DE2102726C3 - Verfahren und Vornchtung zum Ver hindern von Kernfehlern in metallischen Gußblocken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verhindern von Kernfehlern in metallischen Gußblöcken, insbesondere Stahlblöcken nach Patent 1 583 705, bei dem das flüssige Metall in der Kokille vom F.ingießen bis zum Erstarren unter Vakuum mit einem sauerstoffhaltigen Gas und Feststoffpulver behandelt wird.

Metallische Gußblöcke, insbesondere Stahlblöcke neigen zu Kernfehlern, d. h. im Kern des Blocks konzentrieren sich beim Erstarren in der Kokille Fehler, die vor allem durch oxydische und nichtmetallische Einschlüsse in Poren und Lunkerhohlräumen bedingt sind, während der Block in der Randzone eine gute Qualität besitzt. Poren und Lunkerhohlräume selbst stellen keine Fehler dar, wenn ihre Überfläche sauber, d. h. frei von Verunreinigungen ist, so daß sie durch Verschweißen des umgebenden Metalls beim Walzen und Schmieden wieder verschwinden. Bei technisehen Schmelzen kommen jedoch Poren und Lunkerhohlräume mit sauberer Oberfläche praktisch nicht vor, da das Erstarren eines Blocks stets mit einer Seigerung verbunden ist, die zum Abscheiden nichtmetallischer Eisenbegleiter und oxydischer Desoxydationsprodukte führt. Außerdem ist der Verlauf der Erstarrung im Blockkern ungleichmäßig, so daß sich häufig im bereits erstarrten Metall noch Flüssigkeitsinseln befinden, die mit der übrigen Schmelze nicht mehr in Verbindung stehen und an Seigerungsprodukten, insbesondere Desoxydationsprodukten angereichert sind. Beim Erstarren dieser Flüssigkeitsinseln bilden sich dann Poren und Lunkerhohlräume, in denen die nichtmetallischen Eisenbegleiter und Desoxydationsprodukte in fester Phase ausgeschieden sind.

Um die insbesondere bei schweren Schmiedeblöcken und hochlegierten Stählen häufig auftretenden Kernfehler zu beseitigen, wurde bereits vorgeschlagen, die Schmelze in der Kokille vom Gießbeginn bis zum Erstarren mit neutralen oder reduzierenden, in der Schmelze unlöslichen Gasen zu behandeln. Als Behandlungsgase kommen bei diesem bekannten Verfahren Argon, Stickstoff und Kohlenoxyd zur Verwendung, die von unten her in aas in der Kokille befindliche Metail eingeblasen werden. Bei diesem Verfahren kommt es jedoch sehr darauf an wie das Gas in die Schmelze eingeblasen wird. Eine wesentliche Verbesserung der Blockstruktur ergibt sich nämlich nur dann, wenn das Gas in feiner und möglichst gleichmäßiger Verteilung über den Biockquerschnitt eingeblasen wird. Im Vakuum ist dieses Verfahren jedoch wegen der außerordentlich starken Expansion des Gases nicht anwendbar, da mit der Expansion eine Durchwirbelung der Schmelze verbunden ist, die dazu führt, daß der Blockschaum, d h die auf der Schmelze schwimmende Schlacke, in die Schmelze eingesaugt wird. Auf diese Weise entstehen oxydische Einschlüsse im Block, die sich unangenehm bemerkbar machen.

Aus den deutschen Auslegeschnften 1096 039, 1 226 748 und 1 583 705 sowie aus der französischen Patentschrift 1386 390 sind außerdem auch Verfahren bekannt, bei denen ein Feststoff in die Schmelze cingeblasen wird. Bei derartigen Verfahren fungiert das Gas als Transportmedium fur den Feststoff, d. h. außerhalb der Kokille bzw. außerhalb der Schmelze wird eine Feststoff-Gas-Suspension erzeugt, die alsdann in die Kokille bzw. in die Kokillen schmelze eingeblasen wird. Dies kann bei einer bekannten Vorrichtung beispielsweise mittels einer in die Kokillenschmelze eintauchenden Lanze geschehen, an deren oberem Ende ein Mischkopf nau-, Art einer La\al-Düse angeordnet ist. Dabei bik^t sich unter dem Einfluß der Gasgeschwindigkeit u-.ni der Schwerkraft in der Lanze eine Feststoff-G ^s-Suspension, die am freien Ende der Lanze in (iie Kokillenschmelze gedrückt wird.

Ein Verfahren unter Verwendung einer Tau·. »- lanze wird auch in der französischen Patentsclinft 1 405 30S beschrieben; dabei wird ein Desoxydatu"-.·.-mittel mittels eines Inertgases aus einem behältern* ugen TdI einer Lanze gedruckt. Ein weiteres, aus der französischen Offenlegungsschrift 2 016 483 bekanntes Verfahren betrifft eine Vakuumdesoxydation i..n Stahl, bei dem gleichzeitig ein Inertgas durch die Schmelze geblasen wird. Schließlich sind auch /ahlreiche verfahren und Vorrichtungen bekannt, um Magnesium beim Herstellen von Gußeisen mit Kugelgraphit in einer Eisenschmelze einzubringen. Dabei geht es im wesentlichen darum, die aus dem h.ihcn Dampfdruck des Magnesiums resultierenden Schwierigkeiten zu überwinden. Dies kann durch Einblasen einer Suspension oder das Einführen einer Magnesium-Vorlegierung mittels mechanischer Rührvorrichtungen oder eines Rührgases geschehen. AK Gase kommen dabei wegen der hohen Sauerstoffaffinität des Magnesiums und der ohnehin geringen Magnesiumausbeute nur Inertgase, aber keine sauerstoffhaltigen Gase in Frage.

Bei dem aus der deutschen Patentschrift 1 583 705 bekannten Verfahren, kann das Trägergas auch einen Zusatz von Sauerstoff erhalten. Es hat sich jedoch gezeigt, daß je nach Behandlungsdauer und der Menge des Behandlungsgases Undefinierte Mengen von Feststoffpulvern in die Kokillenschmelze gelangen, wodurch die Qualität des Stahls nachteilig beeinflußt werden kann. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, den Stahl in der Kokille in Abhängigkeit von seiner chemischen Zusammensetzung und Qualität mit einer

genau definierten Menge an Feststoffpulver zu behandeln, und zwar unabhängig davon, welche Meneen an Behandlungsgas in die Kokille eingeleitet werden. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei dem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß eine genau definierte Menge Feststoripulvers, die in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des zu vergießenden Stahles zwischen 20 und 500 g pro Tonne Stahl liegt, in einem zerstörbaren, perforierten Behälter eingegeben wird, der vor dem Eingießen des Stahls unmittelbar oberhalb der Gaseinblasdüse in der Kokille angebracht wird.

Als Feststoffpulver sind beispielsweise Silizium, Aluminium, Kohlenstoff, Titan, Vanadin, Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel, Niob, Molybdän, Cer, Tantal, Wolfram und insbesondere Mangan, sowie wegen ihres hohen Dampfdruckes Lithium, Magnesium und Kalzium oder leicht reduzierbare Metalloxyde ge-

K besondere Vorteil des ertmdungsgemäßen Ver- *o fahrens besteht darin, daß einige der obenerwähnten. mit dem Behandlungsgas in der Schmelze verteilten Fettstoffe eine hohe Schmelz- und Lösungswärme besitzen und der Schmelze daher örtlich Warme ent-S Außerdem wirken die Feststoffpartikeln als >₅

'sss5£££^t& Dies ist von besonderem Vorteil, weil die verhältnismäßig starke Sauerstoffkonzentration zu einer örtlicher! Sauerstoffübersättigung und damit zur_ schnellen Bildung von Keimen führt, die das anschiebende Ausscheiden der in übersättigter Losung befindlichen Oxvde wesentlich erleichtert. Außerdem vermindert das" Flußmittel die Grenzflächenspannung Metall/ Oxyd, wodurch die Ausscheidung gelöster Oxyde wesentlich erleichtert wird.

Bei der praktischen Durchführung des erfindungseemäßen Verfahrens hat sich gezeigt, daß das Behandlungsgas nicht mit dem Feststoff beladen zu werden braucht, sondern sich hervorragende Ergebnisse erzielen lassen, wenn sich der Feststoff in einem durch das flüssige Metall ^störbaren^ehä-lter^be^elj-

den Behälter und den Feststoff auf, der dann durch das mittels der Düse unrnittetoar unterhalb des Behälters eingelegte Gas gleichmäßig und fein in des

haben ergeben, daß - -

00 gt Stahl und einer Gasmenge t bei Behandlung unter Atmospharen-5 bis 15 Nl t im Vakuum hervorragende erzielen lassen. Im Einzelfall muß die

' ias Gas

15 bis 25 Nl
druck und
Ergebnisse

l^D^Sre^ U der Feststoffpartikeln in der Schmelze garantiert ein'.-benso feines Ausscheiden der E.senbegieiter, so daii die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behudelten Blöcke frei von makroskopisch«, Fehlern Besondere
besondere dem

oder

kommt dem Feststoff-, inswenn das erfin-Lcführt Ver-. daß

mieden wird Demzufolge muß die Gasmenge im Vaakum entsprechend dem niedrigen Druck über der Schmelze stark verringert werden. So darf die Gasmenge beim Behandeln einer Schmelze im Vakuum etwa 15 Nl't Stahl nicht übersteigen, während bei einer Behandlung unter Atmosphärendruck Gasmengen bis zu 50Nl/t zulässig sind. Der an sich naheliegende Gedanke, die Gasmenge entsprechend

.,«... zahlreiche Versuche konnte festgestellt wer- 35 fahrens kommt es : daß zwischen den Viskositäten der sieh auf der ein Durchwirbeln der 1,,,'ckoberfläche abscheidenden Schlacke, d.h. des Blov.kschaums, und der Schmel/.e sowie der Feinkowiigkeit des Gußgefüges bzw. der Blockqualität ein bt-MTimter Zusammenhang besteht. Außerdem wurde 40 festgestellt, daß auch Stähle mit verhältnismäßig hohem Sauerstoffgehalt dann fehlerfreie Blöcke ergeben, wenn sich der Sauerstoff im Block in homogener Verteilung befindet. Um dieser. Erkenntnissen Rechnung zu tragen, wird das erfindungsgemäße Ver- 45 der fahren vorzugsweise so durchgeführt, daß mit dem ringern Gas ein Flußmittel in der flüssigen Schmelze verteilt wird. Als Flußmittel kommen dabei alle in der Hüttentechnik gebräuchlichen Flußmittel in Frage, sofern sie nicht selbst zu einer Verunreinigung der zu 50 behandelnden Schmelze führen. Insbesondere sind jedoch die neutralen Flußmittel wie Flußspat und Borax oder auch basische Flußmittel wie Soda und

Eisenoxyd geeignet. .„._fc

Vorzugsweise wird mittels des Gases in der 55 vorgerufenen Fremdkeime Schmelze ein körniger oder pulverförmiger Feststoff verbesserung ^J~- ^'""l·= verteilt, der aus Flußmittel, Schlackenbildnern und Metall, beispielsweise aus Kalziumfluorid (CaF₂), Kalziumoxyd (CaO) und Glas sowie Metall, beispielsweise Mangan besteht.

Als Behandlungsgas eignen sich insbesondere inerte bestem.

Gase wie Argon, dem Sauerstoff und/oder Kohlen- Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugs-

dioxyd beigemischt werden kann. Enthält das Gas weise in einer Vorrichtung durchgeführt, die im wefreien oder gebundenen Sauerstoff, so kommt es in sentlichen aus einer auf einer Bodenplatte mit > der Schmelze zu einer örtlichen Oxydation des Eisens 63 Gasdüse stehenden Kokille sowie einem au! und seiner Begleiter und damit zu einer Bildung von Gasdüse angeordneten Feststoffbehalter bestem. Metalloxyden, insbesondere Eisen- und Mangan- Im Rahmen eines Versuches wurde eine 1

oxyd, die in der Schmelze als Flußmittel fungieren. Schmelze der Zusammensetzung:

unfein, min sich jedoch nicht verwirklichen, weil die dann noch verbleibende Gasmenge zu gering ist, um die erforderliche Kühlwirkung und Keimbildung in der Schmelze zu erreichen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren tritt nun der Feststoff bzw. das Flußmittel an die Stelle eines Teils des Behandlungsgases, so daß sich trotz der geringen Gasmenge von nur 5 bis 15Nl/t Stahl infolge der durch den Feststoff in der Schmelze her-— ■■ ·— -*:~ ..»ii.iiiKplitfl Struktur-

hältnismäßii geringen Gasmenge ^k°^mmt 5?.™* hin nicht zu einer unerwünschten Durchw. bclung der Schmelze, so daß auch die Gefahr emts Ein δο saugens des Blockschaums in die Sehmü/L nicni

5 6

0,30o/„ Kohlenstoff, stehenden Schmelzprodukte besitzen eine gute Be-

_n._no, _ςΊ· . netzbarkeit gegenüber Oxyden, insbesondere Ton-

0 600/ Mancan ^{erde> die zum Abscheiden der} °*y^{de in dem Block}-

l'5^o/o° Chrom ' schaum führt.

„'_-„, _M - y\.. 5 Bei dem Versuch wurden während einer Dauer von

2 1«/ Nickel insgesamt 17 Minuten 800Nl (Normalliter) einge-

_R , . ' blasen. Im einzelnen ergibt sich der Blasverlauf aus

^{KeSt tlS n} der nachstehenden Tabelle.

nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt. _Zeit Nl/Min

Die Schmelze wurde aus einer Pfanne 1 in eine Ko- io ^ ^i₅ ^ Minute 38

kille 2 vergossen, die sich in einem mit einem Dek- 3' ^j₅ g jyii_nute go

kel 3 versehenen Vakuumbehälter 4 befand. Am g ^₅ j^' \4j_nule 38

Fuße der Kokille befand sich eine aus zwei inein- < r' l.;. 1₇' \ji:„.._ia 1 η

__, ,_t _ j j' ι 1 j j XJ. UIb 1 / . i VIII I UlC ·.*......····.. Iw

ander geschraubten Teilen 5 und 6 bestehende und

mit Radialbohrungen 7 versehene Gasdüse, deren 15 Die Untersuchung von Proben aus dem nach dem

Zuleitungskanal 8 über eine Leitung 9 mit einem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Block

nicht dargestellten Gasbehälter in Verbindung mittels Ultraschall ergab keinen Ausschuß.

stand. Auf der Schraubkappe 5 der Gasdüse befand Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, mit

sich ein aus Lochblech bestehender, den Fesistoff verhältnismäßig geringen Gasmengen hochwertige

enthaltender Behälter 10. ao Metallschmelzen sowohl bei Atmosphärendruck als

In der Schmelze wurden 450 g/t einer Feststoff- auch im Vakuum mittels körnigen oder pulverförmi-

mischung aus Flußspat, weichgebranntem Kalk, gen Feststoffen zu behandeln und dabei eine Quali-

Glaspulver und Ferromangan mit 80% Mangan ver- tätsverbesserung zu erreichen, die insbesondere zu

teilt. einer Verminderung des durch Fehler im Blockkern

Die vorerwähnte Mischung besitzt einen niedrigen 25 bedingten Ausschusses um etwa 60 bis 85°/o führt.

Schmelzbereich von etwa 1100 bis 1300° C und wird Das auf diese Weise erheblich verbesserte Ausbringen

von der mit etwa 1600 bis 1650⁰C vergossenen an gutem Material wiegt die Kosten des crfindungs-

Stahlschmelze schnell aufgeschmolzen. Die dabei ent- gemäßen Verfahrens bei weitem auf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verhindern von Kernfehlern

in metallischen Gußblöcken, insbesondere Stahlblöcken nach Patent 1 583 705, bei dem das flüssige Metall in der Kokille vom Eingießen bis zum Erstarren unter Vakuum mit einem sauerstoffhaltigen Gas und Feststoffpulver behandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine ge- ίο nau definierte Menge Feststoffpulvers, die in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des zu vergießenden Stahles zwischen 20 und 500 g pro Tonne Stahl liegt, in einen zerstörbaren perforierten Behälter eingegeben wird, der vor dem Eingießen des Stahls unmittelbar oberhalb der Gaseinblasdüse in der Kokille angebracht wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I, gekennzeichnet durch eine auf einer Bodenplatte mit einer Gasdüse (5,6,7,8) ao befindliche Kokille (2) und einen auf einer Schraubkappe (5) der Gasdüse befindlichen Feststoffbehälter (10) mit perforiertem Mantel.