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Verfahren zur Erzielung eines Stahles mit hoher Zähigkeit und geringer
Empfindlichkeit gegen Kaltsprödigkeit, Alterung und Blaubruch Das basische Herdschmelzverfahren
beruht in seiner heutigen Anwendung im wesentlichen darauf, daß durch die oxydierende
Wirkung der Flamme oder von oxydischen Zusätzen die in der Schmelze enthaltenen
unerwünschten Elemente Kohlenstoff, Phosphor, Silicium u. a. oxydiert und entweder
gasförmig entfernt oder in die Schlacke übergeführt werden. Hierbei läßt es sich
nicht vermeiden, daß auch beträchtliche Mengen des Eisens oxydiert werden. Um die
für fast alle Eigenschaften schädlichen Oxydmengen wieder aus dem Bad zu entfernen,
wendet man in einem Zeitpunkt, in dem der gewünschte Kohlenstoffgehalt des Fertigstahls
erreicht ist, den Zusatz von sog. Desoxydationsmitteln, wie Ferromangan, Ferrosilicium,
Aluminium u. a. m., an, die die schädlichen Eisenoxyde in Mangan-, Silicium- und
Aluminiumoxyde überführen und als solche in die Schlacke gelangen lassen.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, flüssiges Eisen im Lichtbogenofen
zu desoxydieren, indem man den Schlacken Kohlenstoff und manganhaltige Stoffe zusetzt,
aus denen sich dann Karbide bildeten. Diese zersetzten sich unter Reduzierung der
in den Schlacken enthaltenen Oxyde und Bildung von Kohlenoxyd zu Metallen. Das hierbei
frei werdende Mangan setzt sich dann mit dem Sauerstoff des Eisenbades um und geht
als Oxyd wieder in die Schlacke, wo es von neuem durch die Karbide reduziert wird.
Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, als noch Karbid in der Schlacke und noch
Sauerstoff im geschmolzenen Eisen vorhanden ist.
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Bei dem den Gegenstand der Erfindung bildenden Verfahren sind besondere
Maßnahmen zur Desoxydation durch Zugabe von Ferromangan oder einem ähnlichen Desoxydationsmittel
nicht erforderlich. Gemäß der Erfindung wird zunächst ein kalkarmer mangan -reicher
Einsatz eingeschmolzen, worauf durch Arbeiten bei hohen und gleichförmigen Temperaturen
und ständiger Zugabe von Kalk eine fortlaufende Reduktion des Mangans aus der Schlacke
erzielt wird.. Infolgedessen findet nach Beendigung des Einschmelzens eine ständige
Erhöhung des Mangangehaltes im Metallbade statt. Die Manganreduktion wird durch
Steigerung der Basizität der Schlacke unterstützt. Am Ende des Frischprozesses wird
abgestochen, unter Vermeidung einer Zugabe von weiteren Stoffen, welche zur Desoxydation,dienen
sollen. Durch diese Arbeitsweise wird also nicht nur eine Vereinfachung und Verbilligung
der Stahlbereitung erreicht, sondern es werden auch die schädlichen Einwirkungen
vermieden, welche, wie dies durch die Untersuchungen von B a r d e n h e u e r bestätigt
worden ist, ein Zusatz von Ferr omangan in der letzten Stufe des Prozesses zur
Folge
hat. Der nach dem den Gegenstand der Erfindung bildenden Verfahren gewonnene Stahl
besitzt hochwertige Eigenschaften.
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Es sind zwar von verschiedenen Seiten Angaben über die Begünstigung
der Manganreduktion durch Anwendung erhöhter Temperaturen gemacht worden. Die über
den Temperatureinfluß herrschenden Ansichten gingen aber noch bis in die letzte
Zeit stark auseinander. Von manchen Bearbeitern sind auch vorübergehende Steigerungen
des Mangangehaltes durch Reduktion der Schlacke beobachtet worden. Diese haben aber
nicht erkannt, daß es möglich ist, auf die sonst übliche Schlußdesoxydation mit
Erfolg zu verzichten, wenn das Mangan laufend aus der Schlacke reduziert wird. Es
finden sich ferner im Schrifttum vereinzelte Vorschläge, ohne den Manganzusatz am
Ende der Stahlherstellung auszukommen. Eine verwertbare Regel läßt sich aus diesen
Vorschlägen aber nicht ableiten, da die Verfasser dieser Arbeiten weder die Beziehung
zwischen laufender Manganreduktion und Vermeidung des Manganzusatzes erkannt, noch
eine Regel zur Gewinnung eines hochwertigen Stahles auf Grund dieser Beziehung offenbart
haben.
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Bei dem neuen Verfahren verwendet man je nach der gewünschten Zusammensetzung
des Endproduktes einen entsprechend höheren Manganeinsatz. Soll z. B. ein Stahl
mit o,801, Mn hergestellt werden, so wird ein Einsatz von ungefähr i,60/, Mn gewählt,
während zur Herstellung eines Stahles mit 1,2 bis i,3 01o Mn ein Einsatz mit ungefähr
2,501o Mn anzuwenden ist. Die kurz nach dem Einschmelzen entnommenen Stahlproben
sind rotbruchfrei, enthalten also praktisch keinen schädlichen Sauerstoff und zeigen
auch bei höherem ' Kohlenstoffgehalt in der Kerbbiegeprobe einen gewissen Biegewinkel.
Nach dem Einlaufen werden parallel zum Temperaturanstieg die zur Erzielung der Basizität
der Schlacke notwendigen Mengen Kalk zugesetzt, und zwar schwanken die Mengen des
Kalkzusatzes je nach der Menge der in der Schlacke zu bindenden Säuren. Unter den
vorliegenden Arbeitsbedingungen bewegt sich der Kalkzusatz zwischen i bis a %, unter'
Umständen auch mehr, des Einsatzes. Auf diese Weise wird ständig eine Schlacke aufrechterhalten,
bei der das Verhältnis sämtlicher Basen zu den Säuren ein hohes ist, d. h. eine
basische Schlacke. Ob die Schlacke die für die ständige Manganreduktion erforderliche
Zusammensetzung hat, läßt sich auch an dem FeO-Gehalt der Schlacke erkennen. Eine
Eisenverbrennung im Bade, die durch das neue Verfahren unbedingt verhindert werden
soll, kann nämlich niemals stattfinden, solange der FeO-Gehalt der Schlacke dauernd
absinkt. Zur Erzielung dieses Vorganges ist eine für den basischen Herdofenprozeß
verhältnismäßig hohe und gleichmäßige Temperatur erforderlich, wie sie z. B. durch
Benutzung von besonderen, an sich bekannten Wärmespeichern erzielt wird, in denen
Gas und Luft weitgehend vorgewärmt werden und die vorhandene Wärme praktisch restlos
wiedergewonnen wird. Bei einer Temperatursteigerung von etwa 50° gegenüber dem üblichen
Verfahren beginnt die Wirkung der Manganreduktion bereits einzutreten. Je höher
und gleichmäßiger die Temperaturen liegen, um so günstiger gestaltet sich das neue
Verfahren.
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Ist der gewünschte Endkohlenstoffgehalt erreicht, so wird die Schmelze
ohne die übliche Desoxydation abgestochen. Gewünschte Legierungszusätze können in
der üblichen Weise entweder im Ofen, während des Abstiches, in der Rinne oder in
der Pfanne zugegeben werden.
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In den beiliegenden Zeichnungen ist die Erfindung an Hand von Kurven,
welche die zeitliche Veränderung der Zusammensetzung der Stahlschmelze und der Schlacke
erkennen lassen., erläutert.
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Abb. r stellt den Verlauf bei den alten Verfahren (durchgehender Oxydationsprozeß)
dar. Die Schmelze läuft mit einem Kohlegehalt von i,o5 % ein, während der Mangangehalt
durch die scharfe Oxydation von etwa 1,51/0 bereits auf 0,3504 gefallen ist.
Während dann der Kohlegehalt durch Frischen möglichst schnell auf o,i 01o gesenkt
wird, steigt der Mangangehalt durch eine nur vorübergehende geringe Reduktion von
o,35 % auf etwa 0,55%, um aber zum Schluß des Schmelzprozesses wieder auf ,,?8%
zu fallen. Nach der Desoxydation mit Ferromangan steigt der Mangangehalt des Bades
auf o,590!0. Der Eisengehalt der Schlacke fällt zunächst, und zwar so lange, als
der Mangangehalt im Bade steigt. Mit dem Fallen der Mangankurve im Bade steigt der
Eisengehalt der Schlacke erheblich an und-bleibt bis zum Abstich auf dieser Höhe.
Der auf diese Weise hergestellte Stahl ist nicht alterungsbeständig, sondern besitzt
nur Güteziffern gewöhnlicher Handelsqualität.
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Die Abb.2 und 3 enthalten Beispiele für das Arbeiten nach dem den
Gegenstand der Erfindung bildenden Verfahren. Die hier untersuchten-Schmelzen sind
mit A und B bezeichnet. In der Zahlentafel ist die chemische Zusammensetzung
der Stahl- und Schlackenproben der Schmelze B nach Abb. 3 wiedergegeben.
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Der Einsatz bestand in beiden Fällen zu etwa 25 01o aus Stahleisen
mit 4 bis 5 O f, Mangan, zu 3o % aus weichem Kernschrott, während
der
Rest aus Blechabfällen gebildet war. Der Verlauf der wichtigsten Bestandteile, wie
Kohlenstoff, Mangan im Stahl sowie Kall-. und Eisenoxyd in der Schlacke, ist ebenfalls
in Abb. 2 und 3 schaubildlich wiedergegeben.
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Schmelze A lief mit einem Kohlenstoffgehalt von 1,i50/0 ein. Nach
dem Einlaufen wurden zunächst 5oo kg Erz zugegeben, wodurch der Kohlenstoffgehalt
auf ungefähr o,60/0 fällt. Der Mangangehalt fällt gleichzeitig von 0m 45'/, auf
ungefähr o,38 °; o. Mit steigender Temperatur unter Zugabe von Kalk in kurzen Abständen
setzt dann eine Reduktion von Mn0 aus der Schlacke ein. Entsprechend der Abnahme
des Mn0-Gehaltes in der Schlacke steigt der Mangangehalt des Stahles auf I,03%.
Parallel zu der Man_ ganreduktion vermindert sich auch der he()-Gehalt der Schlacke,
der bis zum Abstich auf etwa 8% sinkt. Die Stahlproben «-aren bereits nach dem Einlauf
vollkommen rotbruchfrei und ließen sich von Pröbe S ab bei der Kerbbiegeprobe vollständig
zusammenschlagen.
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Schmelze B (s. Abb. 3 und Zahlentafel) lief etwas härter als Schmelze
A ein. Nach der ersten Probe wurden 5oo kg Kalk zugesetzt; infolgedessen stieg der
CaO-Gehalt schnell auf 30 0,10. Nach Probe 5 bis 9 wurden nochmals je ioo
kg Kalk gegeben und so der CaO-Gehalt bei gleichzeitiger Temperatursteigerung bis
auf rund 40 0/0 erhöht. Von Probe 2 ab setzt die Reduktion des Mangans aus der Schlacke
ein. Der MnO-Gellalt der Schlacke sinkt auf 2311, Der Fe 0-Gehalt war bereits
nach dem Einlauf sehr niedrig und sang: während des Schmelzverlaufs gleichmäßig
bis auf 8% beim Abstich. Alle während des Schmelzverlaufs durchgeführten Rotbruch-
und Kerbbiegeproben waren einwandfrei.
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Zweckmäßig beträgt der Fe0-Gehalt der Schlacke vor dem Abstich höchstens
io%. Irgendeine Beschränkung hinsichtlich des Kohlenstoffgehaltes im Endprodukt
besteht, wie die eingereichten Unterlagen zeigen, keinesfalls. Mit der gleichen
Güte und Sicherheit läßt sich das Verfahren zur Erzeugung weichen, mittelharten
und harten Stahles verwenden.
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Es hat sich nun gezeigt, daß die auf diese Weise hergestellten Stähle,
gleichgültig, ob es sich um unlegierte oder legierte Stähle, um härtere oder weichere
Stähle handelt, gegenüber auf normale Weise hergestellten Stählen wesentliche Vorteile
besitzen. Sie zeichnen sich durch das Fehlen größerer Mengen von Einschlüssen aus.
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Die technologischen Eigenschaften der nach diesem Verfahren erzeugten
Stähle werden im wesentlichen gekennzeichnet durch eine im Vergleich zur Zugfestigkeit,
hohe Streckgrenze, Dehnung, Einschnürung und Kerbzähigkeit. Gleichzeitig sind diese
Stähle gegen Alterungsbeanspruchungen, - Bearbeitung in der. Blauwärme und ähnliche
Schädigungen wenig empfindlich.
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In Abb. q. sind die Mittelwerte von zahlreichen Festigkeitsversuchen
an nach diesem Verfahren hergestellten Schmelzen wiedergegeben. Abb. 5 enthält die
Festigkeitseigenschaften gewöhnlicher Siemens-Martin-Stähle. Wie Abb. ¢ erkennen
läßt, liegen die Werte für die Dehnung und die Kerbzähigkeit besonders bei den mittelharten
Stählen über denen gewöhnlicher Kohlenstoffstähle. Für die Dehnung beträgt die Überlegenheit
etwa 5 Einheiten, während' die Kerbzähigkeit etwa ioo0/0 höher ist. Alle Stähle
wurden im normalisierten-Zustande geprüft.
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Die theoretische Deutung der an sich recht verwickelten Vorgänge,
die sich bei dem neuen Verfahren abspielen, steht noch nicht fest. Aller Wahrscheinlichkeit
nach beruht die Wirksamkeit des Verfahrens darauf, daß die Oxydation der unerwünschten
Bestandteile des Einsatzes zunächst nur so weit getrieben wird, daß eine Oxydation
des Eisens praktisch ausgeschlossen ist. Dies ist daran zu- erkennen, daß die sofort
nach dein Einschmelzen entnommenen Stahlproben rotbruchfrei sind.
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Während bei den bisher bekannten Verfahren nicht nur der Oxydationsprozeß
weitergeführt wird, bis der Kohlenstoff auf das gewünschte Maß gesunken ist, sondern
auch eine teilweise Oxydation des Eisens unvermeidbar war, wird die übliche Arbeitsweise
gemäß der Erfindung planmäßig so geändert, daß zwar der noch vorhandene Kohlenstoff
auch weiter oxydiert und entfernt, aber eine Oxydation der übrigen Metalle, insbesondere
des Eisens, vermieden wird.
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Es hat sich gezeigt, daß eine Trennung der Oxydation des Kohlenstoffs
von der Oxydation des Metalls dann erreicht wird, wenn während des ersten oxydierenden
Teils des Chargenverlaufs hinreichende Mengen Mn in die Schlacke gelangen und dann
durch Steigerung der Temperatur über das frühere Maß hinaus die Schlacke so. geführt
wird, daß während des nun folgenden Teils laufend Mn aus der Schlacke in das Bad
reduziert wird: Eine Zugabe von besonderen Desoxydationsmitteln ist bei dem neuen
Verfahren nicht erforderlich.
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Durch den Kalkzusatz wird wahrscheinlich das Gleichgewicht, das sich
zwischen dein MnO-Gelialt der Schlacke und dem Mn-Gehalt des Bades einstellen will,
gestört; der Verlust der Schlacke an basischen Oxyden infolge der Reduktion des
Manganoxyds wird
dann durch ständig zugegebene kleinere oder größere
Mengen Kalk wettgemacht.
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Die nach dem neuen -Verfahren hergestellten Stähle sind praktisch
alterungsarm. Da bekanntlich die Wirkung einer Alterungsbehandlung im wesentlichen
in einer Verschiebung des Steilabfalles auf der Kerbzähigkeitstemperaturkurve zu
höheren Temperaturen hin besteht, so wird die Beurteilung der bei Raumtemperatur
ermittelten Alterungswirkung erleichtert, wenn man die Kerbzähigkeit des Stahles
vor und nach Alterungsbehandlung bei tiefen und höheren Temperaturen prüft. Bei
den vom Erfinder durchgeführten Alterungsv ersuchen wurden Proben in der Abmessung
io X io X 6o min durch einen Stempel um etwa io°/o gestaucht und eine Stunde bei
25o° angelassen, sodann zu Kerbschlagproben verarbeitet und bei Temperaturen zwischen
- 8o° und -f- 2oo° C geprüft. Die Proben hatten die Abmessung io X io X 6o mm mit
5 mm tiefem Rundkerb und 2 mm Durchmesser. In Abb. 6 sind die Ergebnisse von Kerbschlagalterungsversuc'hen
an aus der Mitte eines 2o-mm-Bleches der Schmelze A entnommenen Proben in Abhängigkeit
von der Prüftemperatur wiedergegeben. Abb.7 enthält die unter gleichen Prüfbedingungen
ermittelten Ergebnisse ,an einem normalen Kesselblech gleicher Zugfestigkeit. In
ähnlicher Weise sind in Abb. 8 und 9 die Ergebnisse von Kerbschlagversuchen an einem
geglühten 2o-mm-Blech der Schmelze B und zum Vergleich die eines 22-mm-Rundstabes
aus gewöhnlichem Siemens-Martin-Stahl gleicher Festigkeit wiedergegeben.
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Wie Abb. 6 zeigt, beginnt der Steilabfall vor der Alterungsbehandlung
bei - 20° C. Bei - 5o° C besitzt das Blech noch A mkg/cm2. Durch die Alterungslehandlung
wird der Steilabfall um etwa 30° nach höheren Temperaturen hin verschoben, der Abfall
beginnt bei o° C und wird infolgedessen bei Raumtemperatur noch nichtsichtbar. Die
bei Raumtemperatur ermittelte Kerbzähigkeit wird somit durch die Alterungsbehandlung
lediglich von 11,4 auf io,9 mkg/cm' erniedrigt. Das, Blech ist praktisch
alterungsunempfindlich. Abb. 7 zeigt die Ergebnisse an einem gewöhnlichen Kesselblech.
Im nicht gealterten Zustand beginnt der Abfall bei Raumtemperatur. Durch die Aterungsbehandlung
wird er fast um ioo° C nach höheren Temperaturen verschoben mit dem Ergebnis, daß
das Blech bis -j- 50' C Prüftemperatur sehr spröde ist.
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Die bei Raumtemperatur ermittelte Kerbzähigkeit wird von i i auf etwa
i mkg/cm2 herabgesetzt. Bei Schmelze B (Abb. 8) wird die Kerbzähigkeit bei Raumtemperatur
durch die Alterungsbehandlung von 9 auf 8,2 mkg/cm2, bei gewöhnlichem Kohlenstoffstahl
von 8,5 auf 2,5 mkg/cm2, also ebenfalls wesentlich stärker herabgesetzt. Die nach
diesem Verfahren erzeugten Stähle sind praktisch seigerungsfrei und, sauerstoffarm.
Wie eingehende Versuche erwiesen haben, sind sie außerordentlich widerstandsfähig
gegen die kornvergröbernden Wirkungen des Überhitzens der Rekristallisation und
der Schmelzschweißung. ,