DE2012691B2

DE2012691B2 - Anwendung eines verfahrens zum vergiessen von eisenmetallen auf das vergiessen aluminiumberuhigter staehle

Info

Publication number: DE2012691B2
Application number: DE19702012691
Authority: DE
Inventors: George F Burlington Ontario Newton (Kanada)
Original assignee: The Steel Company of Canada Ltd, Hamilton, Ontario (Kanada)
Priority date: 1969-03-24
Filing date: 1970-03-17
Publication date: 1977-08-04
Also published as: GB1299225A; JPS5025419B1; FR2035836A1; DE2065741A1; DE2012691A1; SE375467B; JPS5125219B1; FR2035836B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Anwendung eines ^o Verfahrens zum Vergießen von Eisenmetallen aus einer Gießpfanne mit Bodenausguß in Formen, bei dem während des Vergießens ein inertes Gas durch den porösen Ausgußstein gegen den durch die Ausgußbohrung fließenden Gießslrahl geblasen wird, auf das Vergießen von Stählen mit einem Gehalt von wenigstens 0,02% an säurelöslichem Aluminium.

Insbesondere beim kontinuierlichen Gießen von Stahlknüppeln oder -blöcken ist es vorteilhaft, das geschmolzene Metall von einer Pfanne oder einem ähnlichen Gefäß aus dadurch den Kokillen zuzuführen, daß man es vom Pfannen- bzw. Gefäßboden ausströmen läßt, und zwar durch einen im Boden der Pfanne bzw. des Gefäßes angeordneten Ausguß mit einer Bohrung geringen Durchmessers, welcher den Ausstoß an Schmelze bestimmt. Insbesondere ist mit dieser Anordnung die Gießgeschwindigkeit des Metalls aus der Pfanne oder dem Gefäß heraus leicht zu überwachen und zu steuern, und sie wird daher in vieler Hinsicht demjenigen Verfahren vorgezogen, wonach die Pfanne zum Gießen des Metalls geneigt wird, so daß das Metall über den Pfannenrand abfließt. Zwar ist das Gießen von Metall über einen Pfannenbodenausguß schon lange als das beste Verfahren angesehen worden, doch konnte es bisher beim Vergießen bestimmter beruhigter Stähle nicht angewendet werden.

Es ist besonders schwierig, die Abmessungen derjenigen Bohrungen konstant zu halten, durch welche die Stahlschmelze abfließt. Man hat bisher versucht, dieser Schwierigkeit durch Maßnahmen Herr zu werden, welche eine gegenseitige Kompensation von Bohrungserosion und Bohrungsverstopfung oder -zusetzen sicherstellen sollen. Auch ist eine mechanische Einstellung des Bohrungsquerschnitts vorgeschlagen worden, beispielsweise mittels Stopfenstangen oder Sauerstofflanzen.

Beim Gießen von beruhigten Stählen ist ein peripheres Abtropfen vorn Ausguß zu beobachten, was zu einem ungleichmäßigen Fluß der Metallschmelze führt. Weiterhin wurde der noch schwerwiegendere (10 Nachteil festgestellt, daß sich an der Oberfläche der Ausgußbohrung sehr schnell Oxyd- oder Desoxydationsprodukt-Ablagerungen ansammeln, was den Durchfluß von Metall durch die Bohrung drosselt und sehr schnell ganz unterbricht. Es sind bereits viele (>> Versuche gemacht worden, diese Schwierigkeiten und Nachteile zu beheben, jedoch nur mit geringem Erfolg. Beispielsweise ist bereits vorgeschlagen worden, einen großen Ausguß mit einer Bohrung von etwa 38 bis 76 mm im Durchmesser in Verbindung mit einer Stopfenstange zur Verminderung der Schlackenansammlung, und in Verbindung mit einem zylindrischen, den aus dem Ausguß ausfließenden Metallstrahl umgebenden Mantel aus keramischem, feuerfestem Material zu verwenden, um der ungleichmäßigen Strömung des auslaufenden Metalls auf Grund der Verschmutzung der Ausgußbohrung entgegenzuwirken.

Man ist diesem Vorschlag allgemein nicht gefolgt, da die Stopfstangenkontrolle bei Pfannen schwierig ist, ferner selbst bei Ausgüssen mit großem Bohrungsdurchmesser eine Unterbrechung dos Metallflusses durch Oxydansammlung zu befürchten ist. Im jedem Fall ist die anfängliche Ausströmgeschwindigkeit durch den großen Ausguß hindurch vor-dera-Aasammeln merklicher Schlackenmengen äußerst hoch und nur schwer zu kontrollieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Gießen von aluminiumberuhigtem Stahl mit einem Mindestgehalt an säurelöslichem Aluminium von wenigstens 0,02% aus Pfannen oder Gießrinnen mit Bodenausguß zu ermöglichen, wobei sowohl eine Verstopfung oder Verschmutzung als auch eine Erosion der Ausgußbohrung und demzufolge ein unruhiger Ausfluß vermieden sind, die Gießgeschwindigkeit beträchtlich erhöht und die Möglichkeit eröffnet ist, auch durch Ausgußbohrungen mit kleinem Durchmesser zu vergießen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Verfahren der eingangs angegebenen Art angewendet wird, wobei das inerte Gas mit einem Druck zwischen 0,352 und 2,11 kg/cm² und einem Durchsatz zwischen 0,0283 und 0,1699 Normkubikmeter je Stunde und 6,4516 cm² Bohrungsfläche zugeführt wird. Besonders bevorzugte Durchsätze an inertem Gas sind im Anspruch 2 angegeben. Als inertes Gas wird vorzugsweise Argon verwendet. Der Ausdruck Gießpfanne ist dabei im weitesten Sinne zu verstehen, umfaßt also auch Gießrinnen.

Bisher ist es insbesondere schwierig gewesen, aluminiumberuhigten Stahl durch einen Ausguß im Boden einer Gießpfanne zu vergießen. Das bei der Beruhigung oder Desoxydation des Stahles verwendete Aluminium verbindet sich mit dem im Stahl gelösten Sauerstoff zu Aluminiumoxyd und anderen Desoxydationsprodukten. Diese Produkte sind im Stahl weit verteilt, solange er sich in der Gießpfanne befindet. Wird der Stahl jedoch durch einen Bodenausguß vergossen, dann sammeln sie sich im Bereich der

Ausgußbohrung an und bilden eine viskose Masse, die ohne den erfindungsgemäß vorgesehenen Gasschleier sich auf der Oberfläche der Ausgußbohrung absetzt und den Metaildurchfluß dadurch drosselt und sogar ganz beendet. Der erfindungsgemäß vorgesehene Gasschleier verhindert die Ablagerung von Oxyden und Oxydationsprodukten auf der Oberfläche der Ausgußbohrung. Dabei spielt wahrscheinlich eine Grenzschichtwirkung eine Rolle, indem der Gasschleier die Berührung zwischen dem Metallstrom und der Bohrungsoberfläche vermindert. Günstig wirkt sich auch eine durch den Gasschleier hervorgerufene Turbulenz im Metallstrom aus.

Es ist bereits ein Verfahren zum Vergießen von Eisenmetallen aus einer Gießpfanne mit Bodenausguß in Formen, bei dem während des Vergießens ein inertes Gas durch den porösen Ausgußstein gegen den durch die Ausgußöffnung fließenden Gießstrahl geblasen wird, bekannt (US-PS 32 53 307) Dabei soll die Ausflußgeschwindigkeit der Metallschmelze durch Veränderung der Geschwindigkeit des zum Ausguß strömenden Gases gesteuert werden.

Auch ist ein Verfahren zur Herstellung hochwertiger Gußstücke aus einer Metallschmelze, insbesondere einer Leichtmetallschmelze bekannt, bei dem die Metallschmelze in einem Schmelztiegel mit Wasserstoff gesättigt und um den gesättigten Zustand zu erhalten, durch einen Trichter oder ein Rohr gegossen wird, dessen innerer, aus porösem Material bestehender Wandung gleichfalls Wasserstoff zugeführt wird (GB-PS 8 34 234).

Die Zuführung des Gases zum Ausguß zur Vermeidung der Oxydbildung aluminiumberuhigter Stähle wird bei diesen bekannten Verfahren jedoch nicht in Betracht gezogen.

Nachstehend ist eine erfindungsgemäß anwendbare Vorrichtung zum Vergießen von beruhigtem Stahl an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung,

F i g. 2 die Ansicht des Längsschnitts durch einen bei der Vorrichtung gemäß F i g. 1 verwendbaren Ausguß.

Bei der Vorrichtung gemäß Fi g. 1 ist eine Gießpfanne 10 am Boden mit einem Ausguß 11 versehen, durch welchen geschmolzener, beruhigter Stahl 12 in eine nicht dargestellte Stranggießkokille oder Standgußkokille fließt.

Ein Argon-Reservoir 13 ist über ein Absperrventil 14 und einen Druckregler 15 mit einem Durchflußmesser 16 verbunden, der ein nicht dargestelltes Kontrollventil aufweist, wodurch der Strom des vom Reservoir 13 kommenden Gases reguliert wird. Vom Durchflußmesser 16 gelangt das Gas zum Ausguß 11, wobei der Gasdruck auf einem Manometer 17 angezeigt wird.

Der Ausguß 11 besteht aus gasdurchlässigem Material, vorzugsweise Zirkoniumsilikat oder Zirkoniumoxyd. Die vom Durchflußmesser 16 kommende Gasleitung ist so mit dem Ausguß 11 verbunden, daß das Gas das Ausgußmaterial zur Oberfläche der Ausgußbohrung 11a hin durchströmt und dort austritt, wobei sich um den durch die Bohrung 11a ergießenden Strom 18 aus geschmolzenem Metall ein Gasschleier bildet.

Dadurch ist ein Zusetzen, Verengen und Verschmutzen der Bohrung Ua des Ausgusses 11 durch Ablagerung von Oxyden oder Oxydationsprodukten auf der Bohrungsoberfläche vermieden, was üblicherweise beim Gießen von beruhigtem Stahl geschieht. Ein solcher Ausguß 11 kann über lange Zeiträume hinweg laufend zum Gießen von beruhigtem Stahl verwendet werden.
In F i g. 2 ist eine Ausführungsform eines Bodenausgusses wiedergegeben, die zum Vergießen von aluminiumberuhigtem Stahl in industriellem Maßstab erfolgreich erprobt worden ist. Der Ausguß 11 weist dabei einen Ring aus Zirkoniumsilikat mit axialer Bohrung 11a auf. Das Zirkoniumsilikat des Ausgusses 11 ist

ίο gasdurchlässig. Die Außenflächen des Ausgusses 11 sind mit einem undurchlässigen Emailleüberzug 19 versehen, so daß lediglich die Wandung der Bohrung Ua unbedeckt ist. Zwei Sackbohrungen 20 erstrecken sich im Winkel von etwa 45° gegenüber der Längsachse des Ausgusses H von dem Umfang der unteren Seite des Ausgusses Π zur Bohrung 11a hin. Die äußeren Enden der Bohrungen 20 sind jeweils mit einem Gewinde 21 versehen, so daß darin ein nicht dargestellter Rohranschluß eingeschraubt werden kann. Die Bohrungen 20 liegen einander diametral gegenüber. Unter Druck den Bohrungen 20 zugeführtes Gas diffundiert durch das durchlässige Material des Ausgusses 11 zur Wandung bzw. Oberfläche der Bohrung 11a. Aus den restlichen Flächen des Ausgusses 11 kann wegen des Emailleüberzuges 19 kein Gas austreten.

Die nachstehenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung.

Beispiel I

Ein derart ausgestalteter Ausguß wird mit einem handelsüblichen Ausguß im Versuch verglichen. Zur Vermeidung aller verfälschenden Einflüsse wird aus einer Gießpfanne gleichzeitig mittels des wie beschrieben ausgestalteten Gasausgusses und des üblichen Ausgusses gegossen. Damit ist insbesondere der Einfluß einer unterschiedlichen Stahltemperatur und Stahlzusammensetzung auf die Strömungsgeschwindigkeiten durch die beiden Ausgüsse ausgeschaltet, welche jeweils eine Bohrung desselben Durchmessers (etwa 16 mm) aufweisen.

Die Doppelausgußpfanne wird an einer Gießpfanne aufgehängt, so daß sie über zwei parallele Reihen stationärer Standgußkokillen hinwegbewegt werden kann. Der Abstand der beiden im Boden der Pfanne vorgesehenen Ausgüsse ist so gewählt, daß die zugehörigen Metallströme in verschiedene Kokillen laufen. Das in jede Kokille gegossene Stahlgewicht und die Gießzeit werden aufgezeichnet.

Aluminiumberuhigter Stahl mit 0,51% Kohlenstoff, 0,79% Mangan, 0,13% Silicium und 0,034% Aluminium (säurelöslich) wird aus einem 3-to-Induktionsofen in eine vorgewärmte Pfanne gefüllt, d. h. laufen gelassen. Von der Pfanne gelangt der geschmolzene Stahl über einen Bodenausguß in die aufgehängte, ebenfalls vorgewärmte zweite Pfanne, und von dort in ein erstes Paar zusammengehöriger Gußeisenkokillen. Sobald eine dieser Kokillen gefüllt ist, werden die beiden erwähnten Pfannen zum nächsten Kokillenpaar bewegt

do und das Gießen fortgesetzt. Dies wird so lange durchgeführt, bis alles vorhandene geschmolzene Metall in die Kokillen vergossen ist. Die Gesamtgießzeit beträgt 11 Minuten und 28 Sekunden. Die Stahltemperatur wird während dieser Zeit mit maximal etwa 1566 und

(15 minimal etwa 1541°C gemessen.

Die Gewichte der erzeugten Stahlblöcke und die berechneten Ausflußgeschwindigkeiten während des Gießens sind in der nachstehenden Tabelle I aufgeführt.

Tabelle I	5	20 12 691	(jilS-AuSgllß Blockgewichi (kg)	6	l-'licUgcschwiiKligkeii (kg/min)
Kokillenpaar	Üblicher Ausguß Blockgewichi (kg)	l-'licBgcsdiwindigkiMi (kg/miii)	421 389 412 464		153 165 157 125
1 2 3 4	394 235 164 173	143 98 62 47

Aus der Tabelle I geht hervor, daß zu Beginn des Versuches die Fließgeschwindigkeit für beide Ausgüsse annähernd identisch ist. Im Verlauf des Versuches setzt sich der übliche Ausguß laufend zu, wie aus den verminderten Fließgeschwindigkeiten hervorgeht. Der Gas-Ausguß zeigt lediglich einen leichten Abfall der Fließgeschwindigkeit am Ende des Versuches. Dieser Abfall ist möglicherweise auf den schnellen Abfall der Metalltemperatur zurückzuführen, der gewöhnlich am Ende eines Gießvorganges zu beobachten ist. Die Viskosität des geschmolzenen Metalls steigt mit seiner fallenden Temperatur. Zusätzlich spielt die Verminderung der Höhe des Metallbades in der Doppelausgußpfanne beim Ablaufen des letzten Metalls eine Rolle.

Beispiel II

Es wird mit einem Ausguß gemäß F i g. 2 gegossen, der jedoch eine am oberen Ende konisch erweiterte Bohrung 11a aufweist. Rohranschlüsse werden in den Gewinden 21 des Ausgusses 11 befestigt und mit einer Gaszuführui gsanlage gemäß Fig. 1 verbunden, welche Argon liefert. Der Durchmesser der Bohrung 11a ist am Anfang austrittsseitig etwa 13 mm. Es soll festgestellt werden, ob der Gas-Ausguß länger als in Beispiel I ermittelt zuverlässig arbeitet. Es wird daher aus einer Pfanne mit lediglich einem Ausguß gegossen.

Aluminiumberuhigter Stahl wird aus einem Ofen in eine Gießpfanne abgestochen, von der Gießpfanne in die Pfanne 10 (Fig. 1) laufen gelassen und gelangt von dort über den Bodenausguß in mehrere Standgußkokillen. Der Stahl enthält 0,41% Kohlenstoff, 0,80% Mangan, 0,16% Silicium und 0,044% Aluminium (säurclöslich). Der geschmolzene Stahl weist beim Abstich eine Temperatur von etwa 1677°C, in der ersten Pfanne eine Temperatur von etwa 1641"C und in der zweiten Pfanne cine Maximaltcmpcrutur von etwa 1563°C sowie eine Minimaltcmpcnitur von etwa 1516°Cnuf.

Es werden fünf Kokillen von der zweiten Pfanne aus vollgegossen, wobei die gesamte GicDzclt 18 Minuten und 35 Sekunden betrugt. Die Gewichte der vergossenen Blöcke und die AusflieDgeschwindigkeitcn aus der zweiten Pfanne sind aus der folgenden Tabelle Il ersichtlich.

Tabelle	Il	GIcU-	HIcU.	Pfanncn-
Block	Block-	/oll	geschwindig keit	ienipcrntiir
	gewicht	(see)	(kg/min)	(¹C)
	(kg)	215	IJI	1363
I	468	220	128	1363
2	471	223	127	I960
3	474	225	130	1552
4	484	230	124	1543
5	473

Während des Gießens der Blöcke wird Argongas vom Reservoir 13 über den Durchflußmesscr 16 dem Ausguß 11 mit einem Durchsatz zwischen 0,48 und 0,57 m Vh (bezogen auf Normaldruck und -temperatur) zugeführt, wobei der auf dem Manometer 17 angezeigte Gasdruck zwischen 1,8631 und 1,582 kg/cm² schwankt.

Aus der Tabelle Il geht hervor, daß die Fließgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls durch den Gas-Ausguß U während des gesamten Gießversuchs nur wenig schwankt, und fünf Blöcke mit ein'.-m Gesamtgewicht von über 2000 kg vergossen werden, und zwar ohne Schwierigkeiten und Zusetzen des Ausgusses.

Am Schluß des Versuchs wird in der Ausgußöffnung ein Stahlpfropfen erstarren gelassen. Dieser Pfropfen wird entfernt und untersucht. Während bei herkömmlichen Ausgüssen ohne Gasschleier während des Gießens ein solcher Stahlpfropfen einen hohen Anteil an Aluminiumoxyd und ähnlichen Desoxydationsprodukten enthält, zeigt die metallographische Untersuchung des hier erzeugten Pfropfens keine Spur einer Bildung solcher Substanzen in dem der Wandung der Ausgußbohrung benachbarten Bereich. Es werden lediglich geringe Spuren von Aluminiumoxyd-Agglomeration im zentralen Bereich des Pfropfens festgestellt.

Der Durchmesser des Austrittsendes der Ausgußbohrung 11a schwankt nach Durchführung des Versuchs zwischen 13,6 und 13,8 mm. Dies bedeutet eine sehr geringe Erosion des Ausgusses 11 während des Versuchsgießens.

Der Gasdurchsatz des zum Gas-Ausguß 11 kommenden Gases liegt, bezogen auf die Oberfläche der Ausgußbohrung Ua, zwischen 0,1133 und 0,1416 m'/h und 6,4516 cm² Bohrungsoberflächc (bezogen auf Normaldruck und -temperatur). Weitere Versuche zeigen, daß gute Ergebnisse bei niedrigeren Gasdurchsätzen erzielt werden. Bevorzugt ist daher ein Gasdurchsatzbereich zwischen 0,0340 und 0,141b mVh und 6,4516 cm' Bohrungsoberfläche (bezogen auf Normaldruck und •temperatur). Oute Ergebnisse werden auch erreicht mit Gasdurchsätzen zwischen 0,0283 und 0,1699 m'/h und 6,4516 cm² Ausgußbohrungsoberfläche (bezogen uul Normaldruck und -temperatur). Höhcrc Gusdurchslllze verhindern auch noch den Aufbau von Oxydationspro· dukten an der Oberfläch» der AusguDbohrung, rufen jedoch einen turbulenten MctallfluD hervor und ergeben demzufolge eine ungleichmäßige Strömung. Sie sind daher weniger geeignet.

Beispiel III

Eh wird ein Versuch durchgeführt, bei clem ir industriellem Maßstab gegossen wird. In einem üblicher elektrischen 25-to-Lichtbogenofcn wird uluminiumbc ruhlglcr Stahl erschmolzen und in eine Pfunnc abgestochen. Diese Pfanne wird in eine /weite Pfunnc mil zwei Gas-Ausgüssen umgefüllt, welche jeweils eint Bohrung mil einem Durchmesser von etwa 17 mn

Kohlenstoff, 0,47%

Schwefel, 0,015%

0,05% Aluminium

aufweisen. Der Stahl weist 0,36%
Mangan, 0,16% Silicium, 0,04%
Phosphor, 0,33% Kupfer und
(säurelöslich) auf.

Der geschmolzene Stahl wird über einen Bodenausguß von der ersten in die zweite Pfanne gegossen. Die beiden von der zweiten Pfanne ausgehenden Metallströme werden in zwei wassergekühlte Stranggießkokillcn geleitet. Die Stahlströme weisen jeweils eine Temperatur von etwa 1577°C auf. Es werden etwa 23 541 kg Stahl in 61 Minuten bis zur völligen Entleerung der Pfanne vergossen. Üblicherweise setzt sich der Ausguß beim Vergießen von Stahl mit einem derart hohen Gehalt an Aluminium mit Aluminiumoxyd-Ablagerungen zu, bevor die Pfanne vollkommen geleert ist.

Die bei diesem Versuch gegossenen Probestücke weisen lediglich eine Oberflächenporosität von 1,4 Randporen je 929 cm² Probestückoberfläche auf, während mit üblichen Ausgüssen und siliciumbcruhigtem Stahl 50 bis 100 Randporen je 929 cm² Gießlingsoberfläche beobachtet werden. Randporen in der Oberfläche von gegossenen Stahlstücken lassen Nähte bei den daraus gewalzten Stahlerzeugnissen entstehen. Diese Oberflächenfehler, d.h. Nähte, sind bei vielen Anwendungen nicht annehmbar, wo die Oberflächenqualität von Bedeutung ist. Die Möglichkeit, aluminiumberuhigten Stahl durch Pfannenausgüsse zu vergießen, hat auch den Vorteil, daß ein feinkörniger Stahl, bezogen auf den McQuaid-Ehn-Test, hergestellt werden kann, ohne daß teure Ferrovanadium-Zusätze dem geschmolzener Stahl zugefügt werden müßten.

Dieses Beispiel verdeutlicht die Ausführbarkeit dei Erfindung in industriellem Maßstab und die damit zi erzielenden Vorteile.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anwendung eines Verfahrens zum Vergießen von Eisenmetallen aus einer Gießpfanne mit Bodenausguß in Formen, bei dem während des Vergießens ein inertes Gas durch den porösen Ausgußstein gegen den durch die Ausgußbohrung fließenden Gießstrahl geblasen wird, auf das Vergießen von Stählen mit einem Gehalt von ι ο wenigstens 0,02% an säurelöslichem Aluminium mit der Maßgabe, daß das inerte Gas mit einem Druck

zwischen 0,352 und 2,11 kg/cm² und einem Durchsatz zwischen 0,0283 und 0,{69S Normkubikmeter je Stunde und 6,4516 cm² Bohrungsfläche zugeführt wird.

2. Anwendung nach Anspruch 1, dadurcn gekennzeichnet, daß das inerte Gas mit einem Durchsatz zwischen 0,0340 und 0,1416, insbesondere zwischen 0,1133 und 0,1416 Normkubikmeter je Stunde und 6,4516 cm² Bohrungsfläche zugeführt wird.

3. Anwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als inertes Gas Argon eingesetzt wird.