DE2403146C3 - Verfahren zur Feststellung des Reinheitsgrades von Stahl während des Schmelzprozesses oder nach dem Abkippen als Chargenkontrolle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Es ist bekannt, daß beim Gießen von Stahl durch den Gehalt desselben an Verunreinigungen, insbesondere an Schwefel und Sauerstoff, Probleme auftreten, da man die Sauerstoffaufnahme von Ofen und Herd beim Frischprozeß, wo leicht Fehler auftreten können, nicht in der Hand hat. Die bekannte Methode zur Feststellung des Sauerstoffgehaltes in der Schmelze mit Feststoffelektrolysezellen, mit deren Hilfe man die Aktivität des Sauerstoffs mißt, ist ebenfalls nicht frei von Problemen, weil im Bad sowohl bei Lichtbogenofen als auch bei SM-Öfen starke Konzentrationsunterschiede vorliegen. Man erhält daher keine reproduzierbaren Werte, weil diese von der Stelle, an der die Elektroden in die Schmelze getaucht werden, und von der Eintauchtiefe abhängen. Da man somit keine verläßlichen Werte für die Gesamtcharge bekommt, kann man deren Reinheitsgrad auch nicht mit hinreichender Genauigkeit feststellen und demnach auch nicht die zu ergreifenden Maßnahmen mit Aussicht auf den erhofften Erfolg auf diese Werte hin ausrichten.

Aus dem DE-GM 71 30 297 ist ein Schöpflöffel besonders zur Entnahme von Proben aus einer Stahlschmelze zwecks laufender Analyse bekannt- Die damit gezogene Probe kann nach dem Erkalten aus dem abgenommenen, die Probenform bildenden oder enthaltenden Endstück leicht zur Untersuchung freigelegt werden. Ein Temperaturfühler im Endstück ermöglicht eine Kohlenstoffbestimmung gleichzeitig mit der Probenahme und ein außen angeordneter Temperaturfühler die Temperaturbestim.nung der Schmelze zur Zeit der Probenahme. Bei einer solchen Methode wird einfach die Liquidus-Temperatiir aus der Zeit-Ternperaturkurve bestimmt. Daraus kann man, wenn der Gehalt an Silicium, Chrom und anderen Legierungselementen bekannt ist, nach Tabellen den Kohlenstoffgehalt zurückrechnen. Der Probekörper kann etwa kubisch oder auch mit einem kurzen Ansatz mit kleinerem Durchmesser geformt werden. Für ein Verfahren der eingangs genannten Art läßt sich aber aus dieser Veröffentlichung nichts entnehmen. Vor allem wird auch keine erste Ableitung der Zeit-Temperaturkurve gebildet.

Es sind auch aus der DE-OS 16 48964 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Liquidusphasenändemngstemperatur geschmolzenen Materials bekannt, wobei ein Thermoelement in einem etwa kubischen Testkörper angeordnet ist, der sich in der Vorrichtung durch Erstarren einer damit entnommenen flüssigen Probe der Charge bildet. Mit einer solchen Vorrichtung läßt sich die Erstarrungskurve einer in ihr desoxydierten Stahlprobe und besonders der Liquidus-Temperatur aufzeichnen, welche in bekannter Weise mit der Kohlenstoffzusammensetzung des Stahls in Beziehung steht. Diese bekannte Vorrichtung ermöglicht jedoch nicht die Bestimmung des Gehaltes an Sauerstoff, Schwefel und gelösten Verunreinigungen von Stahl während des Erstarrens der Probe; vielmehr sind dazu gegebenenfalls verschiedene Untersuchungen an der erstarrten Probe erforderlich.

Ferner ist in der Veröffentlichung von F. Oeters und Mitarbeitern in Archiv für Eisenhüttenwesen, 10. Jahrgang, 1969, S. 603 bis 613 beschrieben, daß die löslichen Verunreinigungen und Legierungselemente den Erstarrungsablauf von Stahl beeinflussen und daß eine Konzentrationsanreicherung derselben vor der Erstarrungsfront eintritt. Es ist dort auch beschrieben, wie die Konzentrationen der stark seigernden Elemente, z. B. Sauerstoff: Konzentration flüssig Q: Konzentration fest Cj=50 :1 (Seigerungskoeffizient L= Cs/C/=0,02); Schwefel :O/G=20:1 (L=0,04-0,05), vgl. S. 606, Bild 4, an der Phasengrenze in Abhängigkeit von der Erstarrungsgeschwindigkeit berechnet werden können. Dies ist prinzipiell dargestellt in den Bildein 2 und 3, S. 604, 605 der Veröffentlichung.

Diese Konzentrationserhöhung der stark seigernden Elemente an der Phasengrenze senkt die Liquidustemperatur. Dadurch werden die Erstarrung und das Freiwerden der Erstarrungswärme gebrenitt, ja sogar kurzzeitig unterbrochen (konstitutionelle Unterkühlung nach W. Kurz und B. Lux). Derartige Untersuchungen und Berechnungen sind aber aufwendig und zeitraubend, also nicht für betriebliche Anwendung während des Schmelzprozesses geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Reinheitsgrad von Stahl besonders hinsichtlich seines Sauerstoff- und Schwefelgehaltes während des Schmelzprozesses oder nach dem Abkippen als Chargenkontrolle aus relativ schnell erstarrenden Proben noch vor dem Vergießen der Gußstücke rasch und genau zu ermitteln.
Es wurde überraschenderweise gefunden, daß dieses trotz der geringen Gehalte an löslichen Verunreinigungen, z.B. weniger als 0,01% gelöstem Sauerstoff, durch ein thermoanalytisches Verfahren möglich und praktisch durchführbar ist.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird daher ein Verfahren mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmaler, vorgeschlagen.

Der durch die Erfindung erreichte Vorteil besteht darin, daß der zeitliche Verlauf des Dendritenwachstums in erstarrendem Stahl durch Aufnahme einer nach der Zeit differenzierten Erstarrungskurve eines Testkörpers genau und schnell genug erfaßbar ist, um daraus noch während des Schmelzprozesses Rückschlüsse auf die Reinheit des Stahls zu ziehen und etwa erforderliche Korrekturmaßnahmen vorzunehmen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist im Unteranspruch gekennzeichnet.

Unter einem kubischen Testkörper wird hier nicht nur ein Würfel verstanden, sondern alle Körper, die in ihren

drei Raumdimensionen gleich oder etwa gleich lang sind, kommen als Testkörper in Betracht, also auch Kugeln oder Zylinder, deren Durchmesser gleich ihrer Höhe ist Die Testkörpergußform kann mit einer Schicht inerten Materials umgeben werden, wodurch man mit einer geringeren Stahlmenge auskommt und die Abkühlungsgeschwindigkeit sinkt. Auch zur Prüfung von Chargen für große Gußkörper wird man diese Methode wählen, sofern man es nicht vorzieht mit relativ großen Testkörpern zu arbeiten, in denen die Abkühlungsbedingungen jenen des Gußstückes angenähert sind.

Zur Durchführung des erfindurjgsgemäßen Verfahrens gießt man daher eine Stahlprobe von etwa 1 bis 2 Liter in eine etwa kubische Form, und nimmt mittels eines in der thermischen Mitte angeordneten Thermoelementes, die nach der Zeit differenzierte Abküh;ungskurve auf. Die differenzierte Kurve zeigt, daß das Defidritenwachstum nach einiger Zeit zum Stillstand kommt was sich durch eine Unstetigkeit im Kurvenverlauf zu erkennen gibt. Dann beginner, sie wieder zu wachsen, bis zur vollständigen Erstarrung der Schmelze. Durch Zerschneiden des Testkörpers und Vergleich mit der differenzierten Kurve wurde festgestellt daß das Volumen der Dendriten bis zur Unterbrechung des Wachstums dem Volumen der stengeligen Dendriten entspricht, während die Menge der Dendriten nach der Unterbrechung der Menge des gicbular erstarrten Stahls entspricht Der Zeitpunkt der Unterbrechung des Dendritenwachstums in der Schmelze hängt nun mit der Menge der darin gelösten Verunreinigungen insofern zusammen, als bei mehr gelösten Verunreinigungen die Unterbrechung zeitlich früher erfolgt. Entsprechend dem Ergebnis des Tests wird man nun, falls erforderlich, die Raffinadezeit im Lichtbogenofen verlängern bzw. die Charge im SM-Ofen langer ins Gleichgewicht kochen lassen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Feststellung des Reinheitsgrades von Stahl während des Schmelzprozesses oder nach dem Abkippen als Chargenkontrolle, wobei ein etwa kubischer Testkörper gegossen wird, in dem zur Aufnahme einer Erstarrungskurve ein Thermoelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des etwa in der thermischen Mitte des Testkörpers angeordneten Thermoelements eine nach der Zeit differenzierte Erstarrungskurve des Testkörpers aufgenommen wird, welche die durch die gelösten Verunreinigungen bedingte Unstetigkeit im Dendritenwachstum in ihrem zeitlichen Verlauf anzeigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Testkörpergußform mit einer Schicht inerten Materials umgeben wird.