandelt werden können, umfassen im wesentlichen reine Metalle und deren Legierungen, so ζ·Β· Aluminium, Zink, Kupfer, Eisen» Nickel und dergleichen, welche gegossen werden können oder sollen.

Tür die Durchführung der Erfindung brauchbare Vorlegierung»» sind im allgemeinen solche, die als vertraglich mit dem geschmolzenen Metall, dem sie zugesetzt werden, bezeichnet wer« den können· Der als Behandlungsmittel dienende Bestandteil der Vorlegierung kann jedes Metall, jede Legierung oder intermetallische Verbindung sein, die beim Zusatz zu dem geschmolzenen Wirtemetall oder -legierung dessen beziehungsweise deren Modifizierung in der gewünschten Weise verursacht. Die für die oben erwähnten Metalle und Legierungen bisher allgemein verwendeten Eoraverf einerungs- und Legierungsmittel sind für die Durchführung der Erfindung brauchbar. Diese Mittel umfassen Bor, Titan, Zirkon, Niob, Tantal sowie Titan-, Zirkon-, Niob- und ÜCantal-boride und sind in einem Grundmetall in Mengen von im allgemeinen nicht mehr als ca. 10 Gewichtsprozent enthalten· Repräsentative Vorlegierungen dieser Art auf Aluminiumbasis sind beispielsweise: Aluminium mit 0,5 bis 5 % Bor, Aluminium mit 2 bis 10 % Titan oder Zirkon oder insgesamt an beiden, und Aluminium «dt 0,1 bis 5 % Bor, 2 bis 10 % Titan oder Zirkon oder insgesamt an beiden« Ähnliche Koxnverfeinerungsmittel können

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außer für ihr Grundmetall auch für die Kornverfeinerung von anderen Metallen ale Aluminium verwendet werden· Für Kupfer» Messing und Bronze können aber auch zusätzliche Mittel, wie etwa Vorlegierungen, die Mangan und Eisen enthalten, verwendet werden. Alle diese Behandlungsmittel sind für Stahl und Nichteisenmetalle nicht nur für die Kornverfeinerung sondern allgemein für Legierungezwecke verwendbar. Die Zusammensetzung der Vorlegierung sollte natürlich so gleichmäßig wie möglich sein, um die maximale Auswirkung der durch die Erfindung erzielten gleichmäßigen Verteilung des Kornverfeinerungsmittels über das geschmolzene tfirtemetall zu erhalten.

Das zugesetzte Mittel wird In Form eines festen« atangenförmigen Körpers« d.h. In Form von Stangen» Drähten, Barren, Bändern und dergleichen, wie sie durch herkömmliche Verfahren, wie direkten Kokillenguß, kontinuierliches Gießen, Extrusion, Walzen oder Walzen und Ziehen, geformt sind, nachgeführt. Der Querschnitt des stangenartigen Körpers kann kreisförmig, oval, quadratisch, länglich und dergleichen sein, sollte aber eine wesentliche Behinderung des Flusses des geschmolzenen Metallstromes bieten, um eine deutliche Störung des Flusses zu bewirken. Der Durchmesser oder maximale Querschnitt dieser stangenförmlgen Körper liegt Im allgemeinen vorteilhafterweise im Bereich von ca· 1/8 bis ca· 1/2 inch, kleinere und größere Größen können jedoch ebenfalls wirkungsvoll verwendet werden. Die wirkliche Größe wird durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit welcher die Vorlegierung in das geschmolzene Metall eingebracht werden soll. Stangen oder Drähte mit einem relativ geringen Durchmesser sind für jede vorbestimmte Nachschubgeschwindlgkeit bevor äugt, um ein maximales Verhältnis von Oberfläche zu Mass· für den wirkungsvollsten Verbrauch dtr Vorlegierung in den strömenden geschmolzen«! Retail zu bieten· Die Stangen

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können jede herkömmliche länge haben, so z»B« Abschnitte von 150 m (500 Fuß) Länge sein, die auf einen Haspel aufgewickelt sind. Ea können aber auch einzelne Abschnitte End zu End verschweißt werden« um eine tatsächlich endlose Stange zu erhalten, was für den Nachschub des Baliandlungsmittels in einem kontinuierlichen Gießbetrieb besonders erwünscht ist.

Erfindungsgemäß wird die stangenförmige Vorlegierung direkt in einen eingeengten Lauf des geschmolzenen Metalls, das von " einer Quelle in eine Gießzone fließt, eingeführt·

Zur Überführung des geschmolzenen Metalls von einem Warmhalteofen in eine Gießzone wird gewöhnlich eine Abflußrinne verwendet. In einem solchen Fall wird die stangenförmige Vorlegierung dem durch diese Rinne fließenden geschmolzenen Netall zugeführt. Bei Gießverfahren, bei denen die Rinne das geschmolzene Netall einem Verteilerbehälter zuführt* von den aus das geschmolzene Netall in eine Anzahl Gußformen verteilt wird, wird die stangenförmige Vorlegierung vorteilhafterweise in dem Verteilerbehälter in das geschmolzene Netall eingeführt. Wegen des Froblemes eines möglichen Absetzens und einer hierdurch bedingten Absonderung des Behandlungsmittels oder einer seiner Komponenten in dem in der Gußform befindlichen Hetall ist es ständige Praxis, die Temperatur des geschmolzenen Metalles in dem Warmhalteofen oder der Gießpfanne so nahe wie möglich am Verfestigungspunkt des Hetall es zu halten und somit den Grad an Überhitzung in dem Hetall beim Gießen zu begrenzen· Dementsprechend wird die Stange oder der Draht aus der Vorlegierung erfindungsgemäß vorzugsweise in die heißeste Zone des Stromes aus dem geschmolzenen Hetall eingeführt· Dies ist im allgemeinen die Zone, die der Ausgabestelle des geschmolzenen Metalles aus dem Warmhalteofen oder

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der Torratepfanne am nächsten 1st· Zusätzlich zu dem Vorteil der In dieser Zone zum Schmelzen des Grundmetall-Beatandteils der Vorlegierung zur Verfügung stehenden größeren Wärme wurde gefunden, daß diese Zone häufig diejenige Ist, die sich durch den größten Grad an Strömung beziehungsweise Durchwirbelung auszeichnet und daher zum Verbrauch und der sorgfältigen Vermischung der Vorlegierung in dem geschmolzenen Metall am meisten beiträgt· Die Bewegung des geschmolzenen Metalls beim Durchfluß durch den restlichen Teil der Rinne oder durch sich an einen Verteilerbehälter anschließende Rinnenverzweigungen der oben beschriebenen Art bewirkt und erhält weiterhin eine sorgfältige und gleichförmige Vorteilung des Behandlungsmittels in dem geschmolzenen Metall bei seiner Ausgabe in die Gießzone.

Es wurde gefunden, daß es besonders vorteilhaft ist, das stangenartige Behandlungsmittel schräg stromaufwärts in den Strom des geschmolzenen Metalle zu führen· Dies fördert in besonders günstiger Weise die Störung des Plussee des geschmolzenen Metalls und erhöht dessen Bewegung In der Rinne, ohne eine abreißende Turbulenz zu ergeben· Wl® aus der Figur der beillegenden Zeichnung ersichtlich ist, wird die Stange 1 durch die offene Oberseite der Rinne 2 und in Richtung auf die Quelle 3 des Stromes 4 eingeführt· Auf diese Weise wird der relativ stumpfe Querschnitt der Stange dem Strom des geschmolzenen Metalles dargeboten und verursacht eine deutliche Störung in dessen Strömungebild· Per Teil der stangenförmigen in das geschmolzene Metall eingetauchten Masse des Behandlungsmittels direkt in Flußrichtung hinter dessen führendem Ende neigt durch Oberflächenspannung zwischen dem geschmolzenen Metall und der Stange

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dazu ι dae fließende geschmolzene Metall In Kontakt mit der Stange zu halten, und zwar für einen wesentlichen Abstand in Flußrichtung hinter der Störung, die durch ihr führendes Ende verursacht wird, und wirkt somit einer Tendenz der Störung zur Verursachung eines Zerreißen« der Ganzheit des Stromes entgegen« Sie Seitenwände der Rinne engen den FIuB des Stromes hinter dem Zugabepunkt des Mittels ein und tragen zur Aufrechterhaltung des gestörten Flusses und der erf indungagemäß . oberhalb erzeugten Vermischung über die gesamte Lange der Kinne bei« IKBt die Natur des geschmolzen nen Metalles eine größere Strömungsstörung zu, dann kann die Stange des Behandlungsmittels in einem rechten Winkel in den Strom eingeführt werden« In diesem Falle sollten jedoch die FlieBgeschwindigkeit des Stromes, die Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalles und die Profilgröße der Stange so gehalten werden, daß im wesentlichen kein abreißender Fluß des geschmolzenen Metalles erhalten wird. Erfindungsgemäß ist ein gestörter Fluß erwünscht, da er die Wirbelbewegung innerhalb des eingeengten Stromes fördert und eine gleichförmige Verteilung des Behandlungsmittels über das gesamte Wirtsmetall sichert. Andererseits ist ein abreißender Fluß, in dem die Ganzheit des Stromes deutlich beeinträchtigt ist, belspielsweise durch Aufbrechen in kleinere Ströme, zu vermeiden, da er die Auflösung von einem oder mehreren Komponenten der umgebenden Atmosphäre in dem geschmolzenen Metall fördert. Die Bildung und Aufrechterhaltung eines einzelnen zusammenhängenden Stromes aus dem geschmolzenen Metall von der Eingießetelle über die Zugabestelle bis zur Gießzone ist somit erfindungsgemäß möglich. Wird die Stange schräg in den Strom, jedoch in der gleichen Richtung wie die Strömungerichtung, eingeführt, dann fließt das geschmolzene Metall glatt um die

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Stangenoberfläche und da· durch Schmelzen der Erosion unterworfene Ende gleicht einem schmelzenden Eiszapfen und sitzt glatt in dem Strom des Metalls· Durch die letztere Anordnung wird das Mittel dem geschmolzenen Metall mit einem geringeren Grad an Störung des Flusses zugeführt als bei den oben beschriebenen anderen Anordnungen. Trotzdem wird ein ausreichender Grad an Störung und Wirksamkeit erreicht, insbesondere dann, wenn die Länge der Rinne in Flugrichtung hinter dem Punkt des Eintritts der Stange ausreichend ist, um von der Störung des Flusses, die durch das Eintreten der Stange verursacht ist, Gebrauch zu machen·

Die stangenfftrmige Vorlegierung kann mit Hilfe von Zuführungseinrichtungen der Art, wie sie zum Nachschub von Schweißoder Lötdraht für einen Schweiß- oder LStvorgang verwendet werden, leicht in den Strom des geschmolzenen Virtsmetalls eingeführt werden. Die Zuführgeschwindigkeit der Einrichtung ist vorteilhafterweise variierbar, so daß der Kachschub der Vorlegierung zu dem geschmolzenen Metall genau bemessen werden kann· Falls erwünscht, kann die Zuführeinrichtung auch ein Vorheiz-Element enthalten, so z.B. eine elektrische Induktionsspule, die die stangenförmige Vorlegierung nahe an der Stelle der Einführung in den fließenden Strom des geschmolzenen Metalls umgibt«

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden Beispiel für die Durchführung der Erfindung«

Eine Stange mit einem Durchmesser von 9t5 nmi (3/8 inch), aus einer Vorlegierung, die aus 5 Gewichtsprozent Titan« 1 Gewichtsprozent Bor und dem Rest an *3"»*ρ1μιβ zusammengesetzt ist, wurde mit einer Zuführgeschwindigkeit von

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58,7 cm (15 1/4 inch) länge pro Minute in einen einzelnen zusammenhängenden Strom von geschmolzenem Aluminium, der in einer abwärts geneigten Gießrinne mit einer Durchflußmenge ron 190 kg (420 pounds) pro Minute flofl, eingeführt. Sie Stange wurde in den Anfang d<§n Stromes stromaufwärts gerichtet schräg eingeführt, 00 daß sich ihr End© so nahe wie möglich an der Einflußeteile in die Binne befände Das geschmolzene Metall wurde aus einem Ofen mit einer Temperatur von cap 750° 0 (1*380° F) zugeführt« Sie !Temperatur des geschmolzenen Metalles an der Einführungsetelle der Stange der Vorlegierung betrug ca. 700° 0 (1«300⁰ F)* Durch die Bewegung des geschmolzenen Metalles bei dieser Temperatur wurde die Stange aus der Vorlegierung vollständig und zwar so schnell verbraucht, wie sie der Binne zugeführt wurde· Der gestörte, aber nicht turbulente Strumungsverlauf des so inokulierten geschmolzenen Metalls, das bei der Bewegung entlang des restlichen Teils der Rinne bis zur Gießzone von den Wänden zurückgedrängt wurde, führte zu einem Gußmetall mit einem Gehalt von 0,002 Gewichtsprozent Titan als Kornverfeinerungsmittel in Form von Tltandiborid und Titan-Aluminium (TiAl*), das sorgfältig und gleichfOrmig Über den geeamten Aluminiumguß mit Kornverfeinerung verteilt war»

Hieraus ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren besonders wirksam zur Inokulierung von geschmolzenen Metallen und Legierungen mit einem Legierung»- oder Kornverfeinerungsmittel 1st· Diese Inokulierung erfolgt in einer solchen Weise, daß das Mittel zum Zeitpunkt, zu den das geschmolzene Metall die Gießzon· erreicht, gleichmäßig in dam Metall verteilt 1st und beim anschließenden Gießen in ähnlicher Weis· gleichmäßig in dem Metall verteilt bleibt· Das Hauptanwendungegebiet

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der Erfindung liegt in der Steuerung des Kornwachstums und der Legierungebildung· Bas erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch angewendet werden, um das selbe oder andere Metalle oder intermetallische Verbindungen von verschiedenartigen Metallen und Elementen in ein geschmolzenes Metall einzuführen, beispielsweise, um das Metall beim Kokillenguß zu kühlen und somit eine Bißbildung des Gusses bei hohen Gußdurchsätzen zu vermeiden.

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Claims (1)

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   Paten tineprüche

   Verfahren zum kontinuierlichen Einführen eines metallischen Behandlungsmittels in ein geschmolzenes Metall» dadurch gekennzeichnet_v daß das geschmolzene Metall aus einer Vorratsquelle unter Bildung eines Stromes des geschmolzenen Metalles in einen verengten rinnenartigen Durchgang gegossen wird, gleichzeitig in den in dem Durchgang fließenden Metallstrom ein stangenförmiger Vorrat des Behandlungsmittel» in einer solchen Weise eingeführt wird, daß eine deutliche Störung des Starömungsbildes ohne eine Beeinträchtigung der Geschlossenheit des Stromes bewirkt wird, die Nachschubgeschwindigkeit des stangenfSrmigen Mittels so bemessen wird_β daß sie nicht größer ist als diejenige, mit der das Mittel im fließenden Metall in dem Durchgang verbraucht wird, und daß das erhaltene geschmolzene Metall danach in eine Gießzone ausgegeben wird»

   Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel in den Strom so nahe wie möglich an der Ursprungsstelle des Stromes aus der Quelle eingeführt wird.

   Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel eine Vorlegierung zur Kornverfeinerung verwendet wird und diese in das in dem Durchgang fließende geschmolzene Metall mit einer solchen Geschwindigkeit eingeführt wird, daß das geschmolzene Metall mit einem vor« ..·

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   bestimmten gleichmäßig im geschmolzenen Metall verteilten Anteil an dem Kornverfeinerungsmittel inokuliert wird·

   4. Verfahren nach inspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Behandlungsmittel eine äegierungs-Vorlegierung verwendet wird und diese in das in dem Durchgang fließende geschmolzene Hetall in einer Bolchen Geschwindigkeit eingeführt wird» daß das geschmolzene Hetall mit einer vorbestimmten gleichmäßig im geschmolzenen Hetall verteilten Menge an der Vorlegierung inokuliert wird·

   5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet» daß als geschmolzenes Hetall Aluminium oder Aluminiumlegierung«! und als Behandlungsmittel eine eine Xbrnverf einerungs-EoBrponente enthaltende Vorlegierung auf Aluminiumbaaes verwendet werden·

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