DE2653341C2

DE2653341C2 - Verfahren zum Legieren und/oder Desoxidieren von im Kupolofen erzeugten Gußeisenschmelzen mit lamellarem Graphit sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2653341C2
Application number: DE2653341A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Ing.(Grad.) 8500 Nuernberg Caspers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-11-24
Filing date: 1976-11-24
Publication date: 1986-10-02
Also published as: HU176843B; US4180396A; GB1552734A; FR2372233A1; DE2653341B1; IT1089063B

Description

a) es wird von einer Gußeisenschmelze ausgegangen, die auf hohen Stahlschrottanteilen beruht,

b) der den Kupolofensyphon verlassenden Schmelze werden unmittelbar nach dsm Austritt aus dem Syphon Zusätze in feinkörniger Form als Elektrodengraphit zugegeben, wobei 90% der Zusätze im Kornbereich bis zu maximal 1 mm liegen, und die so behandelte Schmelze in den Vorherd geleitet wird,

c) die Zugabe der Zusätze erfolgt in einer Rinne auf das in dieser strömende, flüssige Gußeisen, welches durch in der Rinne angeordnete Wirbelerzeuger in eine turbulente Strömung versetzt wird, und

d) die Zugabe der Zusätze erfolgt in Mengen von mindestens 0,1 bis maximal 0,6 Gewichtsprozent der Gußeisenschmelze.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dosiereinrichtung (2) für die Zusätze vorgesehen ist, wobei der Austritt der Dosiereinrichtung mit einer über der Oberfläche des flüssigen Eisens endenden Verbindungsleitung (3) verbunden ist, und daß die an den Ofensyphon anschließende Ofenrinne (4) Wirbelerzeuger (12) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiereinrichtung (2) eine mit einem Vorratsbehälter (1) verbundene Förderschnekke (2') aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelerzeuger (12) in der Ofenrinne (4) Absätze, Umlenkkörper od. dgl. sind und daß die Ofenrinne (4) eine Neigung von 5 bis 15° aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, wobei die Ofenrinne zum Einlauf eines Vorherdes führt, gekennzeichnet durch Anordnen des oder der Wirbelerzeuger (12) unmittelbar vor dem Einlauf in den Vorherd (11).

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Legieren und/oder Impfen und/oder Desoxidieren von im Kupolofen erzeugten Gußeisenschmelzen, wobei die zuzusetzenden Stoffe, insbesondere Elektrodengraphit, dem flüssigen Eisen nach dem Austritt aus dem Kupolofensyphon in gesteuerten Mengen auf die Oberfläche des flüssigen Eisens zugegeben werden und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Insbesondere im Motorenbau besteht ein besonderes Interesse an der Gleichmäßigkeit der mechanischen Eigenschaften sowohl innerhalb eines Gußteils als auch von Serie zu Serie. Dabei ist die Zugfestigkeit ein wichtiges Merkmal für die Belastbarkeit von Bauteilen aus Gußeisen. Besonders bei Gußeisen mit Lamellengraphit ergeben sich die endgültigen Eigenschaften bereits im Verlauf der Abkühlung; es ist daher erforderlich, daß die chemische Zusammensetzung der Schmelze und die Erstarrungsbedingungen in engen Grenzen eingehalten werden.

Beim Erzeugen von Schmelzen im Kupolofen hat es sich gezeigt, daß die Streuungen des flüssigen Eisens bezüglich Zusammensetzung, Keimzustand und Gasgehalt um so größer sind, je weiter die chemische Zusammensetzung aller Gattierungsbestandteile von der angestrebten Zusammensetzung des flüssigen Eisens entfernt ist — Gattierungen mit hohem Anteil an Stahlschrott besitzen eine große Heterogenität; das entsprechende flüssige Eisen weist deshalb bezüglich chemischer Zusammensetzung, Gasgehalt, Oxidgehalt und Keimzustand eine geringere Treffsicherheit auf. Gattierungen mit hohem Anteil an Stahlschrott sind jedoch gegenüber Gattierungen mit hohem Roheisenanieil kostengünstiger.

Da im Kupolofensumpf, Vorherd oder in der Gießpfanne keine ausreichende Vergleichmäßigung des Gußeisens erfolgt, sind besondere Einrichtungen, wie z. B. Schüttelpfannen oder induktiv beheizte Rinnenofen verwendet worden, um die unerwünschten Folgeerscheinungen eines ungleichmäßigen, im Kupolofen erschmclzenen Gußeisens mit hohem Schrottanteil in der Gattierung zu vermeiden..

Die erwähnten Folgeerscheinungen eines Gußeisens mit streuender Zusammensetzung, streuendem Gas- und Oxidgehalt u. dgl. sind insbesondere folgende: mangelhafte und stark schwankende Werkstoffeigenschaften innerhalb der Gußteile und von Serie zu Serie; schlechte Bearbeitbarkeit infolge Gefügeunlerschieden; erhöhte Ausschuß- und Nacharbeitskosten; erhöhter Aufwand für die Qualitätsprüfung und Qualitätssteuerung; größerer Verbrauch (pro Tonne flüssigen Eisens) an Impflegierungen und anderen Legierungsstoffen und erhöhter Kreislaufmaterialanteil und geringeres Ausbringen
Es sind Verfahren zur Herstellung von Gußeisen mit kugelförmiger Ausbildung der Graphitteilchen, insbesondere aber die Zugabe von flüchtigen oder explosiven Zuschlagstoffen zu Metallschmelzen aller Art bekannt. Bei einem Verfahren dieser Art werden die Zuschlagstoffe von einer Dosiereinrichtung über ein senkrecht stehendes Rohr, welches im Bereich der Oberfläche der Schmelze endet, auf die im Ofensumpf befindliche Metallschmelze gegeben. Die Zuschlagstoffe werden mittels eines Rührpaddels in die Schmelze eingerührt. Das Paddel besitzt Bohrungen, um für Turbulenz in der Schmelze in seiner näheren Umgebung zu sorgen, damit die Zuschlagstoffe gründlich mit der Schmelze vermischt werden. Anschließend, nachdem sich die Durchmischung vollzogen hat, wird die Schlacke abgezogen und die Metallschmelze über ein Ventil, welches sich im Boden des Ofensumpfes befindet, abgelassen. Für das Abziehen der Schlacke ist ein Überlauf vorgesehen, wobei das Niveau des Flüssigkeitsspiegels über das im Boden des Ofensumpfes befindliche Ventil so geregelt wird, daß gerade noch die Schlacke kontinuierlich über

den Überlauf fließen kann, ohne daß ein wesentlicher Verlust an Metallschmelze eintritt.

Ein Verfahren der genannten Art erlaubt zwar eine dosierte Zugabe der Zuschlagstoffe und deren gründli-

ehe Vermischung mit der Schmelze. Da aber die Zugabe der Zuschläge auf die direkt aus dem Ofen in den Sumpf gelangte Schmelze erfolgt, ist es unvermeidbar, daß ein nicht vorhersehbarer Anteil der Zuschlagstoffe in der -auf der Oberfläche der Schmelze schwimmenden Schlacke verbleibt und mit dieser über <.';en Oberlauf abgezogen wird. Eine genaue Zusammensetzung der jeweils gewünschten Legierung ist aus diesem Grund mit diesem Verfahren nicht zu erzielen. Ein weiterer schwerwiegender Nachteil des genannten Verfahrens ist noch darin zu sehen, daß durch die Rührbewegungen des Paddels ständig Schlacke, die sich an der Oberfläche der Schmelze befindet, in die Schmelze eingerührt wird. Die nach diesem Verfahren gewonnenen Gußteile werden deshalb einen hohen Anteil an Schlackeeinschlüssen aufweisen, was sich sehr nachteilig auf die Festigkeitseigenschaften auswirkt (US-PS 26 77 609).

Aus Gießerei, I960, Seiten 608 bis 614, ist bekannt, Gußeisenschmelzen im Kupolofen njit unterschiedlich hohem Stahlschrottanteil in der Gattierung henzustellen. Es ergibt sich, daß der Einsatz hoher Stdilschrottanteile zur Erreichung hoher Festigkeiten nicht zweckmäßig ist, solange die Reifegrade unbefriedigend sind. Mit Rücksicht auf die gießtechnischen Schwierigkeiten sollte eine Erniedrigung des Kohlenstoffgehaltes, also des Sättigungsgrades, und der Erstarrungsbedingungen erst vorgenommen werden, wenn die metallurgischen Mittel ausgeschöpft sind. Die Beurteilung des Einflusses der Gattierung auf die Güteeigenschaften von Gußeisen mit Lamellengraphit unterliegt einer erheblichen Unsicherheil.

Auch ist es aus Gießerei, 1965, Seiten 461 bis 470, bekannt, daß die Eisenaufkohlung nach 1,5 bis 2 Schmelzstunden ein ausgeprägtes Minimum durchläuft. Hierfür dürften insbesondere die Temperaturverhältnisse und die Ofenatmosphäre und damit zusammenhängende, metallurgische Größen verantwortlich sein. Die Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung wirken sich dabei in einer großen Streuung der mechanischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, Binellhärte und Ε-Modul sowie der technologischen Parameter aus.

Dabei wird eine Erhöhung der Treffsicherheit durch Änderung der Hersteilungsbedingungen angestrebt. Wegen der gießtechnischen Vorteile ist ein höherer Kohlenstoffgehalt des Gußeisens erwünscht. Um dies zu erreichen, wird die Gußeisenschmelze mit impfenden Zusätzen behandelt, so daß eine Gütesteuerung der Schmelze innerhalb bestimmter Grenzen noch möglich ist, vorausgesetzt, daß keine zu hohen Anforderungen an das GuSeisen gestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das im Kupolofen unter Verwendung hoher Schrottanteile erschmolzene Gußeisen unter Anwendung einfacher, kostengünstiger Maßnahmen so weiterzubehandeln, daß die Treffsicherheit bezüglich chemischer Zusammensetzung, Unterkühlung, Keimgehalt, Gas- und Ortidgehalt möglichst hoch ist. Außerdem soll die Anpassungsfähigkeit des Rinneneisens ohne Gattierungsänderungen an unterschiedliche Gießprogramme möglichst hoch sein.

Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.

Besonders günstige Bedingungen für den Ausgleich des Kohlenstoffes und/oder Siliciums oder anderer Elemente für die Fremdkeimbildung und Desoxidation und für die Entgasung der Schmelzen im Vorherd ergeben sich, wenn gemäß einem weiteren Verfahrensmerkmal der Erfindung die Zugabe der Zusätze direkt nach dem Ofensyphoriaustritt in das flüssige Eisen erfolgt.

Weitere vorteilhafte Verfahrensmerkmale sind in den Ansprüchen 3 und 5 gekennzeichnet.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Dosiereinrichtung für die Zusätze vorgesehen ist, wobei der Austritt der Dosiereinrichtung mit einer über der Oberfläche des flüssigen Eisens endenden Verbindungsleituiig verbunden ist, und daß die an den Ofensyphon anschließende Ofenrinne Wirbelerzeuger aufweist.

Um eine genaue Zugabe der feinkörnigen Materialien in die vorzugsweise als Fallrohr ausgebildete Verbindungsleitung zu ermöglichen sowie um eine Brückenbildung des Materials im Vorratsbehälter zu verhindern, weist gemäß einem weiteren Vorrichtungsmerkmai der Erfindung die Dosiereinrichtung eine Förderschnecke auf.

Um in der Verbindungsrinne vom Ofensyphon zum Vorherd große Turbulenz und höhere Geschwindigkeit zu erreichen, sind in Weitergestaltung der Erfindung die Wirbelerzeuger in der Ofenrinne entsprechende Absätze, Umlenkkörper od. dgl. und weist die Ofenrinne eine Neigung von 5 bis 15° auf. — Dadurch sind die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Kontinuierlichkeit der Legierung, Impfung und Desoxidation des strömenden Eisens günstiger.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Turbulenzerzeuger unmittelbar vor dem Einlauf in den Vorherd angeordnet. Diese Anordnung ist für die kontinuierliche Legierung mit Zugabemengen von 0,3 bis 0,6 Gewichtsprozent besonders vorteilhaft.

In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung an Hand eines Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Kupolofen und einem Vorherd, letztere im Schnitt,

F i g. 2a ein Detail aus F i g. 1,

Fig.2b ein Detail wie in Fig.2a, jedoch mit Anordnung der Wirbelerzeuger am Ende der Ofenrinne,

F i g. 3 eine Draufsicht auf die Ofenrinne und den Vorherdeinlaul' ohne Dosiereinrichtung und

F i g. 4 eine Tabelle.

Bei der Darstellung gemäß F i g. 1 wird das Zugabematerial, wie z. B. Elektrodengraphit und/oder Ferrolegierungen, in besonders feinkörniger Form aus einem Vorratsbehälter 1 über eine Dosiereinrichtung 2 in Form einer Förderschnecke 2' mit einer hochverschleißfesten, profilierten Stahlwelle und sehr genauer Zugabe und ein Fallrohr 3 in die Ofenrinne 4 an einer Stelle direkt nach dem Syphonaustritt zugeführt. Der Vorratsbehälter 1 und die Dosiereinrichtung 2 werden von der Ofenbühne 5 getragen.

Die Förderschnecke 2' ist über ein Getriebe mit angeflanschtem Motor 6 antreibbar. Die Übersetzung des Getriebes ist veränderbar, wobei eine Veränderung der Drehzahlen von 11 bis 97 U/min möglich ist.

Die Ofenrinne 4 verbindet in der bekannten Weise einen Kupolofen 7 bzw. den Steigkanal 8 des Ofensyphons 9 mit dem Einlauf 10 des Vorherdes 11.

Die Ofenrinne 4 ist mit Wirbel- oder Turbulenzerzeugern 12 in Form von Absätzen od. dgl. versehen. Die Ofenrinne 4 kann eine Neigung von 5 bis 15° aufweisen.

Die wirbelerzeugenden Ansätze sind an der Zugabestelle der Zusätze vorgesehen. Wirbel- oder Turbulenzerzeuger können aber auch noch hinter der Zugabestelle, insbesondere unmittelbar vor dem Einlauf in den Vorherd, vorgesehen sein.

Als feinkörniges Zugabematerial kann insbesondere

staubförmiges Material mit geringem Grobkornanteil, also Material, bei dem 90% im Kornbereich von 0 bis 1 mm liegt, verwendet werden. Bei der Verwendung solchen staubförmigen Zugabematerials sollte das Mündungsstück des Fallrohres 3 nicht weiter als 2,5 cm von der Eisenoberfläche entfernt sein. (Zweckmäßig ist eine Entfernung von 1,5 bis 2,5 cm.) Der Rohrquerschnitt des Fallrohres sollte bei Zugabemengen von 4 bis 40 kg pro Stunde etwa 25 cm² betragen, um eine Fallgeschwindigkeit von ca. 5 bis 7,5 m/sec zu erhalten.

Die Zu- und Abschaltung sowie die Steuerung der Zugabemenge wird von der Schaltwarte aus in Abhängigkeit von der Liquidustemperatur des Gußeisens gesteuert. — Die Zugabemenge kann aber auch vom Gießkeil oder von der (schnell ermittelten) chemischen Zusammensetzung her gesteuert werden.

Es wurde ermittelt, daß der Kohlenstoffgehalt des Rinneneisens nach dem Austritt aus dem Ofensyphon bei einer Gattierung mit 60% Stahlschrott während eines lOminütigen Zeitraums zwischen 2,70% und 3,40% schwankt, bei einem zugehörigen Siliciumgehalt von 1,80% bis 2,10%. — Durch die erfindungsgemäße kontinuierliche Zugabe von sehr feinkörnigem Elektrodengraphit von 70 g/min bis 700 g/min, entsprechend 0,1 bis 0,6 Gewichtsprozent pro Tonne Flüssigeisen wird die Schwankungsbreite des Kohlenstoffes beträchtlich verringert. So beträgt z. B. der Kohlenstoffgehalt am Einlauf in den Vorherd 3,30 bis 3,50% und am Auslauf aus dem Vorherd 3,35 bis 3,55%.

Die kontinuierliche Zugabe von Elektrodengraphit oder Legierungen auf Ferrosiliciumbasis zum flüssigen Eisen in der Ofenrinne bei starker Turbulenz bewirkt selbst bei kleinen Mengen von 0,1 bis 0,15 Gewichtsprozent eine deutliche Verminderung der bei der eutektischen Erstarrung auftretenden Unterkühlung, eine Erhöhung der Zahl der eutektischen Zellen pro cm², starke Verminderung der Weißeinstrahlung am Gießkeil, Steigerung des A—Graphit-Anteils sowie eine laufende Entgasung und Reinigung des Eisens im Vorherd. — Durch die gleichzeitige Beeinflussung des Potentials von Kohlenstoff, Keimbildung, Desoxidation und Entgasung des kontinuierlich in den Vorherd einfließenden Eisens ergeben sich eine wesentliche Verbesserung der Gleichmäßigkeit und eine größere Flexibilität beim Schmelzen im Kupolofen.

Zur Verdeutlichung der erzielten Vorteile dient die F i g. 4. Dabei wurden an Hand von vier Schmelzen aus einem Heißwindkupolofen die angegebenen Kenngrößen zur Beurteilung der kontinuierlichen Legierung, Impfung und Desoxidation bestimmt Dabei weisen die günstigen Kennwerte für die behandelten Schmelzen die erzielbare Gleichmäßigkeit und Anpassungsfähigkeit deutlich aus.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1.Verfahren zum Legieren und/oder Impfen und/ oder Desoxidieren von im Kupolofen erzeugten Gußeisenschmeizen mit lamellarem Graphit, insbesondere für den Motorenbau, wobei die zuzusetzenden Stoffe, insbesondere Elektrodengraphit, dem flüssigen Eisen nach dem Austritt aus dem Kupolofensyphon in gesteuerten Mengen auf die Oberfläche des flüssigen Eisens zugegeben werden, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: