DE3527600C1 - Verfahren zur Impfung einer Kupolofenschmelze sowie Formling zur Verwendung in diesem Verfahren - Google Patents

Description

• Nach der Hauptimpfung können noch Korrekturen des Keimzustandes vorgenommen werden, indem kurz vor dem Gießen noch kleinere Mengen der Impflegierung zugesetzt werden, wobei hierfür vorzugsweise stark keimwirksame Impflegierungen in Frage kommen.
• Diese Nachimpfung kann in der Gießpfanne selbst oder beim Abgießen der Form durchgeführt werden.
• Die Impfung kann jedoch alternativ dazu auch in der Form selbst erfolgen. Hierbei wird die Impflegierung im Bereich des Eingusses innerhalb eines Reaktionsraumes von der vorbeiströmenden Schmelze aufgelöst. Es dienen hierzu entsprechende Formlinge, in denen die Impflegierung durch ein Bindemittel zu Siebkernen verarbeitet ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Form mit feinpulverisierter Impflegierung mit Korngrößen von 0,1 bis 0,4 mm einzustäuben, um Weißerstarrung, insbesondere an der Oberfläche, zu vermeiden.
• Die Menge des Zusatzes an Impflegierung kann gering gehalten werden. Schon Zugabemengen von 0,1% haben eine große, wenn auch je nach der verwendeten Impflegierung unterschiedlich starke Wirkung. Mengen von 0,2% oder gar 0,3% ergeben nur noch geringe Verbesserungen bezüglich der Weißerstarrung. Größere Impfmengen, insbesondere wenn sie über 1% liegen, sind nicht zweckmäßig, da sie keinen weiteren Nutzen bringen, andererseits die Gefahr von Lunkerfehlern vergrößern.
• Die vorstehenden Ausführungen sowie weitere Details ergeben sich aus »Lehrgang: Das Impfen von Gußeisenschmelzen, herausgegeben vom Verein deutscher Gießereifachleute, 1 969«.
• Zur Aufsilicierung und Aufkohlung wird dem Gußeisen schon seit langem Siliciumcarbid in den jeweils dafür erforderlichen Mengen zugesetzt. Das Siliciumcarbid wird hierfür entweder direkt aus einem nach dem Acheson-Prinzip arbeitenden Ofen (Benecke, Metallurgisches Siliciumcarbid im Elektro- und Kupolofen in Gießerei 68, Juni 1981 Heft 12, S. 344-349) oder aus keramischem Scherbenbruch (DE-PS 15 83 262) gewonnen. Im ersteren Fall spricht man von sogenanntem metallurgischem Siliciumcarbid.
• In Kupolöfen wird das Siliciumcarbid von oben über den Kupolofenschacht zusammen mit der Gattierung beschickt. Dabei werden gepreßte Formlinge eingesetzt, die das Siliciumcarbid mit Gehalten zwischen 20% und 80% enthalten, wobei der übrige Anteil schlackenbildende Substanz ist, die im wesentlichen aus Bindemittel und Quarzsand als Füllmittel besteht. Als Bindemittel wird insbesondere Portland-Zement verwendet. Es hat die Aufgabe, das Siliciumcarbid gegen mechanischen Abrieb und vorzeitige Freigabe im Kupolofen zu schützen. Der Formling soll nämlich den Ofenschacht, insbesondere dessen Oxidations- bzw. Schmelzzone, möglichst ohne Abrieb- und Abbrandverluste durchlaufen.
• Erst im Bereich des flüssigen Eisens soll das Bindemittel das Siliciumcarbid freigeben. In der DE-PS 32 00 946 sind Vorschläge bezüglich der Zusammensetzung des schlackenbildenden Materials enthalten, die ein möglichst vollständiges Ausbringen des Siliciumcarbids in der Schmelze gewährleisten.
• Wie Benecke, aaO, zu entnehmen ist, wird dem metallurgischen Siliciumcarbid eine Vorimpfwirkung sowohl im Elektro- als auch im Kupolofen zugeschrieben.
• Versuche haben jedoch gezeigt, daß die Impfwirkung wenn überhaupt - nur gering und vor allem nicht reproduzierbar ist. Der Grund hierfür kann darin bestehen, daß der Impfeffekt offenbar nur indirekt eintritt.
• Siliciumcarbid selbst hat nämlich keine Impfwirkung, sondern erzeugt offenbar durch seine stark desoxidierende Wirkung eine Reduktion eventuell in der Schmelze vorhandener Metalloxide, wodurch ein Siliciumoxid und ein freies Metall entstehen, wobei letzteres in oxidierender Atmosphäre wieder ein Metalloxid in statu nascendi bildet und damit eine Keimbildung verursacht.
• Dieser Wirkungsmechanismus ist also von dem Vorhandensein eventueller Metalloxide abhängig und nicht vom Siliciumcarbid allein. Entsprechend zufällig und nicht reproduzierbar tritt - wenn überhaupt - eine Impfwirkung auf. Deshalb wird nach wie vor die Impfung mit besonderen Impflegierungen im Gießstrahl vorgenommen, weil man nur diese Art der Impfung als zuverlässig und wirksam ansieht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Impfung einer Kupolofenschmelze in reproduzierender Weise zu vereinfachen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Impflegierung in einen Formling, bestehend im wesentlichen aus metallurgischem Siliciumcarbid und einem Bindemittel, wie beispielsweise Portland-Zement, sowie eventuellen Füllmitteln, eingebunden und der Formling durch den Kupolofenschacht in die Kupolofenschmelze niedergebracht wird. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein entsprechend aufgebauter Formling zur Verwendung in diesem Verfahren.
• Der Grundgedanke der Erfindung besteht also darin, die Impflegierung der Schmelze nicht mehr nach Verlassen des Kupolofens, sondern schon in diesen selber zuzugeben, und zwar eingebracht innerhalb der ohnehin für die Aufsilicierung und Aufkohlung notwendigen Formlinge. Es wurde nämlich festgestellt, daß der Formling, insbesondere dessen schlackenbildendes Material, die Impflegierung zuverlässig vor der Direktoxidation und damit der Verschlackung schützt und die Impflegierung erst in der Schmelze durch die Auflösung des Formlings freigibt. Die Impflegierung wird also mit Hilfe eines solchen Formlings praktisch verlustlos der Schmelze zugeführt, ohne daß es hierfür besonderer Einrichtungen bedarf. Dabei wurde überraschend weiterhin beobachtet, daß ein solchermaßen aufgebauter Formling auch das Ausbringen des Legierungsmaterials, insbesondere des Siliciums, verbessert.
• Die Impfwirkung hat sich als voll reproduzierbar erwiesen, und zwar unabhängig von der Art der jeweiligen Impflegierung. Insoweit bestehen keine Beschränkungen. Es können also alle bekannten, oben schon beschriebenen Impflegierungen zur Anwendung kommen.
• Vorzugsweise sollten jedoch Langzeitimpflegierungen verwendet werden, damit die Impfwirkung auch noch beim Vergießen aus der Pfanne vorhanden ist. Je nach Anwendungsfall kann die Impfung in der hier beschriebenen Weise durch eine Nachimpfung in an sich bekannter Weise kombiniert werden.
• Die Impflegierung ist zweckmäßigerweise im Inneren des Formlings konzentriert, um sie möglichst verlustfrei in die Schmelze zu bringen. Dabei kann die Impflegierung in feinstkörniger Form mit Korngrößen bis maximal 1 mm, vorzugsweise bis maximal 0,5 mm vorliegen.
• Es bestehen sogar keine Bedenken, daß zumindest 50% der Impflegierung in Staubform mit Korngrößen unter 0,068 mm vorliegt. Dies hat den Vorteil, daß ein hoher Prozentsatz Impflegierungsabfall, der bei den bisher bekannten Verfahren aus den obengenannten Gründen nicht verwendet werden konnte, verwertet werden kann, was entsprechende Kostenvorteile hat.
• Was den Gehalt der Impflegierung in dem Formling angeht, so bestehen hier gegenüber den vorbekannten Verfahren keine Besonderheiten. Es werden hier dieselben Werte, bezogen auf das Eisen, angestrebt. Bezogen auf den Formling haben sich Gehalte von 2% bis 10% bewährt, wobei die Gehalte sich immer an die für eine zuverlässige Impfwirkung notwendige Zugabemenge, bezogen auf das Eisen, orientieren sollten. Selbstverständlich kommen auch höhere Gehalte in Frage. Sie verbessern jedoch die Impfwirkung nicht mehr wesentlich und sind deshalb unwirtschaftlich.
• Beispiel In einem Kupolofen wurde einer Ausgangsgattierung 1% Silicium über einen Siliciumcarbid-Formling zugeführt, der sich aus 75% Siliciumcarbid einschließlich Zuschlagstoffen, 20% Bindemittel in Form von Zement und 5% Impflegierung (Fe-Si-Zr) zusammensetzte. Dies entsprach einer Impflegierungszugabe von ca. 0,05% zum Eisen.
• Bei einem Silicium-Sättigungsgrad von 0,9 reicht diese Gattierung zur Grauerstarrung ohne Carbidbildung in den Randzonen bis zu mittleren Wanddicken unter IOmm. Das Gefüge zeigte gleichmäßigen A-Graphit und feinstreifigen Perlit Die Weißerstarrung bzw.
• Weißeinstrahlung der Keilprobe lag unter 5 mm, während sie bei Verwendung des gleichen Formlings ohne Impflegierungszusatz meist mehr als 10 mm betrug.

Claims (8)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Impfung einer Kupolofenschmelze mittels einer in diese gegebenen Impflegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Impflegierung in einem Formling, bestehend im wesentlichen aus insbesondere metallurgischem Siliciumcarbid, einem Bindemittel, wie beispielsweise Portland-Zement, sowie eventuellen Füllmitteln, eingebunden und der Formling durch den Kupolofenschacht in die Kupolofenschmelze niedergebracht wird.
2. 2. Formling zur Verwendung im Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formling im wesentlichen metallurgisches Siliciumcarbid, ein Bindemittel, wie beispielsweise Portland-Zement, eventuelles Füllmittel sowie zusätzlich eine Impflegierung enthält.
3. 3. Formling nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impflegierung derart zusammengesetzt ist, daß deren Impfwirkung länger als zehn Minuten anhält.
4. 4. Formling nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impflegierung im Inneren des Formlings eingebunden ist.
5. 5. Formling nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impflegierung in feinstkörniger Form mit Korngrößen bis maximal 1 mm vorliegt.
6. 6. Formling nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße maximal 0,5 mm beträgt.
7. 7. Formling nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest 50% der Impflegierung in Staubform mit Korngrößen unter 0,068 mm vorliegt.
8. 8. Formling nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt der Impflegierung im Formling zwischen 2% und 10% liegt.

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Impfung einer Kupolofenschmelze mittels einer in diese gegebene Impflegierung sowie einen Formling zur Verwendung in diesem Verfahren.

   Bei der eutektischen Erstarrung einer Kupolofenschmelze fällt das Gußeisen nicht immer grau an. Die chemische Zusammensetzng und eine verhältnismäßig große Abkühlungsgeschwindigkeit, wie sie insbesondere bei geringen Wanddicken auftreten, können bewirken, daß das Gefüge im ganzen oder an gefährdeten Stellen teilweise oder vollständig weiß erstarrt (meliertes bzw. ledeburitisches Gefüge). Dies ist inbesondere dann der Fall, wenn die Anzahl der im Roheisen vorhandenen Fremdkeime bei Beginn der eutektischen Kristallisation der Schmelze relativ gering ist. Dies tritt vor allem dann auf, wenn die Gattierung einen hohen Stahlschrottanteil enthält und die Schmelz- bzw. Überhitzungstemperatur sehr hoch ist. Weiß erstarrte Stellen sind normalerweise sehr unerwünscht, weil sie hart und spröde sind und die Bearbeitbarkeit erheblich erschweren.

   Um auch bei hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten, hohem Stahlschrottanteil und/oder ungünstiger Schmelzführung eine Weiß erstarrung zu vermeiden, werden der Schmelze Impfmittel zugegeben, die die Entstehung von Fremdkeimen in der Schmelze begünstigen. Die Wirkung besteht erstens darin, daß die Löslichkeit des Kohlenstoffs im Eisen herabgesetzt wird, so daß er sich bei der Erstarrung bereitwilliger als Graphit ausscheidet. Zweitens gibt das Impfmittel dem Kohlenstoff bei der Graphitbildung Starthilfe dadurch, daß es ihm die zum Kristallisationsbeginn nötigen Fremdteilchen »Kristallisatoren« anbietet. Auf diese Weise kann die Graphitkristallisation gleich beim Erreichen der eutektischen Erstarrungstemperatur beginnen und wird nicht verzögert, so daß eine Unterkühlung der Graphiterstarrung vermieden wird (keimbildende Wirkung).

   Hierdurch wird auch das Gefüge feinkörniger, wodurch die mechanischen Eigenschaften verbessert werden.

   Als Impfmittel werden in den meisten Fällen Impflegierungen, also Metallverbindungen verwendet. Besonders bewährt haben sich Ferrosilicium-Legierungen mit einem Siliciumgehalt von etwa 75% bis 90%. Sie enthalten noch rund 0,5% bis 2%, maximal bis 3,5% Aluminium und etwa 0,5% bis 1% Calzium. In diesen Legierungen setzen die Anteile Silicium und Aluminium die Löslichkeit des Kohlenstoffs im Eisen herab. Außerdem verstärkt das Calzium die Feinkörnigkeit der Graphitausscheidung deutlich, trägt also dazu bei, daß viele Kristallisationszentren gebildet werden. Dies ist insbesondere bei Calzium-Silicium-Legierungen der Fall, die ebenfalls als Impflegierungen verwendet werden und ca.

   60% Silicium und 30% Calzium sowie maximal 1,5% Aluminium enthalten. Diese Impflegierung ist besonders keimwirksam.

   Zur Verbesserung der Impfwirkung werden den vorgenannten Impflegierungen auch weitere Elemente zugesetzt, beispielsweise Zirkonium, Strontium, Barium, Lanthan und Cer. Neben der Verbesserung der Impfwirkung soll durch diese Elemente das Abklingen der Impfwirkung möglichst weit hinausgezögert werden, um beim Gießen aus einer größeren Pfanne in einer Reihe von Gußstücken möglichst gleiche Eigenschaften zu erhalten. Bei Impfmitteln mit einer Abklingzeit von länger als zehn Minuten spricht man dann von Langzeitimpfmitteln.

   Die Zugabe der Impflegierung erfolgt grundsätzlich außerhalb des Schmelzofens. Man war und ist nämlich überzeugt, daß ein Einsetzen mit der Gattierung nur eine geringe oder gar keine Wirkung hat, weil man insbesondere im Kupolofen die Direktoxidation und damit eine Verschlackung der Impflegierung befürchtet. Die Hauptimpfung erfolgt durch laufende Zugabe in das strömende Eisen, insbesondere beim Füllen der Pfanne am Schmelzofen. Dies geschieht häufig durch sogenannte Vibrationsrinnen, kann jedoch auch mit einer Schöpfkelle vorgenommen werden. Bei Elektroschmelzöfen besteht noch die Möglichkeit, die Impflegierung auf das dann sauber abgeschlackte Bad aufzugeben und einzurühren. Die Korngröße der Impflegierung sollte dabei 6 mm nicht über- und 0,2 mm nicht unterschreiten. Letztere Begrenzung hat seinen Grund darin, daß staubförmige Impflegierungen in der Schmelze zusammenbakken und dann vollständig verschlacken. Außerdem oxidiert das meist hochprozentig vorliegende Silicium mit der Folge der sofortigen Verschlackung. Schließlich wird der Staub durch die am Gießstrahl herrschende Thermik abgetrieben.