DE614177C - Verfahren zur Erzielung eines Stahles mit hoher Zaehigkeit und geringer Empfindlichkeit gegen Kaltsproedigkeit, Alterung und Blaubruch - Google Patents

Verfahren zur Erzielung eines Stahles mit hoher Zaehigkeit und geringer Empfindlichkeit gegen Kaltsproedigkeit, Alterung und Blaubruch

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DE614177C DEK116634D DEK0116634D DE614177C DE 614177 C DE614177 C DE 614177C DE K116634 D DEK116634 D DE K116634D DE K0116634 D DEK0116634 D DE K0116634D DE 614177 C DE614177 C DE 614177C
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    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21CPROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C5/00Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/04Manufacture of hearth-furnace steel, e.g. Siemens-Martin steel

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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. ,

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: Verfahren zur Erzielung eines Stahles mit hoher Zähigkeit und geringer Empfindlichkeit gegen Kaltsprödigkeit, Alterung und Blaubruch im basischen Siemens-Martin-Ofen, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein kalkarmer, manganreicher Einsatz eingeschmolzen wird, und daß dann durch Anwendung gleichförmiger, höher Temperaturen und Kalkzugabe fortlaufend der MnO- und Fe0-Gehalt der Schlacke verringert und der Mn-Gehalt des Stahlbades fortlaufend gesteigert wird, unter Vermeidung einer Zugabe voll weiteren Stoffen, welche zur Desoxydation dienen sollen.
DEK116634D 1929-09-15 1929-09-15 Verfahren zur Erzielung eines Stahles mit hoher Zaehigkeit und geringer Empfindlichkeit gegen Kaltsproedigkeit, Alterung und Blaubruch Expired DE614177C (de)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE746735C (de) * 1937-05-08 1944-08-23 Krupp Ag Verfahren zur Herstellung von mit Wolfram oder Vanadium einzeln oder gemischt legierten Staehlen im basischen Siemens-Martin-Ofen
DE753758C (de) * 1938-09-16 1952-07-21 Dortmund Hoerder Huettenver A Verfahren zur Beeinflussung des Schmelzverlaufes im Konverter
DE763818C (de) * 1938-03-15 1952-11-17 Mannesmann Ag Staehle fuer Bauteile des Grossstahlbaus, die an starken Querschnitten geschweisst werden
US3702548A (en) * 1970-11-05 1972-11-14 North American Rockwell Pattern mechanism for knitting machines

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