DE663146C

DE663146C - Verfahren zum Erzeugen von Titanstahl

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Publication number: DE663146C
Application number: DEM127098D
Authority: DE
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Priority date: 1934-04-08
Filing date: 1934-04-08
Publication date: 1938-07-29

Description

Verfahren zum Erzeugen von Titanstahl Ein Verfahren zur Herstellung eines kohlenstofffreienTitanstahles, welches darin besteht, daß kohlenstoffhaltiges Eisen unter einer basischen Schlackendecke von Kalk und Titaneisenstein gefrischt wird und dem Bade nach Beendigung des Frischens so viel Aluminium zugeführt wird, als zur Reduktion der im Enderzeugnis erforderlichen Menge Titan aus der Schlackendecke notwendig erscheint, ist bereits bekanntgeworden.
Dieses bekannte Verfahren erfordert einen ziemlich hohen Aufwand an Aluminium, weil dessen Wirkung sich neben der beabsichtigten Reduktion von Titansäure nicht nur auf die noch in der Schlacke vorhandenen Eisen- und Manganoxyde, sondern auch auf die Kieselsäure erstreckt. Es wurde nun durch Versuche gefunden, daß eine kieselsäurearme Schlacke, bestehend aus etwa 70 °/o Ti 02 und 3oo/oCa0, bei einer Temperatur von rq.5o bis r5oo° C genügend dünnflüssig ist, um mit ihrer Hilfe ein Stahlschmelzverfahren im Siemens-Martin-Ofen durchzuführen, und daß bei dieser hohen Anreicherung an Titansäure auf die Anwendung des Reduktionsmittels Aluminium ganz verzichtet werden kann, um die zur Bildung von Titanstahl erforderlichen Mengen von Titan in das Stahlbad einzuführen.
Man erhält eine annähernd so zusammengesetzte Schlacke, wenn man ein gewöhnliches Stahlbad im basischen Siemens-Martin-Ofen oder Elektroofen mit einer entsprechenden Mischung von Titaneisenstein und Kalk frischt, sobald zwischen dem Stahlbad und der Schlacke ein Gleichgewichtszustand eingetreten ist.
Der Umstand, daß im Laufe einer derartigen hüttenmännischen Arbeit auch gewisse Anteile von Fe 0 und Si 02 unvermeidlich der Schlacke einverleibt werden, erhöht ihre Dünnflüssigkeit und damit im allgemeinen ihre Gebrauchsfähigkeit.
Es wurde ferner beobachtet, daß in einem Stahlbade die chemische Verwandtschaft von Titan zu Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff und Kohlenstoff größer ist als diejenige der sonstigen Legierungsbestandteile zu den vier genannten Metalloiden, was zur Folge hat, daß beim Zulegieren von Titan zu einem Stahlbade stets zuerst die entsprechenden Titanverbindungen gebildet werden, ehe Titan als Eisentitanid oder als freier Legierungsbestandteil im Stahl auftreten kann. Es folgt aber auch aus diesen Affinitätsverhältnissen, daß nach der Absättigung von Stickstoff, Schwefel und Sauerstoff durch Titan nur noch Titancarbide im Stahl vorhanden sein können, wenn das Verhältnis von Titan zu Kohlenstoff mindestens demjenigen der Formel Ti C entspricht. Bei einem geringeren Titangehalt bleiben neben Titancarbiden noch Eisencarbide im. Stahl bestehen, durch deren gleichzeitige Anwesenheit dann die Eigenschaften des Stahles beeinflußt werden.
Die chemischeVerwandtschaft von Silizium und Phosphor zu Titan in einer Eisenschmelze ist nach den bisherigen Forschungsergebnissen so gering, daß das Bestehen von Verbin-z dangen zwischen diesen Körpern noch nicht hat nachgewiesen werden können.
Dagegen hat die praktische Beobachtung gelehrt, daß bei Anwesenheit von Silizium und in erhöhtem Maße von Aluminium in der Schmelze die Löslichkeit von Titancarbiden im Stahl stark herabgesetzt wird.
Aus diesen Forschungsergebnissen erwächst nun die Möglichkeit, im praktischen Stahlwerksbetriebe eine Reihe von bisher nicht bekannten Stählen herzustellen, in denen Titancarbide an die Stelle der Eisencarbide treten.
Die Eigenschaften der Kohlenstoffstähle und der Titanstähle werden maßgebend beeinflußt durch das verschiedene Verhalten der Eisencarbide und der Titancarbide in Eisenlegierungen. Beide Carbide sind in gewissem Grade, in Abhängigkeit von den sonstigen Legierungsbestandteilen, in Eisen löslich.
Der hervorstechendste Unterschied in ihrem Verhalten besteht in der bei Kohlenstoffstählen bekannten Perlitbildung, die beim Titanstahl nicht auftritt. Jeder langsam abgekühlte Kohlenstoffstahl besteht deshalb mindestens aus zwei chemisch und physikalisch erheblich voneinander verschiedenen Bestandteilen, dem Ferrit und dem Zementit, während der Titanstahl in diesem Sinne ein einheitlicher Stoff ist, der lediglich aus Eisen besteht, welches gewisse Mengen von Titancarbiden in Lösung hält, entsprechend der Lösung des Eisencarbides in Eisen beim gehärteten Kohlenstoffstahl. Die physikalischen Eigenschaften des langsam erkalteten Titanstahles entsprechen deshalb weitgehend denjenigen des gehärteten Kohlenstoffstahles, z. B. die Lage der Elastizitätsgrenze bei 8o bis 9o0/, der Festigkeit. Langsam erkaltender Titanstahl kann durch eine Glühung nicht weich gemacht werden, aber er kann gehärtet werden, wenn sein Gehalt an Titancarbiden größer ist, als der natürlichen Löslichkeit der Titancarbide in Eisen entspricht. Seine Härtetemperatur liegt bei etwa rooo° C, und es ist bemerkenswert, daß ein bei dieser Temperatur in Wasser schroff abgeschreckter Titanstahl beim Zerreißversuch außer einer erheblichen Erhöhung der Festigkeit noch eine Dehnung von etwa r o o Li aufweist.
Als besondere Eigenschaften der Titanstähle können noch hervorgehoben werden: hoher Widerstand gegen Verschleiß und Korrosion, beruhend auf ihrem einheitlichen Gefüge, Unempfindlichkeit gegen Altern und hohe Kerbschlagfestigkeit bei tiefen Temperaturen infolge ihrer Freiheit von in Eisen löslichen Oxyden. Aus dem gleichen Grunde besteht eine bemerkenswerte Steigerungsfreiheit, die unterstützt wird durch Bindung des ganzen Stickstoff- und Schwefelgehaltes in sehr hoch schmelzenden Titanverbindungen und Ausscheiden der etwa überschüssigen Titancarbide in feinster Verteilung in noch flüssigem Metall, so daß sie als frühzeitig auftretende Impfkeime auf die Bildung eines äußerst feinkörnigen Gefüges hinwirken.
Besonders hervorzuheben ist noch die geringe Neigung zur Bildung von Lankern bei Titanstählen aller Art.

Als Titanstähle können vorteilhaft die nachbenannten Handelsstahlsorten hergestellt werden:

°;`"C 0/, Ti Sonderbestandteile

Hartbare Stähle.............. . . . 0,3 und mehr 1,5 und mehr Alle stahlveredelnde

Baustähle ...................... o,1 bis o,2 0,5 bis i Metalle

Korrosionsfeste Stähle . .......... I unter o,i I etwa 0,5 I 0,5 bis i°Jo P

Stähle für Tiefziehbleche ......... unter o, i etwa 0,5 etwa 0,3% Si.

etwa o,10/0 Al

Stähle für Transformatorbleche ... unter o,1 etwa o,5 '

etwa q.0/0 5i und

etwa o,1 bis o,50:'0

Die Zusammensetzung der in der obigen Zahlentafel genannten Sonderstähle ist, mit Ausnahme der als korrisionsfeste Stähle bezeichneten, an sich bekannt. Neu ist aber, daß ihr Kohlenstoff bei dem Verfahren nach der Erfindung im wesentlichen in Form von Titancarbid vorliegt. Bei allen diesen Stählen tritt übereinstimmend die Bindung von Stickstoff, Schwefel und Kohlenstoff an Titan als Güteerhöhung auf.

Bei den hartbaren Stählen ist beachtenswert die Erhöhung der Verschleißfestigkeit und eine die Kohlenstoffstähle weit übertreffendeTemperaturwiderstandsfähigkeit,ehe ein erhebliches Nachlassen der Härte eintritt. Die Festigkeit der Baustähle kann durch Zusatz von Titan bis zu etwa 9o kg (bei etwa 8o kg 1?lastizitätsgrenze) gesteigert werden. Weitere Festigkeitssteigerungen können durch bekannte Legierungsmetalle erreicht werden, ohne daß die Bildung von harten Sondercarbiden eintreten kann, da der Kohlenstoff vollständig an Titan gebunden ist.
Den korrosionsfesten Stählen kann ein Gehalt von 0,5 bis i % Phosphor gegeben werden, ohne daß Kaltbruch eintritt, weil die kornverfeinernde Wirkung der Titancarbide die entgegengesetzte Wirkung der Eisenphosphide übertrifft.
Stähle für Tiefziehbleche können durch Zusatz. von Titan besonders weich gemacht werden, wenn durch einen angemessenen Gehalt von Silizium und Aluminium bewirkt wird, daß die Lösungsfähigkeit des Eisens für Titancarbide entsprechend herabgesetzt wird.
In noch stärkerem Maße wird diese Wirkung bei Transformatorenblechen ausgenützt, indem durch Unlöslichmachen der Carbide die Hysteresis weitgehend herabgedrückt wird. Es bedarf kaum der Hervorhebung, daß sich aus allen diesen Gründen der Titanstahl vorzüglich zur Herstellung großer Schmiedestücke und von hochwertigem Stahlguß eignet. Die Einführung von Titan in Eisenlegierungen ist schon seit langen Jahren versucht worden. Der Erfolg ist aber stets unbefriedigend gewesen, weil sich bei Überdeckung der Eisenbäder mit oxydischen oder an Kieselsäure reichen Schlacken unvermeidlich ein ganz regelloser Abbrand an Titan ergab, der in Grenzen von 5o bis ioo°/o auftrat und, abgesehen von der Wirtschaftlichkeit, die Herstellung von Stählen mit bestimmtem Gehalt an Titan unmöglich machte.
Die Begrenzung des Abbrandes auf ein geringes Maß und damit die geregelte und wirtschaftliche Herstellung von Titanstahl wird aber möglich, wenn man die Eisenbäder mit einer kieselsäurearmen Schlacke überdeckt, die im wesentlichen nur aus Titansäure und Kalk besteht, wie sie in der Einleitung zu dieser Beschreibung erörtert ist. In praktischen Stahlwerksbetrieben gibt es verschiedene Wege, um zu diesem Ziele zu gelangen.
Man kann in einem basischen Martinofen oder Elektroofen die Frischarbeit lediglich unter Verwendung von an Kieselsäure armem Titaneisenstein und Kalk durchführen. Dann wird, besonders wenn der Einsatz einen höheren Mangangehalt besaß und die Erzmenge zum Bad so abgestimmt war, daß mit der Erzielung des gewünschten Gehaltes an Kohlenstoff auch die Eisenoxyde der Schlacke. verbraucht waren, durch die im Ofen herrschende hohe Temperatur schon eine Reduktion der Titansäure aus der Schlacke einsetzen. Diese Wirkung kann durch Aufgabe von Petrolkoks o._ dgl. auf die Schlacke erhöht werden, oder man@kann in dieser Stufe des Verfahrens dein 'lade Ferrotitan zuführen, ohne daß ein Abhi=and zu befürchten wäre.
Man kann aber auch das Frischverfahren in einem Martinofen oder einem Konverter, wie üblich, ganz oder teilweise durchführen, ohne die Desoxydation vorzunehmen, trennt dann durch Abstechen oder Entleeren des Konverters das Bad von der oxvdischen Schlacke und unterwirft es einer Nachbehandlung in einem Elektroofen, in dem eine Schlacke aus Titaneisenstein und Kalk, aus der die Eisenoxyde durch Reduktion entfernt wurden, flüssig gehalten wurde.
Auch in diesem Falle kann entweder durch Reduktion der Titansäure aus der- Schlacke Titan in das Bad übergeführt werden, oder es kann der gewünschte Titangehalt durch Zulegieren von Ferrotitan erzielt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zum Erzeugen von Titanstahl durch Behandlung eines Stahlbades mit einer Titansäure und Kalk enthaltenden Schlacke im Siemens-Martin-Ofen oder Elektrostahlofen, dadurch gekennzeichnet, daß das Bad mit einer kieselsäurearmen, aus etwa 70 % Ti 02 und 30 °/o CaO bestehenden Schlacke überdeckt wird und der Titangehalt des Bades durch Reduktion von Ti O.. aus dieser Schlacke so hoch gewählt wird, daß nach Absättigung von Stickstoff, Schwefel und Sauerstoff des Bades durch Titan der Kohlenstoff entsprechend der FormelTiC gebunden ist. a. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Herstellung härtbarer Stähle ein im wesentlichen in Form von Ti C vorliegender Kohlenstoffgehalt von 0,3'/, und mehr gewählt wird. 3. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Herstellung von Baustählen ein im wesentlichen in Form von Ti C vorliegender Kohlenstoffgehalt von o,i bis o,2 % gewählt wird. 4.. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Herstellung von korrosionsfesten Stählen ein im wesentlichen in Form von Ti C vorliegender.Kohlenstoffgehalt von weniger als o,i°/o gewählt und dem Stahl zugleich ein Phosphorgehalt von 0,5 bis i % gegeben ...wird. 5. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daB zum Zwecke der Herstellung von Stählen für Tiefziehbleche ein im wesentlichen in Form von Ti C yor- liegender Kohlenstoffgehalt von weA als o,i % gewählt und dem Stähl zü ein Siliziumgehalt von etwa 0,3°/o u Aluminiumgehalt von etwa o, i oo ge wird,

6. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daB zum Zwecke der Herstellung von Stählen für Transformatorenbleche ein im wesentlichen in Form von Ti C vorliegender Kohlenstoffgehalt von weniger als o, i % gewählt und dem Stahl zugleich ein Siliziumgehalt von etwa 4% und einAluminiumgehalt von o, i bis o,5 °/o gegeben wird.