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Verfahren zum Einführen von Legierungselementen in geschmolzene Metalle,
insbesondere Eisen und Stahl Die Erfindung bezieht sich auf die Metallurgie, und
sie bezweckt, verbesserte metallurgische Verfahren zu schaffen und hierdurch verbesserte
metallurgische Produkte herzustellen. Im besonderen befaßt sich die Erfindung mit
gewissen Verbesserungen an Verfahren zur Einführung von Legierungselementen in geschmolzene
Metalle, wie Eisen und Stahl, und mit der Herstellung exothermer Reaktionsgemische,
die bei der Einführung von Legierungselementen in geschmolzene Metalle Anwendung
finden sollen.
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Unter (lern Ausdruck Legierungselement sollen insbesondere Clrron,
Mangan, Vanadin, Wolfram, Molybdän, Titan und Zirkon verstanden werden, die gewöhnlich
als Legierungszuschläge für Eisen und Stahl benutzt werden. Die genannten Legierungselemente
werden gewöhnlich in Form von Eisenlegierungen in den Handel gebracht, d. h. als
Metallegierungen aus den Legierungselementen und Eisen oder den Legierungselementen,
Eisen und Silicium.
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Nach den bisher üblichen Verfahren werden die Legierungselemente den
geschmolzenen Metallen einverleibt, indem die Eisenlegierungen entweder in festem
oder geschmolzenem Zustand den geschmolzenen Metallen unmittelbar zugesetzt werden.
Es
ist auch schon vorgeschlagen «-orden, Legierungselemente geschmolzenen
Metallen einzuverleiben, indem den geschmolzenen 1letallen exotherme Reaktionsgemische
zugesetzt werden, die die Eisenlegierungen enthalten. Bei der Herstellung und Verwendung
derartiger exothermer Reaktionsgemische nach den bisher üblichen Verfahren ergaben
sich jedoch große Schwierigkeiten daraus, daß die metallischen Legierungselemente
leicht oxydierbar sind und daß starke Oxydationsmittel benutzt «-erden müssen, durch
die die Legierungselemente beim Zünden des Gemisches leicht oxydiert werden, so
daß geringe Ausbeuten an den Legierungselementen erhalten werden.
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Gemäß vorliegender Erfindung werden die Legierungselemente geschmolzenen
Metallen einverleibt, indem in Kontakt mit den geschmolzenen Metallen exotherme
Reaktionsgemische zur Zündung gebracht werden, die die Legierungselemente, Eisen,
Silicium und Natriumnitrat enthalten und in denen das Silicium und das Natriumnitrat
in genau bestimmten Mengen und Verhältnissen vorhanden sind. Die exothermen Reaktionsgemische
gemäß der Erfindung enthalten also ein Legierungselement, Eisen, Silicium und Natriumnitrat.
Das Silicium und das :` atriumnitrat werden in der Hauptsache zu dem Zweck benutzt,
durch Reaktion so viel Wärme zu erzeugen, daß das Legierungselement und ,das Eisen
geschmolzen werden. An Silicium kann zusätzlich zu der Menge, die für die Reaktion
mit dem Natriumnitrat erforderlich ist, ein Überschuß benutzt werden, oder es kann
mit anderen Worten eine etwas geringere Menge an Natriumnitrat, als sie zur Oxydation
des gesamten Siliciums erforderlich ist, benutzt werden. Das Legierungselement kann
in Form einer Eisenlegierung, die frei oder praktisch frei von Silicium ist, verwendet
werden, oder es kann in Form einer Eisenlegierung Anwendung finden, die die gesamte
Menge an Silicium oder einen wesentlichen Teil der Siliciummenge enthält, die für
das Reaktionsgemisch erforderlich ist. Das Silicium, das zusätzlich zu dem der Eisenlegierung
erforderlich ist, kann in Form von Ferrosilicium benutzt werden.
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Ein erfindungsgemäßes exotliermes Reaktionsgemisch kann beispielsweise
die folgenden Stoffe enthalten i. Natriumnitrat und eine oder mehrere der folgenden
Eisenlegierungen: Ferrochromsilicium (FeCrSi), Ferromangansilicium (FeMnSi), Ferrovanadinsilicium
(FeVaSi), Ferrowolframsilicium (FeWSi), Ferromolybdänsilicium(FeMoSi),Ferrotitansilicium
(FeTiSi), Ferrozirkonsilicium (FeZrSi) oder 2. Natriumnitrat, Ferrosilicium und
eine oder mehrere der folgenden Eisenlegierungen: Ferrochromsilicium (FeCrSi), Ferromangansilicium
(FeMnSi), Ferrovanadinsilicium (FeVaSi), Ferrowolframsilicium (FeWSi), Ferromolybdänsilicium
(FeMoSi), Ferrotitansilicium (FeTiSi), Ferrozirkonsilicium (FeZrSi) oder 3. Natriumnitrat,
Ferrosilicium und eine oder mehrere der folgenden Eisenlegierungen: Ferrochrom (FeCr),
Ferromangan (Fe3-Tn), Ferrovanadin (FeVa), Ferrowolfram (FeW), Ferromolybdän (FeMo),
Ferrotitan (FeTi), Ferrozirkon (FeZr) oder 4. Natriumnitrat, eine oder mehrere der
folgenden Eisenlegierungen: Ferrochromsilicium (FeCrSi), Ferromangansilicium (FeNlnSi),
Ferrovanadinsilicium (FeVaSi), Ferrowolframsilicium (FeWSi), Ferromolybdänsilicium
(Fel#[oSi), Ferrotitansilicium (FeTiSi), Ferrozirkonsilicium (FeZrSI) und eine oder
mehrere der folgenden Eisenlegierungen: Ferrochrom (FeCr), Ferromangan (Feltn),
Ferrovanadin (FeVa), Ferro,#volfram (FeW), Ferromolybdän (Felio), Ferrotitan (FeTi),
Ferrozirkon (FeZr) oder 5. Natriumnitrat, Ferrosiliciuni, eine oder mehrere der
folgenden Eisenlegierungen :Ferrocliromsilicium (FeCrSi), Ferromangansilicium (FeMnSi),
Ferrovanadinsilicium (FeVaSi), Ferrowolframsilicium (FeWSi), Ferromolybdänsilicium
(FeMoSi), Ferrotitansilicium (FeTiSi), Ferrozirkonsilicium (FeZrSi) und eine oder
mehrere der folgenden Eisenlegierungen: Ferrochrom (FeCr), Ferromangan (FeMn), Ferrovanadin
(FeVa), Ferrowolfram (FeW), Ferromolybdän(Fe'\lo), Ferrotitaii(FeTi), Ferrozirkon
(FeZr).
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung, daß eine höhere
Ausbeute an den Legierungselementen erhalten werden kann, wenn ein exothermes Reaktionsgemisch
,zur Zündung gebracht wird, das im wesentlichen aus einem oder mehrerenLegierungselementen,
Eisen, Silicium und Natriumnitrat besteht und wenn das Natriumnitrat und das Silicium
in dem Reaktionsgemisch in einem Gewichtsverhältnis von nicht mehr als 2,42 Teilen
Natriumnitrat je i,o Teil Silicium enthalten sind. Die durchgeführtenUntersuchungen
haben ergeben, daß Natriumnitrat und Silicium, wenn sie in einem exothermen Reaktionsgetnisch
in inniger Mischung miteinander vorliegen, beim Ziiiiden des Reaktionsgemisches
wahrscheinlich nach der folgenden Gleichung reagieren, die Natriumnitrat und Silicium
in Gewichtsmengen von etwa 2,42 Teilen Natrium je i,o Teil Silicium erfordert: 4NaN03+5Si=2Na,0+5Si02+4:#T.
Exotlierme Reaktionsgemische, die Natriumnitrat und Silicium in dem vorstehend erwähnten
Verhältnis und in solchen Mengen enthalten, daß die gewünschte Wärmemenge entwickeltwird,
reagieren unter idealenBedingungen hinsichtlich derTeilchengröße, der innigen Diischung
und der Reaktionsverhältnisse beim Zünden in der Weise, daß praktisch das gesamte
Silicium oxydiert wird, aber praktisch keine Oxydation -der metallischen Legierungselemente,
die in der Mischung vorhanden sind, erfolgt.
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Aus praktischen Gründen wird das vorstehend erwähnte Verhältnis zweckmäßig
als etwa 2,5 Gewichtsteile Natriumnitrat je i,o Gewichtsteil Silicium bezeichnet,
und bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Gemische werden die Berechnungen und
Verfahren vereinfacht, indem etwa 2,5 Gewichtsteile Natriumnitrat je i Gewichtsteil
Silicium,
(las beim Zünden des Reaktionsgemisches oxydiert oder
verbrannt werden soll, benutzt werden. Die erfindungsgemäß erzielbaren verbesserten
Ausbeuten gehen aus den folgenden Resultaten hervor, die beim Zünden in Kontakt
mit gleichen Mengen eines gleichen Stahles von drei verschiedenen exothermen Reaktionsgemischen
erhalten wurden, die aus Ferrochromsilicium (Cr 52,o%; Si 6,55%; Rest Fe) und Natrimnnitrat
bestanden, wobei jedes Gemisch so viel Chrom, ,daß legierter Stahl mit 12% Chrom
erhalten werden müßte, und dieselbe Menge Silicium enthielt, aber verschiedene Mengen
Natriuninitrat, so (laß ein Verhältnis von Natriuninitrat zu Silicium von 2.5: i
.o bzw. 3,0: 1,0 und 4,o: i,o erhalten wurde.
| Verhaltnis ° auf enommenes |
| von Nitrat ## Chr.,in " , Chrom- ° 5ilicirirri |
| zu siliciuiii im stahl Ausbeute je r o , Chrom |
| 2,5 : 1,0 11,37 94,7 + 0033 |
| 3,0 : 1.0 10,50 87,0 -@ 0,005 |
| 4,0 : 1,0 7,3() 54,0 -0,003 |
Die erfindungsgemäßen exothermen Reaktionsgemische werden hergestellt, indem auf
i Gewichtsteil Silicium des herzustellenden Gemisches nicht mehr als etwa 2.5 Gewichtsteile
Natriumnitrat benutzt und die Komponenten innig miteinander gemischt «-erden. 1>1e
Komponenten «-erden vorzugsweise in der Forin von Teilchen benutzt, von denen alle
oder ein großer Teil von ihnen, wie beispielsweise etwa go%, durch ein ioo-'#,Iasclien-Sieb
hindurchgehen. Das Mischen kann vorteilhaft durchgeführt werden, indem die Komponenten
in einer Kugelmühle oder anderen geeigneten Zerkleinerungsvorriclitung -zerkleinert
werden. Das Silicium und das Natriumnitrat werden vorzugsweise in solchen Mengen
und in einem solchen Verhältnis finit Bezug auf die anderen Komponenten benutzt,
daß beim 7iitiden des Reaktionsgemisches durch die Reaktion des Natriumnitrats mit
dem Silicium so viel Wirine erzeugt wird, daß die anderen Komponenten geschmolzen
werden.
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Die jeweils zu verwendenden Gewichtsverhältnisse des Natriuniiiitrats
zu Silicium sind in gewissem Ausmaße von den Resultaten abhängig, die erzielt werden
sollen. Reaktionsgemische, die aus Ferrochroinsilicitim finit niedrigem Siliciumgehalt
und Natriuninitrat bestehen und Natriumnitrat und Silicium im Verhältnis von etwa
2,5 : i,o enthalten, ergeben beim Zünden in Kontakt mit geschmolzenem Stahl eine
Siliciumaufnahme im Stahl von etwa 0,03% Silicium je i % in den Stahl eingeführten
Chroms. Eine derartige Silicitimaufnahme bewirkt einen Schutz des Chroms gegen Oxydation
und ist für die Stahlherstellung nicht zu beanstanden. Höhere Siliciumaufnahmen
können erhalten werden, indem geringere Verhältnisse von Natriumnitrat zu Silicium
benutzt Nverden. Die Menge Silicium, die durch (las Natriuninitrat bei Verwendung
irgendeines Reaktionsgemisches oxydiert wird, soll vorzugsweise nicht wesentlich
größer sein, als sie notwendig ist, um unter den Anwendungsbedingungen des Gemisches
die für das Schmelzen der anderen Komponenten erforderliche Wärme zu erzeugen. Im
allgemeinen wird durch die Oxydation von etwa 5 bis io Gewichtsteilen Silicium je
ioo Gewichtsteile der anderen zu schmelzenden Komponenten das gewünschte Schmelzen
erzielt.
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Die erfindungsgemäßen Reaktionsgemische können in Pulverform oder
in Form von festen Agglomeraten benutzt werden. Wenn sie in Form von festen Agglomeraten
benutzt werden, so können diese hergestellt werden, indem die Komponenten durch
Natriumnitrat oder irgendein anderes geeignetes Bindemittel miteinander verbunden
werden.
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Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Reaktionsgemische eignen sich
die in den amerikanischen Patentschriften 2 243 786 und 2 287 073
beschriebenen
Verfahren.
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Um die Legierungselemente den geschmolzenen Metallen einzuverleiben,
können die erfindungsgemäßen Reaktionsgemische mit den geschmolzenen Metallen in
irgendeiner geeigneten Weise in Kontakt gebracht werden. Zu diesem Zweck können
die Gemische den geschmolzenen Metallen, beispielsweise in Gießpfannen oder Ofen,
zugesetzt werden, oder es können die Gemische in die Pfannen gegeben werden, in
die man dann das geschmolzene Metall einlaufen läßt.