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Zusatzkörper für Metallschmelzen Metallschmelzen, wie Eisen- oder
Stahlschmelzen, müssen oft im Herstellungsofen und auch später komplettierenden
Legierungs- oder Raffinierungsbehandlungen unterworfen werden, bevor sie vergossen
werden. Beispiele solcher Behandlungen sind Desaxydation, Entschwefelung, Abnitrieren,
Entphosphorieren, Schlackenreinigung, Entgasung und Auflegieren; ferner kommen auch
andere Behandlungen vor, durch welche der Gehalt der Schmelze an unerwünschten Stoffen
aus dieser entfernt oder in gewissem, jeweils gewünschtem Maße, vermindert wird.
Manche dieser Behandlungen sind ebensolange wie der Herstellungsprozeß des Stahles
oder der Ferrolegierung bekannt, andere sind erst später hinzugekommen, als die
Verwendung unreiner Ausgangsstoffe unerwünschte Verunreinigungen in den Prozeß einführte.
Die moderne Technik erfordert immer mehr hochlegierte Stähle, und diese sind oft
sehr schwierig sowohl warm wie kalt zu bearbeiten. Es hat sich dabei öfters herausgestellt,
daß die Bearbeitbarkeit solcher Stähle, auch schon von sehr geringen Gehalten an
Verunreinigungen, welche bei der Bearbeitung von einfacheren Stählen keine Rolle
spielen, schädlich beeinflußt wird. Um diese Gehalte an Verunreinigungen herunterzudrücken
oder ganz zu entfernen, sind neue Reinigungsverfahren für geschmolzenen Stahl hinzugekommen,
und auch die Zusätze zuun Stahlbad, z. B. Ferrolegierungen, sollten aus, den gletahen
Gründen mit Hilfe gleichartiger Reinigungsverfahren gereinigt werden.
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Bei Desoxydation, Entschwefelung, Entphosphorung, Denitrierung usw.
soll der Gehalt der Schmelze an Sauerstoff, Schwefel, Phosphor, Stickstoff
usw.
vermindert werden, und dies geschieht durch Zusatz solcher Stoffe, welche eine stärkere
Verbindungsneigung oder Affinität gegenüber Sauerstoff, Schwefel, Phosphor, Stickstoff
usw. haben als gegenüber den in den Stahl bzw. in das Metall eingehenden Stoffen.
Die bei dem Zusatz gebildeten Produkte sollen vorzugsweise in der Schmelze unlöslich
sein und sollen solchen Schmelzpunkt, solches spezifisches Gewicht, solche Viskosität
usw. besitzen, daß sie leicht und so vollständig wie möglich aus der Metallschmelze
in die Schlacke abgetrennt werden können.
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Beim Entgasen ist die Schmelze innig und in allen Teilen mit dem entgasenden
Stoff in Berührung zu bringen. Dieser entgasende Stoff ist gewöhnlich ein Gas, und
Voraussetzung einer guten Entgasung ist dann, daß der Partialdruck des zu entfernenden
Gasbestandteiles im Reinigungsgas niedrig ist sowie daß das letztgenannte Gas derart
zugeführt und fein verteilt wird, daß es in innige Berührung mit der ganzen Schmelze
kommt. Als Entgasungsmittel können solche Gase Verwendung finden, welche nicht oder
nur langsam mit den Hauptbestandteilen der Schmelze reagieren, wie Helium, Argon,
Stickstoff u. a. Oder aber es wird der Schmelze ein Stoff, z..B. ein unter dem Erstarrungspunkt
der Schmelze kochendes Metall oder eine Legierung, zugeführt, welcher Stoff beim
Kontakt mit der Schmelze in Gasform übergeht, z. B. Kalcium, Siliciumkalciummagnesium,
Nickelmagnesium u. a. In der Mehrzahl der zuletzt genannten Beispiele haben die
Zusätze stark desoxydierende Wirkung, und es ist sogar möglich, daß die rein physikalische
Wirkung des beim Kontakt mit der Schmelze gebildeten Metallgases als »Waschmittel«
übersehen wurde. Da sämtliche genannten Zusätze ein sehr niedriges spezifisches
Gewicht haben, wird ganz sicher auch der Kontakt mit der Schmelze schlecht und die
Entgasung unvollständig und gering. Das Einblasen von Gas gemäß der erstgenannten
Alternative ist schwierig derart durchzuführen, daß das Gas feinverteilt wird und
alle Teile der Schmelze behandelt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei Metallschmelzen,
wie Eisen-, Stahl- oder Ferrolegierungsschmelzen, durch Einbringen von Zusatzkörpern
ein effektives Gaswaschen der Schmelze zu ermöglichen und/oder desoxydierend, entschwefelnd,
entphosphorierend 'oder denitrierend oder auf andere Weise raffinierend oder legierend
auf die Schmelze einzuwirken.
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Diese Aufgabe wird entsprechend der Erfindung gelöst durch Verwendung
von porösen gesinterten Trägerkörpern aus Metallen, Legierungen, intermetallischen
Verbindungen und/oder Metallverbindungen, wie Karbiden und Siliciden, deren Porenraum
mit einem Raffinations- und/oder Legierungsmittel, vorzugsweise mit einem oder mehreren
Metallen aus der Gruppe der Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Magnesium, Zink, Blei
oder Legierungen aus solchen, wenigstens teilweise erfüllt ist, als Mittel zur Behandlung
der Metallschmelzen, wobei der poröse Trägerkörper wenigstens - hinsichtlich seines
metallischen Anteils aus in der zu behandelnden Schmelze erwünschten oder in sie
eingehenden Metallen besteht.
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Getränkte Metallsinterkörper sind an sich bekannt, jedoch nicht ihre
Verwendung für den oben angegebenen Zweck.
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Die Verwendung von getränkten Sinterkörpern entsprechend der Erfindung
ist insofern wesentlich vorteilhaft, als der in den Poren des Trägerkörpers btfindliche
Zuschlagstoff in der Schmelze nicht so fort zerfällt, sondern langsam an diese abgegeben
wird. Dieser Effekt kommt dann besonders zum Tragen, wenn der Siedepunkt des Zuschlagstoffs
unter der Temperatur der zu behandelnden Schmelze liegt. Dann verdampft der Zuschlagstoff
im Trägerkörper, und aus jeder Pore desselben strömt der Dampf des Zuschlagstoffes.
Dieser wird dadurch mit der Schmelze sehr innig gemischt.
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Für die Behandlung von Schmelze aus Eisen, Stahl und Legierungen hiervon
besteht der Zusatzkörper zweckmäßig aus einem festen porösen gesinterten Körper
aus Eisen oder Stahl oder Legierungen hiervon oder aus für Eisen- und Stahllegierungen
bestimmten Legierungsmetallen, dessen Porenvolumen ganz oder teilweise mit einem
Raffinationsmittel ausgefüllt ist, welches bei der Temperatur der Schmelze schmilzt,und
gegebenenfalls verdampft wird, so daß es dadurch allmählich an das Bad oder an die
Schmelze abgegeben wird.
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Das Gerüst besteht vorzugsweise aus mittels durch Sintern pulverförmigen
Materials hergestellten Briketts oder anderen Formkörpern geeigneter Größe für einfache
und wirksame Zuführung zu einer Schmelze.
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Das Reinigungsmittel kann nicht nur aus den oben angeführten Stoffen,
sondern auch aus einem anderen chemischen Element oder einer chemischen Verbindung
bestehen, die einen niedrigen Siedepunkt im Verhältnis zum Erstarrungspunkt der
Schmelze aufweist und keine oder nur unbedeutende Affinität oder Legierungsneigung
zu den Hauptbestandteilen der Schmelze besitzt.
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Wenn das. Gerüst aus einem oder mehreren Metallen, aus einer oder
mehreren Metallegierungen, intermetallischen Verbindungen, Verbindungen zwischen
Metallen und Metalloiden wie Karbiden, Siliziden usw., oder Mischungen dieser verschiedenen
aufgezählten Stoffe besteht, wird dieses Material bei Kontakt mit der Schmelze aufgelöst
oder desintegriert, ohne dieselbe nennenswert zu verunreinigen, und das Material
soll ferner nicht oder nur -in untergeordnetem Maße mit dem . Entgasungs- bzw. Raffinierungsmittel
derart reagieren, daß Wirkungsvermögen des letztgenannten Mittels verlorengeht.
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Besonders geeignet für die Verwendung nach der vorliegenden Erfindung
zur Behandlung von Stahlschmelzen sind aus Eisenpulver und/oder aus in geeigneter
Weise feinverteilten Ferrolegierungen oder Mischungen dieser Stoffe mit oder ohne
Zusatz von Bindemitteln hergestellte Formlinge die durch Erhitzen auf geeignete
Temperatur in einem geeigneten Schutzgas gesintert worden sind. Diese
Sinterung
hat sich, als vorteilhaft herausgestellt, indem der Formling dadurch eine genügende
mechanische Festigkeit erhält, um den oft relativ hohen inneren Drücken zu widerstehen,
welche beim Verdampfen des in den Poren der Formlinge eingeschlossenen Entgasungs-
bzw. Raffinierungsmittels auftreten. Die Korngröße des zum Aufbau der Formlinge
verwendeten Materials ist von gewisser Bedeutung. Wenn feinkörniges Material angewendet
wird, wird das Porenvolumen derart klein, daß das Imprägnieren zeitraubend werden
kann. Ferner wird der Formling dann unnötig kostspielig. Grobkörniges Material führt
zu größeren Porendimensionen, was nachteilig sein kann, indem das Entgasung,- bzw.
Raffinierungsmittel in diesem Falle zu schnell nach Zusatz zur Schmelze abgehen
kann. Für die meisten Zwecke ist 0,o5 bis 1 mm eine geeignete Korngröße, aber gröbere
wie auch feinere Körnungen sind ebenfalls verwendbar. Die Porosität in Prozent soll
nicht zu hoch sein, da das spezifische Gewicht des imprägnierten Formkörpers dadurch
unnötig niedrig wird. Wenn aber eine größere Porosität erforderlich ist, um das
Imprägnieren zu ermöglichen oder zu erleichtern, so kann, um einen zu niedrigen
spezifischen Gewicht des fertigen Formlings entgegenzuwirken, das Entgasung,- bzw.
Raffinierungsmittel mit einem schwereren Stoff legiert oder gemischt werden. Die
Porosität kann zwischen 5 und 70% variieren und soll zweckmäßig 15 bis 50% betragen.
Als Beispiel sei ein Silizium-Eisen-Brikett mit 30% Porosität erwähnt. Wenn dieses
Brikett mit Magnesium imprägniert wird, so erhält es ein spezifisches Gewicht von
etwa 5. Wird es statt dessen mit Magnesium-Zink-Legierung imprägniert, so wird das
spezifische Gewicht etwa 5,5. Magnesium schmilzt bei 65o° C und ist dann ziemlich
zähflüssig. Die Magnesium-Zink-Legierung in dem erwähnten Beispiel schmilzt bei
341' C und ist dann leichtflüssig. Das Imprägnieren ist folglich im letztgenannten
Falle wesentlich einfacher durchzuführen.
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Das entgasende bzw. raffinierende Mittel wird in den Träger durch
Imprägnieren in Gasform oder in flüssiger Form eingeführt, wobei in dem letztgenannten
Falle entweder Stücke des porösen Trägers in eine aus dem entgasenden bzw. raffinierenden
Mittel bestehende oder aus einer ein solches Mittel enthaltenden Schmelze oder Lösung
geeigneter Temperatur eingeführt werden, oder aber es wird diese Schmelze oder Lösung
unter Druck durch eine geeignete Führung gegen eine oder mehrere Flächen des porösen
Stoffes gepreßt, welche Flächen dann eine dazu geeignete, regelmäßige Form haben
sollen. Um das Imprägnieren in den porösen Träger gemäß dem erstgenannten Alternativ
zu erleichtern, kann entweder das Porensystem evakuiert werden, bevor das entgasende
bzw. raffinierende Mittel hinzugeführt wird, oder aber es kann das Porensystem mit
einem solchen Gas gefüllt werden, das mit dem entgasenden bzw. raffinierenden Mittel
bei dessen Eindrängen in das Porensystem reagiert und dadurch verbraucht wird. Wenn
das Entgasungs- bzw. Raffinierungsmittel derart beschaffen ist, daß es von den Bestandteilen
der Luft angegriffen und zerstört wird, sollen die obenerwähnten Behandlungen in
zweckmäßiger Weise unter einer Schutzatmosphäre durchgeführt werden, und die fertigimprägnierten
Stücke müssen derart behandelt werden, daß ihre Oberflächen gegen die Einwirkung
von Luft geschützt werden, z. B. durch Belegen mit einer Schutzschicht aus einem
filmbildenden Stoff, wie Paraffin od. dgl.
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Nachstehend werden einige Beispiele von Zusatzkörpern gemäß der Erfindung
angegeben: i. Gesintertes Eisenschwammbrikett mit 300/0 Porosität, welche mit metallischem
Natrium gefüllt ist. Spezifisches Gewicht etwa 5,7, Na-Gehalt etwa 50/0.1 kg des
Na-imprägnierten Briketts gibt etwa 325 1 Na-Gas von 76o mm und 160o° C ab.
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2. Gesintertes Silizium-Eisen-Brikett mit q.00/0 Porosität, gefüllt
mit Natrium. Si-Gehalt etwa 22%, Na-Gehalt etwa io%, spezifisches Gewicht etwa 4,3.
1 kg des Na-gefüllten Briketts gibt 750 1 Na-Gas von 76o mm und 160o° C ab.
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3. Gesintertes Silizium-Eisen-Brikett mit q.00/0 Porosität, gefüllt
mit Magnesium. Si-Gehalt etwa 200/0, Mg-Gehalt etwa i50/0, spezifisches Gewicht
4,6. 1 kg des Mg-imprägnierten Briketts gibt iooo 1 Mg-Gas von 76o mm und 160o°
C ab.
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q.. Gesintertes Silizium-Eisen-Brikett mit 20% Porosität, gefüllt
mit Calcium-Magnesium. Si-Gehalt etwa 2q.0/0, Mg-Gehalt etwa 5010, Ca-Gehalt
etwa 1%, spezifisches Gewicht etwa 5,5.
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5. Gesintertes Silizium-Eisen-Brikett mit 300/0 Porosität, gefüllt
mit Calcium-Zink. Si-Gehalt etwa 200/0, Ca-Gehalt etwa 7,5%, Zn-Gehalt etwa 6%,
spezifisches Gewicht etwa 5,2. .
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6. Gesintertes Silizium-Eisen-Brikett mit 300/0 Porosität, gefüllt
mit Magnesium-Zink. Si-Gehalt etwa 2o0/0, Mg-Gehalt 7,5%, Zn-Gehalt etwa 9%, spezifisches
Gewicht 5,5.
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7. Gesintertes Silizium-Mangan-Brikett mit 300% Porosität, gefüllt
mit Natrium. Si-Gehalt etwa 18,50/0, Mn-Gehalt etwa 65()/o, Na-Gehalt etwa 6,5 %,
spezifisches Gewicht etwa 4,65.
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B. Gesintertes Nickelbrikett mit 30% Porosität, gefüllt mit Natrium.
Ni-Gehalt etwa 9501o, Na-Gehalt etwa 5 %, spezifisches Gewicht etwa 6,45.
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Es eignen sich die Beispiele i bis 3 für Schlacken-und Gasreinigung
von Stählen, das Beispiel q. für die Herstellung von sogenanntem nodulärem Gußeisen,
Beispieleq. bis 6 für Schwefel- und Phosphorreinigung von Roheisen, das Beispiel
7 für Schlackenreinigung von Kugellagerstählen und das Beispiel 8 für Schlacken-
und Gasreinigung von reinem Nickel, hochlegierten Nickelstählen, rostfreien Stählen
usw.