DE3726053A1 - Kugelgraphit-gusseisen aus schrott - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kugel­ graphit-Gußeisen mit einem Kohlenstoffgehalt von 3,0 bis 4,0 Gew.-%, einem Siliciumgehalt von 1,0 bis 4,0 Gew.-%, einem Mangangehalt bis maximal 0,3 Gew.-%, einem Phosphorgehalt bis maximal 0,10 Gew.-% und einem Schwefelgehalt bis maximal 0,010 Gew.-%, wobei zunächst aus Schrott im Kupolofen ein Basiseisen erschmolzen wird und das Basis­ eisen in einem Reaktionsgefäß mit Magnesium behandelt wird.

Im gewöhnlichen grauen Gußeisen ist ein Werkstoff gegeben, der zwar vielseitig verwendbar ist, jedoch einen großen Nachteil hat. Er ist sehr spröde. Seine Festigkeitswerte gehen nicht über 30 kg/mm² hinaus. Seine elastische Dehnung ist praktisch Null. Gewöhnliches graues Gußeisen läßt sich auch nicht schmieden.

Ursache für die geringen Festigkeitswerte und die geringe Elastizität von gewöhnlichem Grauguß sind Graphitlamellen. Im gewöhnlichen Grauguß ist der Graphit in Lamellenform in dem Gefüge eingelagert. Jede einzelne Lamelle bewirkt infolge ihrer langgestreckten Gestalt eine starke Unterbrechung des Gefüges.

Ferner geht von den spitzen Enden der Lamelle eine erhebliche Kerb­ wirkung aus. Auf die Kerbwirkung und die Unterbrechung des Gefüges im ganzen wird die große Sprödigkeit des Graugusses zurückgeführt.

Beim Temperguß fehlt die Kerbwirkung der Lamellen. Diese ist dadurch aufgehoben, daß sich der Graphit infolge der langen Glühung in der Form von Temperkohlenestern anlagert, die von unregelmäßiger Gestalt sind und noch zahlreiche Verästelungen besitzen.

Seit etwa 1950 hat ein sog. Kugelgraphit-Gußeisen Eingang in die Praxis gefunden. Kugelgraphit-Gußeisen enthält, wie sein Name sagt, den Graphit in Form von Kugeln. Von den Kugeln geht keine Kerbwirkung mehr aus. Die Gefügeunterbrechungen durch das Graphit sind minimiert.

Die Bildung des Kugelgraphits, der sog. Sphärolithen, erreicht man durch Legierungszusätze, mit denen das flüssige Eisen vor dem Ver­ gießen behandelt wird. Wesentlicher Legierungsanteil für die Erzeu­ gung von Kugelgraphit ist Magnesium. Das Magnesium ist vorzugsweise an Nickel oder Kupfer gebunden, um den Abbrand des Magnesiums durch die damit verbundene heftige Reaktion beim Einbringen in das flüssige Eisen zu verringern.

Charakteristisch für Kugelgraphitguß mit der DIN-Bezeichnung GGG ist der erforderliche niedrige Schwefel- und Phosphorgehalt sowie ein ge­ ringer Mangangehalt.

Die hauptsächlichen Anwendungsgebiete für Kugelgraphitgut sind Maschinenguß, Lagermetalle, Zahnräder, Nocken, Gesenke, schwingungs­ beanspruchte Teile, Fahrzeugbau, Spannvorrichtungen, elektrische Ge­ räte.

Beim Maschinenguß steht die für die Konstruktion maßgebliche Streck­ grenze des Kugelgraphitgusses in einem besonders günstigen Verhältnis zur Zugfestigkeit. Höher beanspruchte Gußteile, bei denen Grauguß oder Temperguß den Anforderungen nicht mehr genügt, können noch in Kugelgraphitguß ausgeführt werden.

Auch gegenüber Stahlguß kann Kugelgraphitguß Vorteile haben. Das gilt insbesondere für komplizierte Maschinenteile. Dort wird das wesent­ lich bessere Fließvermögen des Kugelgraphitgusses bei gleicher Festigkeit gegenüber dem Stahlguß wirksam.

Als Lagermetall weist Kugelgraphitguß infolge seiner Graphitein­ schlüsse gleich gute Laufeigenschaften wie Grauguß auf, hat jedoch gegenüber Grauguß wesentlich größere Härte- und Verschleißfestig­ keit. Ferner zeigt sich bei Kugelgraphitguß, daß durch Herausfallen von Graphiteinschlüssen bei der Bearbeitung eine Lagerfläche mit feinen runden Poren entsteht, die zur Aufrechterhaltung eines Schmierfilms besonders geeigent ist.

Zahnräder, Nocken und dergleichen Werkstücke lassen sich auch in Kugelgraphitguß herstellen. Dabei ist bemerkenswert, daß diese Teile auch einwandfrei flammen- oder induktionshärtbar sind.

Bei Teilen, von denen hohe Druckfestigkeit verlangt wird, z. B. Gesenke, Biegewerkzeuge und dergleichen, ist Kugelgraphitguß ebenfalls von Vorteil. Hier steht die hohe Warmfestigkeit des Kugelgraphitgusses im Vordergrund.

Schwingungsbeanspruchte Teile: Werstücke, die hohe Festigkeit, aber auch eine gewisse Dämpfung gegenüber Schwingungen aufweisen sollen, können in Kugelgraphitguß statt in Stahl gefertigt werden.

Im Fahrzeubau werden Hebel, Starter, Federträger, Getriebegehäuse und dergleichen Teile in großen Mengen aus Kugelgraphitguß einge­ setzt. Bei Ventilsitzen, Lagern und Kupplungen hat sich Kugel­ graphitguß ebenfalls bewährt.

Ein Anwendungsgebiet für Kugelgraphitguß ist auch der Werkzeug- und Vorrichtungsbau.

Elektrische Geräte: Die besonderen elektrischen und magnetischen Werte machen Kugelgraphitguß für Elektrogeräte geeignet.

Kugelgraphitguß ist härtbar. Es lassen sich leicht Härtegrade von 50 bis 55°RC erreichen. Die Härtung wird üblicherweise mit Öl durchge­ führt, das Wasserabschreckung leicht zu Rissen führt, besonders bei ungünstigen Querschnitten.

Kugelgraphitguß ist auch schweißbar. Das wird hauptsächlich mit Monelmetall oder Eisen-Nickel-Elektroden durchgeführt.

Aufgrund der vorbeschriebenen Einzelheiten hat Kugelgraphitguß sich in der Praxis sehr stark durchgesetzt. Normaler Grauguß und Temperguß sind jedoch bisher nicht verdrängt worden. Das ist auf den hohen Preis von Kugelgraphitguß im Verhältnis zu einfachem Grauguß zurück­ zuführen. Der hohe Gußpreis von Kugelgraphitguß ist besonders dadurch begründet, daß der niedrige Mangan- und Phosphorgehalt von Kugel­ graphitguß teure Spezial-Roheisensorten für die Herstellung des Basiseisens erfordert. Mit den Spezial-Roheisensorten sind besonders reine (manganfreie) Eisenerze gemeint. Als manganfrei werden Eisenerze mit einem Mangangehalt von weniger als 0,2% bezeichnet.

Im übrigen werden verschiedene Roheisenqualitäten in Masselnform für die Erschmelzung von Basiseisen für Kugelgraphitguß angeboten. Von den verschiedenen handelsüblichen Roheisenqualitäten sind einige be­ sonders bekannt, z. B. Sorelmetall und Kugra Z. Sorelmetall wird in verschiedenen Qualitäten angeboten, wobei die Qualitätsunterschiede sich vorzugsweise im Schwefelgehalt ausdrücken, der zwischen 0,02 und 0,008% schwankt.

Die Kosten für die vorbeschriebenen Roheisenqualitäten betragen z. Zt. (1986) ca. 500,- DM/t, wobei mit zunehmender Nachfragen voraussicht­ lich noch Preiserhöhungen zu erwarten sind.

Die Gießereien sind bestrebt, dem hohen Preis für Kugelgraphitguß durch zumindest teilweisen Einsatz von Schrott entgegenzuwirken, Voraussetzung ist, daß der Schrott gleichfalls manganfrei, phosphor­ arm und schwefelarm ist.

Im Schrotthandel gibt es zwei Schrottsorten, die diese Anforderungen erfüllen und in ausreichend großer Menge vorkommen. Das sind Tief­ ziehbleche, insbesondere die Bleche, die als Schrott der Auto­ industrie anfallen, sowie Dynamobleche.

Durch den Einsatz dieses Schrottes in Mischung mit den oben beschrie­ benen Roheisensorten wird ein noch tragfähiger Mischpreis für Kugel­ graphitguß erreicht.

Dieser tragfähige Mischpreis für Kugelgraphitguß ist durch eine Ent­ wicklung der Autoindustrie stark gefährdet. Zunehmend werden in der Autoindustrie verzinkte Bleche verwendet. Damit steigt der Zinkgehalt im Schrott auf über 1%. Der Zink bringt eine Reihe von Problemen mit sich. So kann er Explosionen verursachen, wenn ein Schrottpaket in eine flüssige Schmelze taucht. Dann verdampft der Zink schlagartig. Es besteht die Gefahr, daß die Schmelze hochgeschleudert wird. Zu­ sätzlich besteht in Induktionsöfen die Gefahr einer Penetration der Feuerfestausmauerung. Der Zink verursacht Kurzschluß an der Spule.

Erhebliche Mehrkosten würden auch entstehen, wenn der Zink in einem separaten Ofen verdampft wird. Im Ergebnis ließe sich dem Zink also metallurgisch beikommen. Weitgehend ungelöst ist das Umweltproblem durch verdampfendes Zink und Blei. Auch wenn es gelingt, die gesamten anfallenden Gase zu fangen und einer Gaswäsche zuzuführen, ist die Frage einer hundertprozentigen Gaswäsche und die Frage der Deponie­ fähigkeit des Rückstandes noch ungelöst. Bei üblichen Wirkungsgraden von Gaswäschen läßt sich nicht ausschließen, daß Zink- und Blei­ partikel in die Umgebungsluft oder das Grundwasser gelangen. Das wird bei den allermeisten Gießereistandorten nicht zulässig sein.

Bei zunehmendem Einsatz verzinkter Tiefziehbleche im Kraftfahrzeugbau fällt deshalb der Hauptlieferant für geeigneten, relativ billigen Schrott zur Erzeugung eines Basiseisens für Kugelgraphitguß aus. Ab­ gesehen von der Frage, ob dieser Schrott überhaupt mengenmäßig durch die oben beschriebenen Roheisensorten, wie z. B. Sorelmetall oder Kugra Z, ersetzt werden kann, entsteht ein Preisproblem. Durch den Ausfall geeigneter Billigschrottmengen (tragbarer Mischpreis) muß es zwangsläufig zu einer ganz wesentlichen Anhebung des Preises für Kugelgraphitguß kommen. Die Folge wird eine deutlich geringere Anwen­ dung von Kugelgraphitguß sein.

Es ist aus dem Forschungsbericht des Bundesministeriums für Forschung und Technologie zum Projekt 03E-8609-A, 1985, bekannt.

Durch teilweises Herausfrischen des Mangans aus der Schmelze und Überführung in Manganoxid sowie Abbinden des Schwefels mit Calzium­ karbid zu Calziumsulfat in die Schlacke sollen die Restgehalte von Mangan und Schwefel bei der Erschmelzung von Gußeisen mit Kugel­ graphit vornehmlich der Sorten GGG-40.3 (ferritisches Grundgefüge mit gewährleisteter Kerbschlagzähigkeit) und GGG-40 (vorwiegend ferritisches Grundgefüge) so weit abgesenkt worden, daß auf eine nachträg­ liche ferritisierende Glühung verzichtet werden kann. Mit dieser Schmelzbehandlung wird die Energie des Wärmebehandlungsvorgangs ein­ gespart. Nach den vorgelegten theoretischen Rechnungen sind das 380 bis 420 kWh/t Glühgut.

Als weiterer Vorteil der Erschmelzung von Sphäroguß "im Gußzustand" ist zu nennen, daß der Glühverzug vermieden wird. Die heute zur Bear­ beitung auf numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen geforderten Frei­ maßtoleranzen der Gußstücke werden nur durch die Stabilität der For­ men und die temperaturabhängige Schwindung beeinflußt und bei dem hier vorgestellten Verfahren nicht durch den mehr oder minder unkon­ trollierbaren Glühverzug. Die moderne Zerspanungstechnik verlangt in steigendem Maße größere Wiederholgenauigkeit und damit den Anliefe­ rungszustand "im Gußzustand", d. h. ungeglüht.

Der Förderbericht basiert auf einem 10 kg Versuch in einem Mittel­ frequenz-Tiegelofen. Dabei gelang es, in 4 min. den Mangangehalt einer Eisenschmelze von 0,2% Mn auf 0,003% Mn abzusenken, d. h. um fast 2 Zehnerpotenzen.

Als Prinzip der Manganentfernung durch Oxidation wurde angegeben:

[Mn] + (FeO) → (MnO) + [Fe]

Die daraus abgeleitete Gleichgewichtskonstante ist:

Die Werte K _Mn nehmen mit steigender Temperatur ab, weil die Oxi­ dationsneigung der metallischen Elemente zurückgeht, die Reduktions­ neigung ihrer Oxide wächst. Verschlackungsvorgänge der hier erwünschten Art laufen daher bevorzugt bei nicht zu hohen Temperaturen ab. Andererseits ist die untere Temperaturgrenze mitbestimmend durch die Zusammensetzung des Stahlschrottes, im wesentlichen durch seinen Kohlenstoffgehalt.

Welche Oxidationsverfahren zum Absenken des Mangangehaltes im einzelnen anzuwenden sind, ist jedoch noch ungeklärt. Auf die Notwendigkeit umfangreicher Versuche wurde ausdrücklich hingewiesen. Dabei soll auch das stark temperaturabhängige Verhalten des Ofenfutters verfolgt werden. Als richtiges betriebliches Behandlungsaggregat wurden Herd- oder Trommelofen vorgegeben. Beide Öfen haben jedoch sehr ge­ ringe Mischungsergebnisse, so daß mit diesem Vorschlag ein betrieb­ licher Fehlschlag erwartet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Gedankenansatz aus dem Forschungsbericht in eine technische Lösung zu bringen, die über den bisher erreichten Labormaßstab hinaus in Großgießereien durchführbar ist.

Nach der Erfindung wird das dadurch erreichte, daß das Roheisen in einem dem Kupolofen nachgeordneten Konverter unter Zugabe von Eisen­ oxyd und Kalkschlackenbildnern mit sauerstoffhaltigem Prozeßgas be­ gast wird, bis der Mangangehalt auf 0,02-0,3 Gew.-% und Phosphorge­ halt auf 0,005 und 0,1 Gew.-% abgebrannt sind und anschließend abge­ schlackt wird und dann in einem nachfolgenden Schritt unter Zugabe von Silicium, Aluminium und Kohlenstoffträgern erneut unter Kalkschlacke mit einem sauerstoffhaltigen Gas begast wird, wobei der Schwefel auf 0,001-0,03 Gew.-% reduziert wird. Danach liegt ein für die Erzeugung von Kugelgraphitguß geeignetes Basiseisen vor.

Das Silicium wird mit einem Siliciumträger, vorzugsweise Ferrosilicium, mit mindestens 30% Silicium eingebracht.

Die Erfindung greift den seit langem insbesondere aus der Stahlge­ winnung bekannten Verfahrensschritt der Begasung der Roheisenschmelze mit sauerstoffhaltigem Gas unter Eisenoxyd und Kalkschlacke auf. Dies ist bekannt zur Entphosphorung. Der Stand dieser Verfahrenstechnik ist in Stahl und Eisen 105 (1985) Nr. 21, S. 1091 ff., beschrieben. Darin ist beschrieben, daß die Entphosphorung zugleich mit einer Ent­ silizierung verbunden ist. Dort ist allerdings die Entsilizierung als notwendige Vorstufe für eine wirkungsvolle Entphosphorung beschrieben. Dies gilt für die Metallurgie einer Roheisenvorbehandlung für die anschließende Stahlherstellung. Bei der Nachbehandlung einer Ei­ senschmelze aus dem Kupolofen ergibt sich mit der erfindungsmäßigen Begasung eine Entsilizierung automatisch, da das Silicium deutlich vor dem Phosphor abbrennt.

Bei der Gattierung von Silicium (z. B. 45%ige FeSi-Stücke) im Kupol­ ofen entsteht ein Siliciumabbrand von etwa 30%. Dem wird dadurch Rechnung getragen, daß - hochgerechnet auf den gewünschten Endsi­ liciumgehalt - ein Siliciumzuschlag in die Gattierung gegeben wird. Bei der Roheisenbehandlung im Konverter braucht kein zusätzliches Silicium in die Gattierung gegeben zu werden. Der Ausgangssilicium­ gehalt der Gattierung beträgt etwa 0,6 bis 1,0 Gew.-%, je nach Anteil des Kreislaufes. Der Siliciumabbrand ist dann geringer.

Der im erfindungsgemäßen ersten Begasungsabschnitt auftretende Sili­ ciumabbrand ist mit dem 30%-Abbrand im Kupolofen insofern nicht ver­ gleichbar, weil das Silicium fast vollständig abbrennt. Das ist ein für die Gewinnung von Kugelgraphitguß sehr unerwünschter Effekt, denn übliche Kugelgraphitgußqualitäten besitzen einen Si-Anteil von 1 bis 4% und vorzugsweise 1,8 bis 2,2% vor der Behandlung. Die Erfindung gleicht diesen Mangel durch eine Aufsilizierung mittels Ferrosilicium ohne Abbrand im zweiten Verfahrensabschnitt aus. Der zweite Verfah­ rensabschnitt beinhaltet zwar einen Mehraufwand, der aber durch nor­ malen Schrott als Eingangsrohstoff und besseres Ausbringen an Si überkompensiert wird.

Im Hinblick auf die Entsilizierung hat die Erfindung also einen bekannten Verfahrensschritt aufgegriffen, obwohl damit eine wesentliche Schwierigkeit (vollständiger Siliciumabbrand) überwunden werden mußte.

Im übrigen hat die Erfindung erkannt, daß die an sich bekannte Bega­ sung mit Sauerstoff nicht nur eine wünschenswerte Entphosphorung be­ wirkt, sondern auch den Magananteil auf den für Kugelgraphitguß gewünschten Betrag senken kann, Bei der erläuterten bekannte Roheisen­ vorbehandlung ist zwar auch auf S. 1091, rechte Spalte, 2. Absatz, und im Bild Nr. 1 auf eine Reduzierung des Mangangehalts hingewiesen, jedoch ist der Manganabbrand nur ein Übergangsstadium. Bei der bekannten Stahlherstellung wird das Manganoxid während des Entkoh­ lungsprozesses wieder vom Eisen reduziert. Der Grund für die Mangan­ reduktion ist eine durch ansteigende Temperatur entstehende Sauer­ stoffaktivitätsverschiebung. Auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Schmelze aufgeheizt, aber durch vorheriges Abschlacken wird die Reduzierung des Manganoxids verhindert. Diesem erfindungsgemäßen Schritt ging die Erkenntnis voraus, daß das MnO bei der Begasung mit Sauerstoff in die Schlacke übergeht.

Im Ergebnis können für die Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens eine vorhandene Kupolofenanlage (bestehend aus Kupolofen, Induktionsofen oder Tiegelofen, Reaktionsgefäßen für die Magnesium­ behandlung) verwendet werden, indem dem Kupolofen ein Konverter nach­ geschaltet wird. Neben dem Konverter, dem damit verbundenen Investi­ tions- und Arbeitsaufwand, ist ein Aufwand für Prozeßgas und ein Auf­ wand zum zweifachen Abschlacken zu berücksichtigen. Der gesamte Auf­ wand wird jedoch mehr als aufgewogen durch besseres Ausbringen und durch die Möglichkeit, normalen, handelsüblichen Schrott in den Kupolofen einsetzen zu können.

Die erfindungsgemäße Begasung erfolgt im Temperaturbereich der Schmelze unter 1400°C. Diese Temperatur wird durch die Kühlung der Schmelze mit Inertgas und festen Schlackenzusätzen (Fe₂O₃+CaO) gesteuert. Bei Prozeßtemperaturen unter 1400°C sind die erfindungs­ gemäß angestrebten thermodynamischen Bedingungen gewährleistet. Dabei hat das Prozeßgas nicht allein die Aufgabe, Mangan und Phosphor abzu­ brennen, sondern auch eine starke Badbewegung zu verursachen. Die Badbewegung ist dem erfindungsgemäßen Ziel sehr förderlich. Zur Er­ zielung einer besonders hohen Badbewegung ist dem Prozeßgas zusätz­ lich zum Sauerstoff noch ein Inertgas, vorzugsweise Stickstoff und/oder Argon und/oder CO₂ und/oder CO und/oder Kupolofengas, und/oder Erdgas in beliebigen Verhältnissen, beigemischt. Das Inert­ gas dient der verstärkten Badbewegung. Der Anteil von Sauerstoff zu Inertgas beträgt dann zwischen 0 : 100% und 100% : 0. Das gilt sowohl für den ersten als auch für den zweiten erfindungsgemäßen Begasungsvor­ gang.

Die Prozeßgasmenge ist je nach Art der Schmelze mit 0,2 bis 3 Nm³ pro Tonne und Minute vorgesehen. Das gilt gleichfalls wieder für beide Begasungsabschnitte. Beide Begasungsabschnitte unterscheiden sich wie folgt:

Während der erste Begasungsabschnitt dem Entsilizieren, der Ent­ phosphorung und dem Manganabbrand gewidmet ist, dient der zweite Be­ gasungsabschnitt der Aufsilizierung, der Entschwefelung und in Ver­ bindung mit der Aluminium- und/oder Siliciumoxidation dem Erwärmen der Schmelze. Gegebenenfalls wird auch im zweiten Begasungsabschnitt eine gewünschte Legierung (mit z. B. Chrom, Nickel, Molybdän usw.) und eine Aufkohlung vorgenommen. Zur Aufkohlung eignet sich z. B. Fein­ koks. Die gleichzeitige Anwesenheit von Kalk und das erfindungsgemäße Einblasen von Prozeßgas macht die Schmelze unempfindlich gegen die in anderen Herstellungsverfahren unerwünschten Nebenbestandteile des Feinkokses. D. h. zum Aufkohlen ist kein Graphit oder dergleichen besonders reiner Kohlenstoff erforderlich, der das Aufkohlen entsprechend verteuern würde.

Nach der Erfindung ist ein weitere Unterschied zwischen den beiden Begasungsabschnitten dadurch gegeben, daß der zweite Begasungsab­ schnitt bei etwa gleichem Prozeßgasvolumen und etwa gleicher Prozeß­ gaszusammensetzung nur die 0,4- bis 0,6-fache Dauer des ersten Begasungsabschnittes aufweist. Infolgedessen ist der zweite Begasungs­ abschnitt im Hinblick auf die Durchmischung erheblich intensiver.

Das beim zweiten Begasungsabschnitt eingebrachte Aluminium und/oder Silicium bewirken eine Erwärmung der Schmelze, die notwendig geworden ist, nachdem die Badtemperatur durch die erfindungsgemäße erste Begasung stark abgefallen ist. Als ausreichend wird in der Regel eine Erwärmung auf 1450°C angesehen, um einer Abkühlung der Schmelze in Zwischengefäßen und Umfüllen in die Zwischengefäße bzw. beim an­ schließenden Gießen Rechnung zu tragen. Nach der Erfindung ist bei der Oxidation von:

• 1 kg Si pro Tonne Metall eine Erwärmung um 36,7°C
• 1 kg Al/t eine Erwärmung der Schmelze um 38,2°C

vorgesehen. Bei einer Endtemperatur von 1350°C nach der ersten Begasung wären demnach etwa 2,5 kg Aluminium oder Si pro Tonne Schmelze für eine Erhöhung auf 1450°C erforderlich. Aus dem eingebrachten Alu­ minium entsteht Al₂O₃, aus dem Si entsteht SiO₂, die in die Schlacke übergehen. Durch Kalkzugabe wird mit dieser Schlacke eine Entschwefelung der Schmelze durchgeführt. Nach der Erfindung stehen Aluminium und/oder Si und Kalk in einem Verhältnis von 1 : 2 bis 1 : 10, vorzugsweise in einem Verhältnis von 1 : 4.

Die im zweiten Begasungsabschnitt anfallende Schlacke kann aufgrund ihrer Basizität sowohl für den ersten Begasungsschritt verwendet als auch anderen Zwecken, z. B. in der Zementherstellung, zugeführt werden. Je nach Schmelzführung hat die Schlacke nach dem zweiten Bega­ sungsschritt eine Zusammensetzung von z. B. 50% CaO, 40% Al₂O₃ und 10% SiO₂. Das Ferrosilicium wird je nach gewünschtem Aufsili­ zierungsgrad in einer Menge von z. B. 35 kg FeSi 75 pro Tonne Schmelze zugegeben.

Die nach dem zweiten Begasungsabschnitt anfallende Schlackenmenge beträgt etwa 35 kg pro Tonne Schmelze, die Schlackenmenge aus dem ersten Begasungsschritt 60 bis 70 kg pro Tonne. Die Schlacke aus dem ersten Begasungsschritt ist für die Umwelt unbedenklich. Sie kann beispielsweise im Straßenbau verwendet werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darge­ stellt. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anlage für die Herstel­ lung von Kugelgraphitguß.

Fig. 2 die Verfahrensabschnitte in schematischer Darstellung

In Fig. 1 ist mit 1 ein Kupolofen bezeichnet. Der Kupolofen 1 besteht aus dem Ofenkopf, dem Schacht und dem Herd. Der Ofenkopf be­ steht aus dem Einwurfschacht und der ringförmigen Kammer zur Absau­ gung der Gichtgase unterhalb der Gicht. Die Einwurföffnung wird durch einen schwenkbaren Ofendeckel während der Zeit des Niederschmelzens geschlossen, damit in dieser Betriebsphase keine Falschluft durch den Ofenkopf angesaugt wird. Der Einwurfschacht und die Absaugkammer sind mit Wasser gekühlt, um den Ofenkopf vor der Strahlung der beim Nieder­ schmelzen heißen Gichtgase zu schützen.

Der obere Ofenschacht ist mit Schamottesteinen oder mit feuerfestem Beton ausgekleidet. Der untere Ofenschacht ist im Bereich der Schmelzzone mit der sauren Kupolofen-Spritzmasse ausgerüstet. Der Ofenmantel wird von außen durch Wasser gekühlt. Das Mantelwasser wird durch zwei Ringleitungen über eine Vielzahl von Spritzringen auf den Ofenmantel verteilt. Das Mantelwasser wird in einer Wassertasse auf­ gefangen, die ringförmig um den Ofenherd angeordnet ist. In den unteren Ofenschacht ragen die wassergekühlten Kupferdüsen, durch die der heiße Wind gleichmäßig in die Schmelzzone verteilt wird. Die Düsen können in radialer Richtung verstellt werden, um die optimale Wind­ führung zu erreichen.

Der Ofenherd ist mit einer SiC-haltigen Tonerde-Stampfmasse zuge­ stellt. Eisen und Schlacke laufen aus dem Herd über getrennte Ab­ stichlöcher aus. Der Eisensiphon ist so ausgebildet, daß bei einer Verstopfung des Schlackenstichloches das Trennen von Eisen und Schlacke im Eisensiphon erfolgt.

Die Ofenhöhe ist so ausgelegt, daß im Ofenschacht zwischen Oberkante Koksbett und Gasabsaugung ca. 10 Chargen etwa entsprechend einer Eisenerzeugung von 35 t aufgenommen werden können, um eine optimale Abwärmeausnutzung zu erreichen.

Vorzugsweise ist der Kugelofen 1 zugleich als Shuttle-Ofen ausgebildet. Der Shuttle-Kupolofen ist eine Kupolofen-Schmelzanlage mit zwei auswechselbaren Unteröfen und einem ortsfesten Ofenkopf. Zu dem fahr­ baren Unterofen gehören jeweils der Ofenhert, die Winddüse, der Windring und der Ofenschacht. Zu dem ortsfesten Ofenkopf gehört die ringförmige Kammer zur Absaugung der Gichtgase und der Einwurf­ schacht. Es gibt nur eine Rohrleitung für das Gichtgas und nur eine Beschickungstelle.

Der fahrbare Teil enthält alle Ofenzonen, in denen feuerfeste Stoffe eingesetzt sind. Dazu gehören die Siphone mit den SiC-Massen, der Ofenherd mit den Coder SiC-Massen, die Schmelzzone mit der Schamotte­ masse und der Ofenschacht mit dem feuerfesten Beton oder speziellen FF-Steinen.

Der feststehende Ofenkopf ist doppelwandig und wassergekühlt ausge­ führt. Er enthält keine feuerfesten Stoffe. Der Ofenkopf kann durch Hydraulikzyliner wenige Zentimeter angehoben werden.

Am Ende der Ofenreise wird der Ofenkopf angehoben. Der gebrauchte untere Ofen wird in die seitliche Parkstellung gefahren. Der neu zu­ gestellte untere Ofen wird in die Schmelzstellung gefahren. Die Wind­ leitung und die Wasserleitung werden an den neuen unteren Ofen ange­ schlossen, und der Betrieb wird fortgesetzt.

Das Fahrwerk liegt unterhalb des unteren Ofens und ist Teil der Ofen­ bühne. Das Fahrwerk wird über Kettenzüge motorisch verfahren. Der Ofenwechsel geschieht dann, wenn der Koks aus dem gebrauchten Ofen entfernt ist. Vor dem Wechsel wird der Ofen niedergeschmolzen, und die Schlacke und das flüssige Eisen werden abgestochen. Der Ofen wird so lange nachgeblasen, bis kein Resteisen mehr aus dem Ofen läuft. Der Ofenherd ist dann noch mit glühendem Koks gefüllt.

In den Kupolofen wird z. B. eine Gattierung folgender Zusammensetzung eingesetzt:

Schrott 70%, eigene Kreislaufteile 15% und Maschinenbruch 15%. Der Schrott besitzt einen durchschnittlichen Mangangehalt von 0,5%, einen Schwefelgehalt von 0,04% und einen Phosphorgehalt von 0,04%.

Zur Gattierung gehören noch eine Reihe Zuschlagstoffe, insbesondere Kalk bzw. Kalkstein und/oder Dolomit.

Im übrigen ist der Kokssatz wichtiger Bestandteil der Gattierung. Die Koksasche ist maßgebender Faktor für die Festlegung der Zuschlag­ stoffe.

Durch entsprechende Führung des Kupolofens tritt aus dem Kupolofen ein Eisen mit einem Mangangehalt von ca. 0,4 Gew.-%, einem Phosphorge­ halt von ca. 0,04 Gew.-%, einem Schwefelgehalt von ca. 0,1 Gew.-%, einem Kohlenstoffgehalt von ca. 4 Gew.-% sowie einem Siliciumgehalt von ca. 0,3 Gew.-% aus. Aus dem Kupolofen 1 tritt das flüssige Eisen mit einer Temperatur von ca. 1550°C aus und wird in einen Konverter 2 überführt. Der Konverter 2 ist kipp-beweglich angeordnet und am Boden mit einer Prozeß-Gaszuführung versehen. Die im Betriebsfall aus dem Konverter austretenden Rohgase werden in einer nicht dargestellten, geeigneten Haube aufgefangen und gegebenenfalls einer geeigneten Ab­ gaswäsche oder Entstaubung zugeführt oder in den Kupolofen unmittel­ bar oder mittelbar nach Zumischung weiterer geeigneter Gase oder nach Aufbereitung geführt. Im Konverter 2 wird die Schmelze zehn Minuten lang mit einem Gemisch aus Sauerstoff und Stickstoff begast, wobei das Mischungsverhältnis Sauerstoff : Stickstoff z. B. 7 : 1 beträgt. Während dieser Begasungsphase wird - wie aus Fig. 2 ersichtlich ist - zunächst das Silicium auf einen Wert von ca. 0,05 Gew.-% abge­ brannt, bevor Phosphor auf einen Wert von ca. 0,005 Gew.-% und Mangan auf einen Wert von ca. 0,05 Gew.-% abbrennt. Zugleich brennt Kohlen­ stoff auf ca. 3,8 Gew.-% ab. Durch Zugabe von ca. 40 kg Kalk pro Tonne Schmelze in den Reaktor wird sichergestellt, daß abgebranntes Sili­ cium, Mangan und Phosphor in die Schlacke übergehen. Dabei ist wichtig, daß das Verhältnis von CaO : SiO₂ über 2 ist.

Der Abbrand erfolgt durch den gasförmigen und Oxyd-Sauerstoff, wobei die Sauerstoffbilanz bei diesem Beispiel von ca. 20 kg O₂ pro Tonne Schmelze ausgeht. 10 kg O₂ werden in Form von Prozeßgas zugeführt.

10 kg O₂ werden durch Entnahme von Sauerstoff aus gleichfalls in den Konverter eingesetztem Eisenoxyd frei. Im Ausführungsbeispiel ist eine Menge von z. B. 30 kg Erz pro Tonne Schmelze vorgesehen. Jedes Fe₂O₃ zerfällt in 2×FeO+1/2 O₂. Für den erfindungsgemäßen Abbrand von Silicium, Mangan und Phosphor im ersten Begasungsab­ schnitt sind stöchiometrisch nur ca. 10 kg O₂ pro Tonne Schmelze erforderlich. Das überschüssige O₂ (mindestens 50% des Stöchiome­ trischen) dient dazu, den notwendigen FeO _n -Gehalt in der Schlacke (über ca. 30 Gew.-%) aufrechtzuerhalten. Dieser hohe FeO _n -Anteil ist prozeßbedingt. Mit dem FeO _n sammeln sich auch alle weiteren Oxide in der Schlacke. Die im Konverter 2 entstandene Schmelze wird nach dem ersten Begasungsabschnitt nach Kontrollanalyse und Temperatur­ messung abgeschlackt. Dabei ergeben sich Schlackenmengen von ca. 60 bis 70 kg pro Tonne Schmelze. Zum Abschlacken wird der Konverter 2 ge­ kippt.

Vorteilhafterweise ist trotz des hohen Kalkzuschlags ein Flußmittel nicht erforderlich. Der prozeßbedingte FeO _n -Gehalt der Schlacke reicht in der Regel für die notwendige Fließfähigkeit der Schlacke aus.

Nach dem Abschlacken folgt gemäß Fig. 2 ein weiterer Begasungsab­ schnitt. Diese Begasung hat nur etwa die halbe Dauer bei im Aus­ führungsbeispiel etwa gleicher Prozeßmenge und bei etwa gleicher Pro­ zeßgaszusammensetzung. Vor Beginn des zweiten Begasungsabschnittes werden pro Tonne Schmelze im Ausführungsbeispiel ca. 35 kg Ferrosi­ licium (FeSi 75), Kohlenstoff in Form von z. B. Feinkoks sowie ca. 2,5 kg Heiz-Aluminium auf ca. 20 kg Kalk (CaO) in den Konverter 2 gegeben. Dabei beträgt das Mengenverhältnis von Aluminium : Kalk ca. 1 : 4. Die Aluminiummenge ist so bemessen, daß die zwischenzeitlich auf unter 1350°C gefallene Schmelztemperatur auf etwa 1450°C ansteigt. Zu­ gleich findet die Entschwefelung statt. Mit dem zweiten Begasungsab­ schnitt bildet sich eine Schlacke mit einer Zusammensetzung von etwa 50% CaO, 40% Al₂O₃ und 10%SiO₂.

Diese Schlacke (ca. 35 kg pro Tonne Schmelze) kann etwa zur Hälfte für den ersten Begasungsabschnitt verwendet werden. Die andere Hälfte wird abgeschlackt und einer anderen Verwendung (z. B. in der Zement­ industrie) zugeführt. Der daraus anfallende Erlös liegt in der Regel über den Entsorgungskosten. Ein Zurückhalten der Schlacke im Konverter 2 ist z. B. mit einem schlackenfreien Entleeren möglich. Die Schlacke bleibt danach als Kalkträger im Reaktore.

Die nach dem zweiten Begasungsabschnitt vorhandene Schmelze ist das Basiseisen für den Kugelgraphitguß (Sphäroguß). Das erfindungsgemäß hergestellte Basiseisen zeichnet sich durch extrem niedrige Werte für Mangan, Phosphor und Schwefel aus (z. B.: 0,05 Gew.-% Mn, 0,005 Gew.-% P, 0,001 Gew.-% S). Die sonst in der Gießereipraxis vorkommenden Basiseisen liegen erheblich höher, z. B. Mangan bei ca. 0,25 Gew.-%, mit Phosphor bei ca. 0,08 Gew.-% und mit Schwefel bei ca. 0,005 Gew.-%. Die mit dem erfindungsgemäß hergestellten Basiseisen gegebene Quali­ tät ist deshalb qualitativ besser als die sonst üblichen Basiseisen­ qualitäten für Kugelgraphitguß. Durch eine gezielte reproduzierbare Nachbehandlung mit Prozeßgasen im Konverter können zusätzliche Keime (z. B. Oxide, Nitride) erzeugt und damit in die Schmelze eingebracht werden. Die Weiterverarbeitung des erfindungsgemäß hergestellten Basiseisens läuft in herkömmlicher Weise ab. Nach Fig. 1 kann dem Konverter 2 eine Magnesiumbehandlung nachgeschaltet sein. In Fig. 1 ist z. B. der Georg-Fischer-Konverter mit 3 bezeichnet worden.

Die die erfindungsgemäße Zwischenschaltung des Konverters 2 zwi­ schen dem Kupolofen und der Magnesiumbehandlung wird aufgrund der bereits erreichten hohen Entschwefelung des Basiseisens keine weitere Entschwefelung mit der Magnesiumbehandlung 3 erforderlich. Des­ gleichen entfällt eine sonst häufig, z. B. im Georg-Fischer-Konverter, durchgeführte Aufkohlung oder Legierung. Vorzugsweise findet für Mag­ nesiumbehandlung eine Siphon-Behandlungspfanne 3 Anwendung. Die Siphon-Behandlungspfanne (Teapot) ist vollkommen geschlossen. Sie wird durch den Siphon schnell gefüllt und entleert. Der Deckel ist mit der Pfanne fest verschraubt und mit einem klappbaren Deckelverschluß zum Einfüllen der Mg-Vorlegierung versehen. Die Vorlegierung wird gewogen und manuell mit einem Trichter in die Legierungskammer eingefüllt. Die mechanisierte Zugabe von Vorlegierungen bei größeren Pfannen ist möglich. Das Abdecken der Vorlegierung ist nicht erforderlich. Pfanne, Siphon und Pfannendeckel sind mit 85%iger Tonerde ausgekleidet. Der Pfannenboden ist in Vorlegierungs- und Einlaufkammer aufgeteilt. Die Dammhöhe zwischen den Kammern ist so dimensioniert, daß das ein­ gefüllte Eisen zunächst die Eintrittsöffnung zum Siphon verschließt und dann in die Vorlegierungskammer überläuft.

Die eingefüllte Eisenmenge wird gewogen. Dadurch wird das Überfüllen der Pfanne verhindert. Nach der Behandlung wird das Eisen in Gieß­ pfannen umgefüllt. Dabei erfolgt eine Vermischung des im Siphon unbe­ handelten Eisens.

Schließlich ergibt sich aus dem mit der Erfindung zusätzlich vorge­ sehenen Konverter 2 ein weiterer Vorteil, indem zu den sonst vorhandenen zwei Schmelzvorrichtungen (Kupolofen und Reaktionsgefäß für Mag­ nesiumbehandlung) noch eine Einrichtung tritt, welche der Gießerei eine zusätzliche Produktions-Variante an die Hand gibt. Z. B. kann unter entsprechend verringertem Abbrand im Konverter 2 Temperguß er­ zeugt werden. Im Reaktor 2 kann außerdem jede beliebige Zusammen­ setzung des Metalls von Guß- bis Stahlgußmarken erzeugt werden.

Eine Folge des geringen Schwefelgehaltes des erfindungsgemäß herge­ stellten Kugelgraphitgusses ist der geringe Verbrauch an Magnesium. Im Unterschied zu sonst üblichen Verbräuchen (z. B.: 2000 g Magnesium pro Tonne Schmelze) sind bei der erfindungsgemäßen Herstellung nur noch ca. 250 g Magnesium pro Tonne Schmelze zur Bildung des Kugel­ graphits im Guß erforderlich.

Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung von Kugelgraphit-Gußeisen mit einem Kohlenstoffgehalt von 3,0 bis 4,0 Gew.-%, Siliciumgehalt von 1,0-4,0 Gew.-%, Mangangehalt bis maximal 0,3 Gew.-%, Phosphorgehalt bis 0,10 Gew.-% und Schwefelgehalt bis maximal 0,010 Gew.-%, wobei zunächst aus Schrott im Kupolofen ein Basiseisen erschmolzen wird und das Basis­ eisen in einem Reaktionsgefäß mit Magnesium behandelt wird, wobei normaler, handelsüblicher Schrott in dem Kupolofen zu Roheisen er­ schmolzen wird und das Roheisen in einem nachgeordneten Reaktor unter Zugabe von Eisenoxyd gefrischt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Reaktor ein Konverter (2) ist und das Roheisen unter Zugabe von Eisenoxyd und Kalkschlackenbildnern mit sauerstoffhaltigem Prozeßgas begast wird, bis der Mangangehalt auf 0,02-0,3 Gew.-% und der Phosphorgehalt auf 0,005-0,1 Gew.-% abge­ brannt sind, wonach abgeschlackt wird und nach dem Abschlacken unter Zugabe von Silicium, Aluminium und Kohlenstoff erneut unter Kalkschlacke mit einem sauerstoffhaltigen Gas begast wird, wobei der Schwefel auf 0,001-0,03 Gew.-% reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas im Reaktor aus Sauerstoff und Inertgas be­ steht und/oder als Siliciumträger Ferrosilicium mit mindestens 30% Siliciumanteil verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas im Reaktor Stickstoff und/oder Argon und/oder CO₂ und/oder CO und/oder Kupolofengas, und/oder Preßluft, und/oder Erdgas verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Prozeßgas Sauerstoff zum Inertgas im Verhältnis zwischen 0 : 100% und 100% : 0 steht.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßgasmenge 0,2 bis 3 Nm³ pro Tonne Schmelze und Minute beträgt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Begasungsphase eine Dauer von 8 bis 15 Minuten besitzt und die zweite Begasungsphase die 0,4- bis 0,6-fache Dauer der ersten Begasunsphase gleicher oder größerer Prozeßgasmenge und annähernd gleicher Prozeß-Gaszusammen­ setzung aufweist.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbringung von zu­ sätzlichen Legierungsanteilen in der zweiten Begasungsphase erfolgt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung von Feinkoks und/oder anderen festen Kohlenstoffträgern eine Aufkohlung der Schmelze im zweiten Begasungsabschnitt erfolgt.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Begasungsab­ schnitt die Schmelze durch die Oxidation von Aluminium und/oder Silicium auf eine Temperatur von mindestens 1450°C erwärmt wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Schlacken­ bildung notwendige Kalkmenge in dem zweiten Begasungsabschnitt in einem Mengenverhältnis von 2 : 1 bis 10 : 1 zum Aluminium und/oder Sili­ cium steht.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem zweiten Bagasungs­ abschnitt anfallende Schlacke zumindest teilweise als Kalkträger für den ersten Begasungsabschnitt verwendet wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auch eine zusätzliche Verwendung des Reaktors (2) für die Herstellung von Temperguß, anderen Gußqualitäten und/oder sogar Stahlguß besteht.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise die Zugabe von CaO im ersten Begasungsabschnitt erfolgt, wobei das Verhältnis CaO : SiO₂ (Basizitätsgrad) in der Schlacke größer/gleich 2 ist.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Begasungsab­ schnitt mit einem überstöchiometrischen Sauerstoffüberschuß größer 50% gearbeitet wird.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an den zweiten Begasungsabschnitt durch das Prozeßgas der Schmelze eine steuer­ bar gezielte, reproduzierbare Belastung an Keimbildnern eingegeben werden kann.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in Folge der niedrigen Mn, P, S-Gehalte des Basiseisens, ein geringerer Verbrauch (ca. 0,1-0,2fach des sonst üblichen Wertes) an Magnesium zu Kugelgraphit­ bildung in der Schmelze notwendig wird.