DEU0000790MA - - Google Patents
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Description
Tag der Anmeldung: 24. Februar 1940 Bekanntgemacht am 5. April 1956
Die Erfindung betrifft ein exothermisdies Gemisch und ein metallurgisches Verfahren, mittels
dessen die Zusammensetzung von eisenhaltigen Stoffen geändert werden kann. Insbesondere wird
nach dem Verfahren Eisen hergestellt, welches bei der Herstellung widerstandsfähiger Gußstücke
Verwendung finden kann und das im allgemeinen in Kupolöfen erzeugt wird, dann aber zur Herstellung
verhältnismäßig schwacher Gußstücke benutzt wird.
Das Verfahren hat besondere Bedeutung für die Herstellung von Gußstücken hoher Festigkeit.
Einzelne Maßnahmen des Verfahrens lassen sich aber auch allgemein bei der Herstellung von metallischem
Eisen verwenden.
In der Anwendung auf die Herstellung von Eisen für Gußstücke hoher Festigkeit verwendet die Erfindung
das Prinzip der Vermischung von verhältnismäßig unreinem Eisen mit verhältnismäßig
reinem metallischem Eisen, um dadurch ein Eisen von erhöhter Reinheit zu erhalten, also ein Eisen,
in dem die anderen Bestandteile in geringeren Prozentsätzen vorhanden sind als in dem verhältnismäßig
unreinen Eisen. Der Erfindung gemäß wird die Mischung in der Weise durchgeführt, daß
exothermische reaktionsfähige Mischungen mit unreinen Metallen in Reaktion gebracht werden,
so daß ein verhältnismäßig reines geschmolzenes Eisen entsteht.
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Viele Gießereien sind in ihrer Fabrikation auf die Herstellung von metallischem Eisen beschränkt,
das bei der Herstellung von gewöhnlichem weichem Eisen oder von Gußstücken geringer Festigkeit geeignet
ist, welche beispielsweise etwa 3,15% Kohlenstoff und etwa 2,25% Silizium enthalten.
Die Herstellung von solchem Eisen, das Gußstücke hoher Festigkeit ergibt und das beispielsweise etwa
2,9% Kohlenstoff und etwa 2% Silizium enthält,
ίο erfordert sorgfältige Überwachung des Herstellungsverfahrens
oder besondere Anlagen. Eine kleine Gießerei ist meistens mit derartigen Sondereinrichtungen oder mit den notwendigen
Überwachungsvorrichtungen nicht ausgestattet, und daher ist die Erzeugung einer solchen Gießerei
auf solche Produkte beschränkt, tiie nach einfachen Arbeitsmethoden, etwa unter Verwendung des
Kupolofens, gewonnen werden können.
Die Erfindung gestattet eine Erweiterung der Erzeugung solcher Gießereien in der Weise, daß
der Gießereifachmann in einfacher und genauer Weise die Zusammensetzung der gesamten Erzeugung
oder eines Teiles derselben, die in einer Ofenhitze gewonnen wird, verändern kann. Hierbei
finden exothermische Gemische Verwendung, die
' verhältnismäßig reines metallisches Eisen in bestimmten
Mengen je Gewichtseinheit erzeugen können. Der Leiter der Gießerei kann durch eine
einfache Rechnung die richtige Menge bestimmen, die er dem gewöhnlichen weichen Eisen zusetzen
muß, um Eisen zu erhalten, in dem Eisen, Kohlenstoff und Silizium in den gewünschten Verhältnissen
vorhanden sind. Kupolofen können in der üblichen Weise betrieben werden, um das übliche
weiche Eisen zu erzeugen. Die exothermischen Gemische werden dann den Gießpfannen zugesetzt,
denen das geschmolzene Eisen aus dem Kupolofen ■ zufließt. Sie bestehen im wesentlichen aus Eisenoxyd,
Kalk (CaO) und einem siliziumhaltigen -Reduktionsmittel, vorzugsweise kohlenstoffarmem
Ferrosilizium. Das Eisenoxyd kann als natürliches Erz verwendet werden, das die üblichen Verunreinigungen
enthält. Es läßt sich aber auch ein verhältnismäßig reines Eisenoxyd verwenden, bei-
•45 spielsweise der in Walzwerken anfallende Hammerschlag
oder Schlacke von Pyriten. Bei der Herstellung exothermischer Gemische findet zweckmäßig
Ferrioxyd (Fe2O3) Verwendung oder ein
Stoff, der das Eisen in dieser Form als Oxyd enthält. Es läßt sich aber auch ein Eisen niedrigerer
Oxydationsstufe verwenden, beispielsweise Magnetit (Fe3O4). Wenn in einem exothermischen Gemisch
ein Eisenoxyd, wie z.B. Magnetit,..verwendet wird, das das Eisen in der niedrigeren Oxydations-
.55 stufe enthält, so muß dem Reaktionsgemisch ein weiterer Stoff zugesetzt werden, der Sauerstoff abgibt,
um eine glatte und vollkommene Reaktion zu gewährleisten. Eine Eisenverbindung, die Magnetit
enthält, beispielsweise Hammerschlag, karm zweck-
■6o mäßig bei der Herstellung des exothermischen Gemisches
benutzt werden, indem sie einer Behandlung unterworfen wird, durch die das Eisen in die
Fernverbindung übergeführt wird. Die Oxydation läßt sich in einfacher Weise durch Sintern unter
oxydierenden Bedingungen erreichen: Sind hohe Temperaturen erwünscht, so können die exothermischen
Gemische, in denen das Eisenoxyd vollkommen als Ferrioxyd vorhanden·ist, ein oder mehrere
oxydierende Mittel enthalten, die mit dem Silizium in Reaktion treten, um Temperaturen zu erzielen,
die höher liegen als diejenigen, die sich aus der Reaktion von Silizium mit Ferrioxyd (Fe2O3) ergeben.
Im allgemeinen empfiehlt es sich, wenigstens eine kleine Menge von einem oder mehreren oxydierenden
Stoffen der Gruppe Natriumnitrat, Natriumchlorat und Mangandioxyd der exothermischen
Verbindung zuzusetzen, um geschmolzene Reaktionsprodukte zu erhalten, und die Temperatur
des dem Verfahren unterworfenen Metalls zu erhöhen, da höhere Temperaturen zu erhöhter Festigkeit
und Gleichförmigkeit der Gußstücke führen. Der Kalk (CaO) kann in der exothermischen
Mischung in freiem Zustand vorhanden sein. Er kann aber auch in chemischer Verbindung mit
Eisenoxyd verwendet werden. Die Gemische werden zweckmäßig aus Bestandteilen von. einer Korngröße
von weniger als 100 Maschen gebildet, und die Stoffe werden zweckmäßig gründlich miteinander
vermischt. Das Mischen' und Mahlen kann
gleichzeitig dadurch. erfolgen, daß die Bestandteile
beispielsweise in einer Kugelmühle gemahlen werden.
Wenn eine Mischung von Kalk, Ferrioxyd und Ferrosilizium in eine Gießpfanne mit geschmolzenem
weichem Eisen gebracht wird, reagiert sie exothermisch in der Weise, daß reines Eisen entsteht
und daß das weiche Eisen jeden gewünschten Kohlenstoff- und Siliziumgehalt erhält, je nach dem
Verhältnis der Menge des weichen Eisens und des erzeugten reinen Eisens. Wenn frischer Kalk,
Ferrioxyd und Ferrosilizium innig als kleine Teilchen von weniger als 100 Maschen Größe miteinander
vermischt und diese Mischungen zu kompakten Massen zusammengefaßt werden, reagieren sie
leicht mit dem in der Gießpfanne befindlichen Eisen. Im Hinblick auf die Strahlungsverluste
empfiehlt es sich im allgemeinen, die erzeugte Hitze etwas zu erhöhen, indem ein Überschuß an Silizium
und ein Sauerstoff träger, wie z. B. Natriumnitrat, Natriumchlorat oder Mangandioxyd, zugesetzt
werden, die den Siliziumüberschuß verbrennen und dadurch zusätzliche Hitze erzeugen. Dies ist besonders
erwünscht bei der Behandlung von kleinen Eisenchargen. Größte Chargen erfordern keinen so
großen Überschuß an Silizium. Das Eisenoxyd und der Kalk .werden dadurch chemisch miteinander .
verbunden, daß sie in Mischung auf hohe Temperatur erhitzt werden. Die Reaktion zwischen dem
Eisenoxyd und dem Silizium ist dann wirksamer und schneller. Der Kalk (CaO) und das Ferrioxyd
können dadurch chemisch miteinander verbunden .werden, daß ein Gemisch der beiden Stoffe in feinverteiltem
Zustand unter nicht reduzierenden Bedingungen auf eine Temperatur von etwa 12000 C
öder höher erhitzt wird. Hierbei kann ein geschmolzenes
Produkt entstehen. Die Behandlung
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kann aber auch so durchgeführt werden, daß ein Zusammenschmelzen nicht stattfindet. Erfolgt die
Hitzebehandlung bei so hoher Temperatur, daß ein Zusammenschmelzen stattfindet, so empfiehlt es
sich, daß das Kalziumoxyd in einer solchen Menge vorhanden ist, daß das gesamte Ferrioxyd daran
gebunden wird. Andernfalls könnte etwas Magnetit entstehen, so daß die Hitzewirkung sinkt. Wenn
der mägnetithaltige Stoff einer Sinterbehandlung
ίο unter oxydierenden Bedingungen unterworfen werden
soll, kann Kalk mit dem magnetithaltigen Stoff vermischt werden, um eine Oxydation des Magnetits
zu Ferrioxyd und eine Verbindung von Kalziumoxyd mit dem Ferrioxyd in. einem Arbeitsgang
herbeizuführen. Der Kalk und das Ferrioxyd, aus denen die exothermischen Gemische gebildet
werden, können chemisch in irgend geeigneten Mengen miteinander verbunden werden. Gute Ergebnisse
erzielt man, wenn Kalk und Eisenoxyd miteinander in dem Verhältnis 1 Molekül Kalziumoxyd
(CaO) auf ι Molekül Ferrioxyd (Fe2O3)
gebunden werden. Die Menge von Silizium in dem endgültigen metallischen Produkt läßt sich dadurch
regeln, daß die Menge von Kalk in dem exothermisehen Gemisch geregelt wird, oder dadurch, daß die
Menge von Silizium im Verhältnis zu der Menge des Eisenoxyds, in dem exothermischen Gemisch
verändert wird. Wenn die Menge an Kalk verändert wird, findet ein oxydierendes Mittel mit
einem Überschuß an Silizium Verwendung, indem das Silizium, der Kalk und das oxydierende Mittel
in solchen Mengen verwendet werden, daß das gesamte Silizium oxydiert und nahezu das gesamte
Eisen reduziert wird unter Erzeugung einer Schlacke von Kalziumsilikat, in der Kalziumoxyd
und Silizium in einem molekularen Verhältnis von etwa ι bis 2 CaO: 1SiO2 vorhanden sind, und
unter Erzeugung von Wärme, die ausreicht, um die Schlacke dünnflüssig zu machen. Auch kann ein
höheres Verhältnis von Kalk zu Silizium verwendet werden. Indessen ist das angegebene Verhältnis
vollkommen ausreichend. Wird die Menge des Siliziums dadurch geregelt, daß die Menge von
Silizium zu Eisenoxyd verändert wird, so wird Silizium in einer Menge verwendet, die nicht ausreicht,
das gesamte Eisenoxyd zu reduzieren. In diesem Fall geht ein Teil des Eisens als Oxyd mit
Kalziumoxyd und Silizium in die Schlacke über. Dadurch entsteht eine Schlacke, die leichtflüssiger
ist als eine verhältnismäßig reine Kalziumsilikatschlacke. .
Bei der zweckmäßigsten Ausführungsform des Verfahrens werden exothermische Gemische hergestellt
und verwendet, in denen die Menge des Siliziums nicht ausreicht, um das gesamte Eisenoxyd
zu reduzieren; denn die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wird erheblich erhöht, wenn Silizium
dadurch gespart wird, daß eine leicht schmelzbare Schlacke mit Eisenoxyd erzeugt wird.
Das in der Schlacke zurückgehaltene Eisen ist im allgemeinen nicht kostspieliger als der Kalk als
schlackebildender Stoff. Die Menge von Eisenoxyd und Silizium, die dem exothermischen Gemisch zugesetzt
werden muß, läßt sich nach der folgenden Gleichung berechnen:
Fe2O3-I-Si = FeO-SiO2-I-Fe.
Wenn Kalk (Ca O) in dem Gemisch in dem Verhältnis ι Molekül Kalziumoxyd auf 1 Molekül
Ferrioxyd (Fe2 O3) ist, so erhält die bei der Reaktion
entstehende Schlacke Kalziumoxyd, Ferrooxyd und Siliiziumdioxyd in äquimolekulareti Verhältnissen,
und die Reaktion kann angenähert durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden:
CaO · Fe2O3 +.Si = EeO · CaO- SiO2 + Fe.
Wie im nachstehenden angegeben ist, empfiehlt sich die Verwendung von Ferrosilizium als Reduktionsmittel
zum Reduzieren des Eisenoxyds zu reinem geschmolzenem Eisen. Indessen können auch siliziumhaltige reduzierende Stoffe verwendet
werden, in denen das Silizium mit anderen Metallen, wie Nickel, Aluminium, Magnesium und
Kalzium, legiert ist. Auch diejenigen exothermischen Gemische gemäß der Erfindung, in denen
chemisch an Kalk gebundenes Ferrioxyd angewen- ■ det wird, können Siliziumlegierungen, wie Chromsilizium
und Ferrochromsili.zium, enthalten. Solche exothermischen Gemische können praktisch kein
reines Eisen erzeugen, da das geschmolzene Eisen Chrom enthält. Sie können durch Zündung in einem
geeigneten Behälter zur unmittelbaren Herstellung von Eisen-Chrom-Legierungen verwendet werden
oder mit geschmolzenen Metallen in- Reaktion gebracht werden, um Endprodukte anderer Zusammensetzung
zu erhalten. Zweckmäßig enthalten die neuen exothermischen Gemische keine anderen
Metallverbindungen, die durch exothermische Reaktion der Gemische zu Metallen reduziert werden
können, als Eisenoxyd oder Eisenoxyd und Mangandioxyd, sofern das Mangandioxyd in erster
Linie benutzt wird, um die exothermische Wirkung zu erhöhen.
Im nachstehenden wird ein Beispiel gegeben, wie geschmolzenes Kupolofeneisen mit reinem ge- 105,
schmolzenem Eisen versetzt wird: 9 kg geschmolzenen Kupoleisens (Analyse 3,15% C, 2,33Vo Si,
0,73 °/o Mn) wurden in einer kleinen Gießpfanne 5)37 kg eines innigen Gemisches aus 4,37 kg Kalziumferrit
(nach Analyse 69 VoFe2O3, 22,1 °/oi Ca O),
0,216 kg Natriumnitrat und 0,47 kg Ferrosilizium (nach Analyse 75% Si) zugesetzt. Die Mischung
zündete sofort, und die Reaktion war in 4V2 Minuten beendet. Die Schlacke hatte ein Gewicht von
3,5 kg und ergab durch Analyse die folgende Zusammensetzung: 26,8% FeO, 25,4% CaO, 32,6%
SiO2, der Rest Natriumverbindungen aus dem oxydierenden Mittel und Magnesiumverbindungen
aus dem Kalk. Das Metall wurde wie folgt analysiert: 2,72% C, 2,08% Si, 0,71% Mn. Die Zugfestigkeit
des Eisens betrug 3000 kg/cm2 gegenüber 2720 kg/cm2 vor der Behandlung.
Zu beachten ist, daß die Behandlung der im Eisen verwendeten geringen Menge von Metall
(9 kg) gewisse Schwierigkeiten macht, insbesondere
hinsichtlich der Temperaturregelung mit
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Rücksicht auf die erheblichen Strahlungsverluste. Die erzielten Ergebnisse zeigen aber, wie die
Reaktionswärme nutzbar gemacht werden kann, selbst kleine Eisenmengen auf Hitze zu halten und
gleichzeitig den Kohlenstoff- und Siliziumgehalt zu reduzieren und ein Eisen zu erzeugen, das für Gußstücke
hoher Festigkeit verwendbar ist. Offenbar lassen sich bei der Behandlung größerer Eisenmengen
bessere Ergebnisse erzielen.
ίο Die Metallverbindungen können in beliebigem Maße ihrer Zusammensetzung nach verändert werden. Das Maß dieser Veränderung ergibt sich aus Erwägungen wirtschaftlicher Art.
ίο Die Metallverbindungen können in beliebigem Maße ihrer Zusammensetzung nach verändert werden. Das Maß dieser Veränderung ergibt sich aus Erwägungen wirtschaftlicher Art.
Claims (8)
1. Exothermisches Gemisch zum Vergüten
von Eisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch im wesentlichen aus an Kalziumoxyd
chemisch gebundenem Ferrioxyd und einem siliziumhaltigen Reduktionsmittel besteht.
2. Exothermisches Gemisch nach Anspruch i,
dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel eine kohlenstoffarme Siliziumverbindung,
beispielsweise kohlenstoffarmes Ferrosilizium ist.
.3. Exothermisches Gemisch nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch
einen oxydierenden Stoff enthält, welcher durch Reaktion mit Silizium eine Temperatur
erzeugt, die höher liegt als diejenige, die bei der Reaktion von Ferrioxyd mit Silizium entsteht.
4. Exothermisches Gemisch nach Anspruch 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Silizium nur in so großer Menge vorhanden ist, daß es
nur einen Teil des Eisens des Ferrioxyds zu metallischem Eisen reduziert, so daß der
Siliziumgehalt im Eisen geregelt wird und eine leicht schmelzende, eisenoxydhaitige Schlacke
entsteht.
5. Exothermisches Gemisch nach Anspruch 1
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch eine chromhaltige Legierung, beispielsweise
Ferrochromsilizium, enthält, vermöge deren das zu behandelnde Eisen einen Gehalt von
Chrom erhält.
6. Exothermisches Gemisch nach Anspruch 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt
an Kalziumoxyd größer ist, als 1 Molekül Kaiziumoxyd
je Atom Silizium äquivalent ist.
7. Verfahren zum Vergüten von Eisen, dadurch gekennzeichnet, daß ein exothermisches
Gemisch nach Anspruch 1 bis 6 in Berührung mit dem Eisen verbrannt wird.
8. Verfahren zum Vergüten von Eisen, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eisen verhältnismäßig
reines Eisen beigemengt wird, indem ein exothermisches Gemisch nach Anspruch ι bis 6 in Berührung mit dem Eisen
verbrannt wird, so daß ein Eisen von höherem Eisengehalt entsteht.
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