DE2548526C3 - Verwendung eines warmfesten und schweißbaren Stahls - Google Patents

Description

30 (% C)+5 (% Si)+10 (% Mn)+

40(%Mo)+50(%V)+

60 (% Ti + % Nb + % Ta)+50 (% SE) +

1000 (% B)

und

l/20(%Cu) + '/6()

'/20 (% Cr)+'/is (% Mo)+
Vio(%V)+5(%B)

Mn)+

SS 0,22,

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genügt als Werkstoff für Gegenstände, die wie wassergekühlte Heißwindschieber eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit besitzen müssen.

2. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1, der jedoch einzeln oder nebeneinander mindestens 0,05% Kohlenstoff, mindestens 0,10% Silizium, mindestens 0,2% Mangan, mindestens 0,0005% Bor, mindestens 0,01% Niob, Tantal sowie Titan, mindestens 0,005% Seltene Erdmetalle enthält, für den Zweck nach Anspruch 1. J5

40

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines warmfesten und schweißbaren Stahls, bestehend aus höchstens 0,1% Kohlenstoff, höchstens 0,5% Silizium, höchstens 1,5% Mangan und 0,5 bis 1,0% Molybdän, 0,02 bis 0,2% Vanadium, höchstens 0,05% Aluminium und als Wahlkomponenten jeweils einzeln oder nebeneinander höchstens 0,10% Niob, Tantal, Titan, Seltene Erdmetalle und höchstens 0,006% Bor, Rest Eisen einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen.

In jüngster Zeit sind eine Reihe neuerer Verfahren zum Herstellen von Eisen und Stahl und insbesondere neue Hochofentechniken aufgekommen, die eine erhebliche Leistungssteigerung erbracht haben. Die Leistungssteigerung beim Hochofen geht beispielsweise auf die Verwendung von Hochdruckwind, das öleinblasen und höhere Windtemperaturen zurück.

Andererseits hat die Anwendung der neuen Verfahrenstechniken auch Schwierigkeiten mit sich gebracht. <,o So treten infolge der höheren Windtemperaturen Schwierigkeiten an den Ventilen, Windleitungen und Düsen auf. Diese Schwierigkeiten sind an den Heißwindschiebern besonders groß, weil diese angesichts ihrer hohen Temperaturbeaufschlagung eine μ Wasserkühlung'besitzen und Schwankungen der Oberflächentemperatur von 500 bis 1000⁰C unterliegen. Im Einzelfall hängt die Oberflächentemperatur vom Betriebszustand ab, d.h. davon, ob der zugehörige Winderhitzter auf Wind oder Gas geschaltet ist, da im ersteren Falle der Schieber geöffnet, ansonsten aber geschlossen ist Weitere Schwierigkeiten ergeben sich aus dem durch die Wasserkühlung bedingten hohen Temperaturunterschied zwischen der Außen- und dar Innenoberfläche, der zu erheblichen Spannungen und in Abhängigkeit von der sich ändernden Oberflächentemperatur zu einer starken Temperaturwechselbeanspruchung führt

Wegen der geringeren Windtemperaturen ließen sich die aus der Temperaturdifferenz resultierenden Spannungen bislang noch meistern. Der Wunsch nach einer weiteren Leistungssteigerung und die damit verbundene Tendenz zu höheren Windtemperaturen hat jedoch die Häufigkeit von Fehlern und Ausfällen ganz erheblich erhöht

Aus der US-Patentschrift 20 40 189 ist bereits ein Stahl mit in die eingangs erwähnten Gehaltsgrenzen fallender Zusammensetzung bekannt Dieser Stahl enthält 0,05 bis 0,40% Kohlenstoff, 0,20 bis 3,00% Mangan, 0,02 bis 0,50% Silizium, 0,02 bis 0,20% Vanadium, 0,04 bis 0,20% Titan, 0,04 bis 0,2% Cer, sowie fakultativ Molybdän und Aluminium in unbestimmter Menge, Rest Eisen; er soll sich als Werkstoff für Schweißstäbe eignen sowie ein Schweißgut mit hoher Festigkeit und Zähigkeit ergeben. Dem liegt der Gedanke zugrunde, einer Beeinträchtigung der Festigkeit und Zähigkeit infolge eines Vanadiumabbrandes beim Schweißen mit Hilfe bestimmter Elemente entgegenzuwirken, die das Vanadium vor einer Oxydation sowie vor Reaktion mit der Schweißschlacke schützen.

Bekannt ist aus der schweizerischen Patentschrift 2 34 395 auch ein Stahl für Stahlformgußstücke mit bis 0,8% Silizium, bis 1,2% Mangan, bis 0,06% Phosphor, bis 0,06% Schwefel, 0,05 bis 2,5% Titan sowie fakultativ je 1,5% Vanadium und Molybdän, bzw. je bis zu 2% Niob und Tantal, Rest Eisen. Dieser Stahl soll bei Temperaturen von 300 bis 600° C eine hohe Zeitstandfestigkeit besitzen. Des weiteren beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift 23 20 185 einen als Werkstoff für Großbauteile mit hoher Streckgrenze und Kerbschlagzähigkeit geeigneten Stahl aus 0,01 bis 0,10% Kohlenstoff, 0,05 bis 1,0% Silizium, 0,20 bis 2,50% Mangan sowie als Wahlkomponenten bis 2,0% Molybdän, bis 1,0% Vanadium, bis 0,5% Aluminium, bis 0,2% Tantal und/oder Niob und bis 0,50% Titan, Res» Eisen.

Bekannt ist schließlich aus der US-Patentschrift 19 79 594 auch noch ein Stahl mit 0,01 bis 0,5% Kohlenstoff, bis 0,5% Silizium, 1 bis 3% Mangan, 0,01 bis 0,5% Molybdän und 0,01 bis 0,5% Vanadium, Rest Eisen, der bei einer Temperatur von etwa 399 bis 538°C eine hohe Zugfestigkeit, Streckgrenze und Kriechfestigkeit besitzen sowie oxydationsbeständig sein soll. Bei diesem Stahl handelt es sich um einen Knetwerkstoff, dessen Mangan-, Molybdän- und Vanadium-Gehalt Träger der Kriechfestigkeit sein sollen.

Es ist auch bekannt, daß Seltene Erdmetalle einen günstigen Einfluß auf die Warmverformbarkeit und Bor auf die Schweißbarkeit haben.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen schweißbaren Stahl vorzuschlagen, der sich als Werkstoff für Gegenstände eignet, die wie wassergekühlte Heißwindschieber eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit besitzen müssen.

Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf der Erkenntnis, daß sich eine ausgezeichnete Temperaturwechselbe-

ständigkeit ergibt, wenn der Stahl bestimmte Mengen an Molybdän und Vanadium sowie als Wahlkomponenten Bor, Niob, Tantal, Titan und Seltene Erdmetalle (SE) einzeln oder nebeneinander und im Hinblick auf eine gute Schweißbarkeit höchstens 0,10% Kohlenstoff enthält

Im einzelnen wird als Lösung die Verwendung eines Stahls mit 0,05 bis 0,1% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,5% Silizium, 0,2 bis 1,5% Mangan, 0,5 bis 1,0% Molybdän, 0,02 bis 0,2% Vanadium, sowie als Wahlkomponenten höchstens 0,05% Aluminium, 0,01 bis 0,10% Niob, Tantal und Titan, 0,005 bis 0,10% Seltene Erdmetalle und 0,0005 bis 0,006% Bor, jeweils einzeln oder nebeneinander, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen vorgeschlagen, der den folgenden Bedingungen für den Temperaturwechselfaktor Mf und den Schweißrißfaktor PcMgenügt:

30 (%C)+5 (%Si) +10 (0/oMn)+

40(%Mo)+50(%V)+

60 (%Ti+%Nb + %Ta)+50 (%SE) +

1000 (%B)

>36

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'/20(%Cu)+l/60(%Ni) +

•/20 (%Cr)+'/is (%Mo)+
Vio(%V)+5(%B)

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Der Stahl enthält Nickel, Kupfer und Chrom allenfalls Jo als Verunreinigungen, da diese Elemente die Schweißrißempfindlichkeit erhöhen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der in der Zeichnung dargestellten Diagramme des näheren erläutert. In der Zeichnung J5 zeigt

F i g. 1 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Temperaturwechselbeständigkeit bei Temperaturwechseln zwischen 100 und 500° C und dem Molybdängehalt für Stähle mit 0,08 bis 0,10% Kohlenstoff, 0,7 bis 0,9% Mangan und 0,1 % Vanadium,

F i g. 2 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Temperaturwechselbeständigkeit bei Temperaturwechseln zwischen 100 und 500° C vom Vanadiumgehalt für einen Stahl mit 0,08 bis 0,10% Kohlenstoff, 0,7 bis 1,2% Mangan und 0,75% Molybdän,

F i g. 3 eine grafische Darstellung der Vorwärm- bzw. Rißbegrenzungstemperatur von dem Schweißrißfaktor Pcm ohne Berücksichtigung von Nickel, Kupfer und Chrom für vorgespannte Proben mit einer Y-Nut aus so den Stählen der Tabelle 11 und

Fig.4 eine grafische Darstellung der Temperaturwechselbeständigkeit in Abhängigkeit vom Temperaturwechselfaktor.

Die Zusammensetzung des Stahls kann innerhalb der sich aus der nachfolgenden Tabelle 1 ergebenden Gehaltsgrcnzen schwanken. Der Kohlenstoffgehalt darf dabei jedoch im Hinblick auf die angestrebte Schweißbarkeit 0,1% nicht übersteigen, da der Stahl verhältnismäßig hohe Gehalt an Molybdän und Vanadin besitzt, bo Andererseits gewährleisten Kohlenstoffgehalte unter 0,05% trotz der Anwes?n:.cii von Mangen, Molybdän und Vanadin keine ausreichende Festigkeit. Der Stahl enthält daher 0,05 bis 0,10% Kohlenstoff.

Silizium dient als Desoxydationsmittel; der Stahl darf h5 im Hinblick auf seine Schweißbarkeit, Zähigkeit und Verformbarkeit jedoch nicht mehr als 0,50% Silizium enthalten, während mindestens 0,10% Silizium für eine ausreichende Desoxydation unerläßlich sind

Auch das Mangan dient der Desoxydation des Stahls, bewirkt aber zusätzlich eine Festigkeitssteigerung. Mangangehalte über 1,5% beeinträchtigen die Zähigkeit, während mindestens 0,2% Mangan für eine ausreichende Desoxydatin und Festigkeit erforderlich sind

Das Molybdän bewirkt eine beachtliche Steigerung der Temperaturwechselbeständigkeit, wie der Kurvenverlauf im Diagramm der F i g. 1 deutlich macht Dabei zeigt sich, daß bei Molybdängehalten unter etwa 0,5% die Temperaturwechselbeständigkeit außerordentlich stark abfällt woraus sich die untere Gehaltsgrenze für das Molybdän erklärt Andererseits führen Molybdängehalte über 1% zu keiner weiteren Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit; sie erhöhen nur die Kosten und beeinträchtigen sowohl die Zähigkeit als auch die Schweißbarkeit des Stahls. Der Molybdängehalt ist daher auf 0,5 bis 1,0% begrenzt

Vanadium erhöht ähnlich wie das Molybdän die Temperaturwechselbeständigkeit was insbesondere bei gleichzeitiger Anwesenheit von Molybdän gilt Dies zeigt der Kurvenverlauf im Diagramm der F i g. 2, der deutlich macht, daß Vanadiumgehalte unter 0,02% ohne merkliche Wirkung bleiben, während Vanadiumgehalte über 0,2% keine Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit mehr ergeben, vielmehr die Kosten erhöhen und die Schweißbarkeit beeinträchtigen. Der Vanadiumgehalt ist daher auf 0,02 bis 0,2% begrenzt.

Aluminium ergibt ein feinerkörniges Gefüge und verbessert daher die Zähigkeit des Stahls merklich. Aluminiumgehalte über 0,05% führen aber zu Einschlüssen und anderen Fehlern wie Streifen. Der Stahl darf daher höchstens 0,05% Aluminium enthalten.

Bor verbessert bei einem Gehalt von mindestens 0,0005% den Zusammenhalt des Gefüges und die Temperaturwechselbeständigkeit, wobei Borgehalte über 0,006% keine weitere Verbesserung zeitigen. Beim Abkühlen scheiden sich Niob und Tantal als Karbonitride sowie Titan als Nitrid und Karbid ab, wodurch die Dauerfestigkeit bei hohen Temperaturen erhöht wird. Dabei besitzen die Elemente Niob, Tantal und Titan bei einer Zusatzmenge von mindestens 0,01% zusammen mit dem Molybdän eine synergistische Wirkung.

Das weiteren führt auch die gleichzeitige Anwesenheit von Bor einerseits sowie von Niob, Tantal und Titan andererseits zu einer progressiven Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit, weil das Bor die Korngrenzenfestigkeit, das Niob, Tantal und Titan aber die Kornfestigkeit erhöhen. Dies zeigt sich deutlich an dem Stahl 4 der Tabelle I.

Der Stahl 5 gemäß Tabelle I enthält Seltene Erdmetalle, um der durch das Bor bewirkten Verschlechterung der Warmverformbarkeit entgegenzuwirken und im Hinblick auf eine bessere Warmzähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit den Stahl zu raffinieren. Zusätze an Seltenen Erdmetallen unter 0,005% wirken sich auf die Warmzähigkeit und Warmverformbarkeit nicht aus, während ein Zusatz über 0,1% ohne weitere Verbesserung bleibt. Die Gehaltsgrenzen für die Seltenen Erdmetalle liegen daher bei 0,005 bis 0,1 %.

Der Stahl läßt sich im Konverter oder Elektroofen erschmelzen und erfordert kein spezielles Walzen. Je nach der gewünschten Festigkeit kann der Stahl auch in üblicher Weise wärmebehandelt werden; in jedem Falle besitzt der Stahl aber eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständiekeit.

Des weiteren muß die obenerwähnte Bedingung für den Temperaturwechselfaktor erfüllt sein, wie sich aus dem Diagramm der F i g. 4 ergibt. In diesem Diagramm sind auf der Ordinate die Zahl der Temperaturwechsel zwischen 100 und 500⁰C und der Temperaturwechselfaktor auf der Abszisse aufgetragen. Dabei zeigt sich, daß ein Temperaturwechselfaktor unter 36 die herkömmlichen Stähle A und B gemäß Tabelle II schon nach höchstens 1000 Temperaturwechseln einen Bruch erleiden, während die unter die Erfindung fallenden Stähle Dbis F, H, /und Mbis R der Tabelle II mit einem Temperaturwechselfaktor über 36 mindestens 2000 Temperaturwechsel aushalten. Diese Stähle besitzen somit im Vergleich zu den herkömmlichen Stähien mindestens eine doppelte Standzeit.

Nach dem Diagramm der F i g. 4 besitzen zwar auch einige außerhalb der Erfindung liegende Stähle eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit; ihre Schweißbarkeit ist jedoch nicht ausreichend, weil sie der obenerwähnten Bedingung für den Schweißrißfaktor nicht genügen.

Bei der herkömmlichen niedriglegierten Stählen oder solchen mit etwa 0,3% Molybdän liegt im Falle einer 25 mm dicken Platte die Rißbegrenzungstemperatur bei einer vorgespannten Platte mit einer Y-Nut bei etwa 75° C. Dies ist der Grund dafür, daß der Schweißrißfaktor Pcm entsprechend dem Diagramm der F i g. 3 auf höchstens 0,22% begrenzt ist.

Aus der nachfolgenden Tabelle II ergeben sich die chemischen Zusammensetzungen, der Schweißrißfaktor Pcm, die Festigkeitswerte, die Kerbschlagzähigkeit bei 0° C sowie die Anzahl der Temperaturwechsel zwischen 100 und 500° C bis zum Bruch und die Rißbegrenzungstemperatur für mit einer Y-Nut versehenen vorgespannten Proben.

Die Temperaturwechselbeständigkeit wurde an einer beidseitig eingespannten, stromdurchflossenen Probe mit sich ändernder thermischer Spannung bestimmt. Demzufolge entspricht die ermittelte Temperaturwechselbeständigkeit außerordentlich gut dem Dauerbruchverhalten von Heißwindschiebern im Betrieb.

Die Stähle D bis F, H, I und M bis R der Tabelle II fallen unter die Erfindung, während es sich bei den übrigen Stählen um außerhalb der Erfindung liegende

Vergleichsstähle handelt. So repräsentieren die Stähle A und B herkömmliche Werkstoffe für Heißwindschieber. Die Daten der Tabelle II zeigen, daß die Stähle D bis F, H und / bei mindestens gleicher guter Schweißbarkeit und Zähigkeit eine wesentlich bessere Temperaturwechselbeständigkeit als die herkömmlichen Stähle besitzen. So ist der Schweißrißfaktor Pcm der Stähle D bis F, H und / gleich oder geringer als im Falle der herkömmlichen Vergleichsstähle, was einer gleichen oder geringerern Vorwärm- bzw. Rißbegrenzungstemperatur in der Y-Nut bei dem obenerwähnten Versuch entspricht.

Die Stähle A, G und C liegen hinsichtlich ihres Molybdängehaltes außerhalb der Erfindung. So besitzen die Stähle A und C einen zu geringen Molybdängehalt und damit nur halb so gute Temperaturwechselbeständigkeit wie der unter die Erfindung fallende Stahl D. Der Stahl C besitzt dagegen einen zu hohen Molybdängehalt und demzufolge ein überwiegend bainitisches Gefüge mit dementsprechender geringer Zähigkeit. Außerdem ist die Schweißbarkeit dieses Stahls sehr gering, wenngleich seine Temperaturwechselbeständigkeit ebenso gut ist wie die der Stähle mit geringem Molybdängehalt

Die Stähle K und L enthalten zuviel Kohlenstoff und besitzen einen hohen Schweißrißfaktor Pcm, d. h. eine unzureichende Schweißbarkeit, wie sich an einer um 25 bis 50° C höheren Vorwärm- bzw. Rißbegrenzungstemperatur im Vergleich zu den herkömmlichen Stählen A und B zeigt. Der Kohlenstoffgehalt des Stahls F liegt dagegen innerhalb der festgelegten Gehaltsgrenzen.

Die Stähle M und N entsprechen dem Stahl 2 gemäß der Tabelle 1 und besitzen im Vergleich zu dem dem Stahl 1 gemäß Tabelle I entsprechenden Stahl E eine wesentlich bessere Temperaturwechselbeständigkeit. Die Stähle O, P und Q entsprechen dem Stahl 3 der Tabelle I und besitzen angesichts ihrer Gehalt an Niob, Tantal und Titan eine bessere Temperaturwechselbeständigkeit als der Stahl E

Der Stahl R entspricht schließlich dem Stahl 4 der Tabelle I und besitzt angesichts der synergistischen Wirkung von Bor und Titan eine wesentlich bessere Temperatuarwechselbeständigkeit als die Stähle O und

Tabelle I	(D	(2)	(3)	(4)	(5)
	0,05-0,10	0,05-0,10	0,05-0,10	0,05-0,10	0,05-0,10
C %	0,1-0,5	0,1-0,5	0,1-0,5	0,1-0,5	0,1-0,5
Si %	0,2-1,5	0,2-1,5	0,2-1,5	0,2-1 j;	0,2-1,5
Mn%	0,5-1,0	0,5-1,0	0,5-1,0	0,5-1,0	0,5-1,0
Mo%	0,02-0,2	0,02-0,2	0,02-0,2	0,02-0,2	0,02-0,2
V %	<0,05	<0,05	<0,05	<0,05	<0,05
Al %	-	0,0005-0,006	-	0,0005-0,006	0,0005-0,006
B %	-	-	0,01-0,10	0,01-0,10	-
Nb, Ta, Ti %	-	-	-	-	0,005-0,10
Seltene Erdmetalle
Atomnr. 57 bis 71	<0,22	<0,22	<0,22	<0,22	<0,22
/Ό/	Fe	Fe	Fe	Fe	Fe
Rest

Tabelle II

Si Mn

Mo V

ΛΙ B

A	0,15	0,25	0,59	0,014	0,015	0,35	0,10	0,021	0,001	Nb :	0,061	Ta : 0,007
B	0,12	0,27	1,24	0,015	0,015		0,09	0,024	0,005	Ti :	0,032
C	0,08	0,24	0,71	0,15	0,018	0,45	0,09	0,022		Ti :	0,034
D	0,08	0,21	0,72	0,016	0,016	0,53	0,09	0,020		La:	0.021	Ce : 0,022
E	0,09	0,24	0,66	0,014	0,016	0,74	0,09	0,021	0,003
F	0,09	0,22	0,74	0,017	0,014	0,95	0,02	0,023	0,003
G	0,10	0,22	0,90	0,014	0,017	1,07	0,19	0,020
H	0,08	0,25	0,73	0,015	0,016	0,74	0,21	0,022
I	0,08	0,26	0.75	0,013	0,012	0,95	0,10	0,019
J	0,10	0,21	1,20	0,015	0,017	0,75	0,10	0,022
K	0,12	0,25	0,68	0,015	0,018	0,96	0,08	0,031
L	0,17	0,21	0,69	0,016	0,013	0,95	0,08	0,028
M	0,08	0,23	0,71	0,012	0,016	0,74	0,09	0,026
N	0,09	0,27	0,73	0,014	0,015	0,74	0,09	0,025
0	0,08	0,24	0,72	0,016	0,017	0,72	0,09	0,021
P	0,08	0,23	0,74	0,012	0,016	0,73	0,10	0,020
Q	0,08	0,21	0,74	0,014	0,017	0,72
R	0,08	0,24	0,73	0,015	0,017	0,69

Tabelle II (Fortsetzung)

Zugfestigkeit Streckgrenze Dehnung (h bar) (h bar) (%)

Kerbschlagzähigkeit

Temperaturwechsel

(100-500 C)

Vorwärmtemperatur

(C)

A	0,21	48,1	31,1	45,2	112	1300	75
B	0,19	47,1	28,7	56,0	85	440	50
C	0,16	43,1	26,7	53,6	92	2500	25
D	0,17	44,5	28,4	52,9	91	4800	25
E	0,19	48,5	31,0	48,2	87	5300	50
F	0,21	55,7	36,3	43,1	67	8800	75
G	0,23	66,5	41,6	38,9	31	9200	100
H	0,18	47,2	30,7	50,2	105	4500	50
1	0,20	51,9	34,4	46,1	74	9500	75
J	0,24	59,8	40,1	43,2	51	9700	100
K	0,24	60,7	40,5	42,4	37	10500	100
L	0,28	66,7	44,2	38,3	28	10000	125
M	0,19	48,7	31,8	48,2	86	8700	50
N	0,22	50,2	32,6	47,2	83	8900	75
O	0,18	49,6	38,7	45,6	92	9100	50
P	0,18	49,4	37,6	46,7	81	8700	50
Q	0,20	51,6	41,3	49,1	79	10700	75
R	0,20	49,1	31,5	48,0	94	9500	75

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verwendung eines wannfesten und schweißbaren Stahls, bestehend aus 0,05 bis 0,1% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,5% Silizium, 0,2 bis 1,5% Mangan und 0,5 bis 1,0% Molybdän, 0,02 bis 0,2% Vanadium, höchstens 0,05% Aluminium und als Wahlkomponenten jeweils einzeln oder nebeneinander 0,01 bis 0,10% Niob, Tantal, Titan, 0,005 bis 0,1% Seltene Erdmetalle und 0,0005 bis 0,006% Bor, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen, der den Bedingungen