EP0280765A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gusskörpern aus druckbehandelten Schmelzen aus Stahllegierungen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gusskörpern aus druckbehandelten Schmelzen aus Stahllegierungen Download PDF

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EP0280765A2
EP0280765A2 EP87114822A EP87114822A EP0280765A2 EP 0280765 A2 EP0280765 A2 EP 0280765A2 EP 87114822 A EP87114822 A EP 87114822A EP 87114822 A EP87114822 A EP 87114822A EP 0280765 A2 EP0280765 A2 EP 0280765A2
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EP
European Patent Office
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pressure
melt
casting
treatment vessel
gas
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EP0280765A3 (en
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Wolfgang Dipl.-Ing. Dr. Holzgruber
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Inteco Internationale Techinsche Beratung GmbH
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Inteco Internationale Techinsche Beratung GmbH
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    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/09—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure
    • B22D27/13—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure making use of gas pressure
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    • B22D1/00—Treatment of fused masses in the ladle or the supply runners before casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/10—Supplying or treating molten metal
    • B22D11/11—Treating the molten metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/10—Supplying or treating molten metal
    • B22D11/11—Treating the molten metal
    • B22D11/113—Treating the molten metal by vacuum treating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C7/00—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/0081—Treating and handling under pressure

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the production of castings, such as blocks, strands or molded parts made of metals, in particular of steels and steel-like alloys, which have higher contents of elements with high vapor pressure or gases than at atmospheric pressure in the molten state and during solidification stay in solution.
  • Examples of this are the treatment of molten steel with alkaline earth metals, in particular with Ca, which usually has only a very limited solubility and has a vapor pressure of more than 1 bar at the temperatures of the molten steel.
  • Another example is nitrogen, which is also only soluble to a limited extent, depending on the alloy composition.
  • Treatment of the liquid melt under excess pressure with alkaline earth metals, in particular with Ca, allows, for example, the conversion of the phosphorus from the metal into the slag under reducing conditions. Such a treatment also enables the deposition of Cu, Sn etc. and their transfer into the slag.
  • N represents the nitrogen content in the melt as a percentage by weight
  • K represents a proportionality constant, the size of which is determined, among other things, by the alloy composition
  • P the partial pressure of the nitrogen in bar.
  • the element nitrogen is an interesting alloying element in that it is able to stabilize austenite as a structural component in iron alloys and to increase its strength. Therefore, efforts are often made to set higher nitrogen contents in iron-based alloys than the solubility at atmospheric pressure.
  • melt induction melting In pressure induction melting, a conventional induction furnace is installed in a pressure chamber and the melt is produced under a pressure that is Setting the desired nitrogen content in the melt allows. The melt is then poured off under pressure and also allowed to solidify under pressure in the same pressure chamber. This procedure is common in laboratory systems and has been carried out several times for melt sizes up to 100 kg.
  • the metal is melted by a plasma arc in a melting vessel, nitrogen being added to the gas of the plasma torch. Since the nitrogen in the plasma is converted into the monatomic form, the solubility in the melt is increased at the same pressure, since this becomes directly proportional to the partial pressure of the nitrogen in the gas.
  • the plasma gas In order to avoid pore formation by N2 during the subsequent solidification of the melt - where the square root law is valid again - depending on the pressure, the plasma gas must also contain argon in addition to nitrogen in order to limit the nitrogen contents in the melt accordingly. To date, such a plant has been announced in the Soviet Union, which produces blocks up to about 1 t in weight.
  • the nitrogen absorption of the melt essentially takes place from the gas phase above the melt, this is not possible with electro-slag remelting.
  • the melt bath is covered during the entire remelting process by a molten slag, the solubility of which is low for nitrogen.
  • the invention is based on the object, while avoiding the disadvantages described above, to bring any metal melt under positive pressure specifically to desired contents of elements with high vapor pressure or gases which are above the solubility at atmospheric pressure and then to pour them into any casting mold and likewise to freeze under pressure.
  • a pre-melt is produced in any open melting unit and first poured under atmospheric pressure into a refractory heatable treatment vessel, then a gas pressure above atmospheric pressure is built up over the melt and is maintained throughout the heating and treatment time - -
  • the melt can be covered by a slag -, the melt is continuously stirred and / or flushed with gas and either by flushing with the gas conditions or elements and / or by adding alloys containing the element or the substance to the desired content of this element or substance, the gas pressure above the melt being at least the partial pressure which is in equilibrium with the desired content of the melt of the corresponding element or substance, and that the melt after adjusting the composition and the pouring temperature directly from the treatment vessel via a suitably closable and openable closure and pouring element into a likewise pressurized - conventional - mold, ceramic or metallic mold or continuous casting mold is poured.
  • the melt is instead pressed directly into a casting mold by increasing the pressure above the melt by the - known per se - method of die casting.
  • the cast body thus formed is allowed to solidify, the pressure over the mold being maintained throughout the solidification phase; according to the invention, the pressure is kept or set as high as it corresponds to the vapor pressure of the element or substance alloyed under pressure in the melt during the transition from the liquid to the solid state.
  • the device according to the invention for which independent protection is desired, has a conventional ladle as a treatment vessel, which is placed in a closable pressure tank.
  • the pressure vessel itself also forms the treatment vessel and is delivered fireproof.
  • Gas purging in the treatment vessel is expediently carried out using a gas purging plug, but in principle a purging plug can also be used. Stirring of the melt is generally effected by gas purging, but inductive stirring is also possible.
  • the melt can be heated inductively in the closed treatment vessel. Heating by means of a plasma torch or electric arc is also possible.
  • the alloying of the melt with the substances which are only soluble to a greater extent under pressure can be carried out by flushing the melt with this gas.
  • the casting of the melt treated in the treatment vessel and brought to temperature can in principle be carried out in various ways, which will be described in more detail below.
  • a melt 10 is provided in a pressure vessel 12 closed by a lid 11 in a conventional ladle 13, which is opened by opening a slide closure 14 under a melt outlet 14 into a one under the ladle 13 - in turn in the pressure vessel 12 - Mold or mold 16, is poured.
  • the ladle 13 is closed by a lid 17 serving as radiation protection.
  • the melt 10 located in the ladle 13 is covered by a slag bath 20.
  • the latter is heated in this example according to the principle of electroslag heating by means of an immersed electrode 22, which is moved via a current-carrying electrode rod 24 in the interior 25 of the ladle 13 which passes through a bushing 23.
  • the current is returned from the melt 10 via a counterelectrode 26 in the wall 27 of the ladle 13 to a flange 28 of the pressure vessel 12 and from there via a line 2g to a current source 30.
  • the ladle 13 has a gas purging plug 32 and that melt outlet 14 with slide closure 15. Below the ladle 13, the mold 16 is arranged, into which the melt 10 is also poured off under pressure after the treatment has been completed. A pressure supply and discharge line 34 is installed in the cover 11.
  • a bricked-up pressure treatment vessel 18 closed with a lid 11 receives the melt 10 covered with slag 20. Heating takes place in the manner already described via an electrode 22 immersed in the slag 20, which is moved in the pressure vessel 18 by means of the current-carrying electrode rod 24 passing through the pressure feedthrough 23.
  • a slide closure 15 is used as the casting device, which is installed in a slide chamber 40, which is likewise under pressure and can be closed with a closure member 36.
  • a flange 37 adjoins the closure member 36 and can be pressure-tightly connected to a counter flange 38 on the cover 42 of a container 44 of a casting chamber 46.
  • a closure member 41 is installed between the counter flange 38 and the cover 42, with the aid of which the casting chamber 46 can be closed in a pressure-tight manner.
  • the interior 25 of the melt treatment vessel 18, the slide chamber 40 and the casting chamber 46 are connected to a pressure supply and discharge line 34 - which also serves as a pressure compensation line.
  • a casting mold 16 is placed in the casting chamber 46, and the flanges 37, 38 of the casting chamber 46 and slide chamber 40 are connected in a pressure-tight manner, the closure member 41 remaining open.
  • the casting chamber 46 is then brought to the same pressure that prevails in the treatment vessel 18.
  • the closure member 36 under the slide chamber 40 can now be opened.
  • the system is now ready for casting.
  • the casting process is initiated by opening the slide closure 15.
  • the melt 10 is solidified under pressure.
  • the closure member 41 installed below the connecting flange 38 to the slide chamber 40 can be closed. It is then possible to release the pressure from the melt treatment vessel 18 and the slide chamber 40 attached to it, to release the connection of the flanges 37, 38 between the slide chamber 40 and the casting chamber 46, and to remove either the latter with the casting or else the treatment vessel 18 and this in to prepare for a new treatment.
  • siphon tube 50 Another possibility is pouring through a siphon tube 50, the melt 10 being pressed through the siphon tube 50, preferably by overpressure in the treatment vessel 18.
  • 3 shows the bricked-up pressure treatment vessel 18 with the melt 10.
  • the siphon tube 50 is provided here - starting from a lowest point in the bottom 48 - which can be locked by a closure member 36.
  • the flange 37 for connection to the counter flange 38 is again attached to the cover 42 of the casting chamber 46 described above. Connecting and separating the casting chamber 46 and siphon tube 50 is carried out in the manner described above.
  • the casting is carried out by increasing the pressure in the treatment vessel 18.
  • the outlet of the siphon tube 50 is kept closed by that closure member 36. If a higher pressure is maintained in the siphon tube 50 than above the melt 10 in the treatment vessel 18, the melt 10 can be pushed back to the bottom and freezing in the unheated siphon tube 50 can be avoided. Alternatively, it is also possible to keep the siphon tube 50 inductively warm.
  • the flange connection 37, 38 is closed again and the pressure in the casting chamber 46 is built up with the closure member 41 open until it corresponds to that in the siphon tube 50. Now the closure member 36 can be opened - the system is ready to pour.
  • the casting is now initiated by increasing the pressure above the melt 10 in the treatment vessel 18. As a result, the melt in the siphon tube 50 is pushed up until it passes over the edge at 52 and runs into the mold 16 placed underneath. During the casting, the pressure in the treatment vessel 18 is continuously increased until the mold 16 is filled.
  • shut-off device 36 is closed and - provided there is still melt 10 in the treatment vessel 18 - the pressure in the siphon tube 50 is increased in order to push the melt 10 back again.
  • the flange connection 37, 38 between the siphon tube 50 and the casting chamber 46 can be opened, the latter can be exchanged with a casting for a new chamber, and again - as described above - connected and cast. If the melt 10 is consumed, only the closure member 41 is closed after the casting, and the treatment vessel 18 and the siphon tube 50 are relieved of pressure.
  • the flange connection 37, 38 can then be released, which makes it possible to prepare the treatment vessel 18 for the reception of a new melt 10.
  • a slide closure can also be attached to the side of the pressure treatment vessel 18, which is again housed in its own slide chamber which is closed by a closure member and can be pressurized.
  • a slide 15 built into a pressure slide chamber 40 e is installed on the side of the wall 27.
  • the slide chamber 40 e can be closed again with a closure member 36, to which a flange 37 connects, which can be closed pressure-tight with the counter flange 38 of the horizontally arranged casting chamber 46 e .
  • the horizontal continuous casting mold 16 e can be moved up and flanged to the slide 15 when the closure member 36 is open.

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Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen von Gußkörpern, wie Blöcken, Strängen oder Formgußteilen aus Metallen, insbesondere aus Stählen und stahlähnlichen Legierungen, welche höhere Gehalte an Elementen mit hohem Dampfdruck oder Gasen aufweisen als bei Atmosphärendruck im schmelzflüssigen Zustand und bei der Erstarrung in Lösung bleiben, soll dadurch verbessert werden, daß eine in einem offenen Schmelzaggregat hergestellte Schmelze zunächst unter Atmosphärendruck in ein feuerfest zugestelltes beheizbares Behandlungsgefäß abgegossen, anschließend ein über Atmosphärendruck liegender Gasdruck über der Schmelze aufgebaut und während der gesamten Beheizungs- und Behandlungszeit aufrecht erhalten wird, die Schmelze kontinuierlich gerührt und/oder mittels Gas durchspült wird und entweder durch Durchspülen mit den im gasförmigen Zustand sich befindlichen Elementen oder Stoffen und/oder durch Zusatz von das Element oder den Stoff enthaltenden Legierungen auf den gewünschten Gehalt an diesem Element oder Stoff gebracht wird, wobei der Gasdruck oberhalb der Schmelze mindestens dem mit dem gewünschten Gehalt der Schmelze im Gleichgewicht stehenden Partialdruck des entsprechenden Elementes oder Stoffes entspricht, und daß die Schmelze nach Einstellen der Zusammensetzung und der Gießtemperatur direkt aus dem Behandlungsgefäß über ein in geeigneter Weise verschließ- und öffenbares Verschluß- und Gießelement in eine ebenfalls unter Druck stehende Kokille, keramische oder metallische Gußform oder Stranggußkokille abgegossen wird oder, daß die Schmelze direkt durch Erhöhung des Druckes über der Schmelze in eine Gießform nach dem Verfahren des Druckgießens gedrückt und der so gebildete Gußkörper erstarren gelassen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­tung zum Herstellen von Gußkörpern, wie Blöcken, Strängen oder Formgußteilen aus Metallen, insbesondere aus Stählen und stahlähnlichen Legierungen, welche höhere Gehalte an Elementen mit hohem Dampfdruck oder Gasen aufweisen als bei Atmosphärendruck im schmelzflüs­sigen Zustand und bei der Erstarrung in Lösung bleiben.
  • Das Legieren von Metallen und Stahllegierungen mit Ele­menten, welche bei der Temperatur des flüssigen, gießfä­higen Metalls entweder gasförmig sind oder sich im dampfförmigen Zustand befinden, wird in der metallur­gischen Verfahrenstechnik immer wieder diskutiert. Es ist verständlich, daß derartige flüchtige Elemente oder Verbindungen nur eine geringe Löslichkeit im flüssigen Metall aufweisen. In vielen Fällen ist man jedoch be­strebt, die Löslichkeit derartiger Stoffe in der Schmel­ze zu erhöhen, bzw. die Stoffe auch bei der Erstarrung der Schmelze in Lösung zu halten.
  • Beispiele dafür sind die Behandlung von Stahlschmelzen mit Erdalkalimetallen, insbesondere mit Ca, welches üblicherweise nur eine sehr beschränkte Löslichkeit aufweist und bei den Temperaturen der Stahlschmelze einen Dampfdruck von über 1 bar aufweist.
  • Ein anderes Beispiel ist Stickstoff, der je nach Legie­rungszusammensetzung ebenfalls nur in beschränktem Um­fang löslich ist.
  • Im Prinzip gilt dies auch für den Wasserstoff, doch stellt dieser im allgemeinen kein erwünschtes Begleit­element dar.
  • Um nun die Gehalte von flüchtigen oder gasförmigen Stoffen in Metallen, Stählen und Legierungen zu erhöhen, wurde vielfach eine Erschmelzung oder auch ein Elektro­schlacke-Umschmelzen unter Drücken, die über dem Atmo­sphärendruck liegen, vorgeschlagen sowie eine Reihe von anlagentechnischen Möglichkeiten beschrieben und fall­weise nur im Labormaßstab ausgeführt.
  • Eine Behandlung der flüssigen Schmelze unter Ueberdruck mit Erdalkalimetallen, insbesondere mit Ca erlaubt bei­spielsweise eine Ueberführung des Phosphors aus dem Me­tall in die Schlacke unter reduzierenden Bedingungen. Ebenso ermöglicht eine derartige Behandlung eine Ab­scheidung von Cu, Sn etc. und deren Ueberführung in die Schlacke.
  • Andererseits erlaubt das Erschmelzen unter Ueberdruck, die Löslichkeit des Stickstoffs im Metall zu erhöhen, wobei -- gemäß dem Quadratwurzelgesetz -- die Löslich­keit des zweiatomigen Gases Stickstoff in der Schmelze von der Quadratwurzel des Partialdrucks des Stickstoffs über der Schmelze bestimmt wird gemäß:

        N = K . P      (I)
    oder
        N = K . p1/2
  • In Gleichung I bedeutet N den in der Schmelze gelösten Gehalt an Stickstoff in Gewichtsprozent, K stellt eine Proportionalitätskonstante dar, deren Größe unter anderem durch die Legierungszusammensetzung bestimmt wird und P den Partialdruck des Stickstoffes in bar.
  • Das Element Stickstoff ist insofern ein interessantes Legierungselement, als es in der Lage ist, in Eisenle­gierungen den Austenit als Gefügebestandteil zu stabili­sieren und dessen Festigkeit zu erhöhen. Man ist daher vielfach bestrebt, höhere Stickstoffgehalte in Eisen­basislegierungen einzustellen, als es der Löslichkeit bei Atmosphärendruck entspricht.
  • Bisher wurden dafür schon eine Reihe von Verfahrensvor­schlägen unterbreitet, wobei jedoch bei vielen eine großtechnische Ausführung bis heute nicht bekannt ge­macht wurde.
  • Die bekanntesten bisher vorgeschlagenen Verfahren sind das Druck-Induktionsschmelzen, das Druck-Plasmalichtbo­genschmelzen und das Druck-Elektroschlacke-Umschmelzen.
  • Beim Druck-Induktionsschmelzen wird ein üblicher Induk­tionsofen in eine Druckkammer eingebaut und die Schmelze unter einem Druck hergestellt, der die Einstellung des gewünschten Stickstoffgehalts in der Schmelze ermöglicht. Anschließend wird die Schmelze unter Druck abgegossen und ebenfalls unter Druck in der­selben Druckkammer erstarren gelassen. Diese Verfahrens­weise ist bei Laboranlagen üblich und für Schmelzen­größen bis zu 100 kg mehrfach ausgeführt worden.
  • Beim Druckplasma-Lichtbogenverfahren wird das Metall durch einen Plasmabogen in einem Schmelzgefäß erschmol­zen, wobei in das Gas des Plasmabrenners Stickstoff zu­gesetzt wird. Da der Stickstoff im Plasma in die einato­mige Form übergeführt wird, wird dadurch bei gleichem Druck die Löslichkeit in der Schmelze erhöht, da diese hier direkt proportional dem Partialdruck des Stick­stoffs im Gas wird. Um bei der anschließenden Erstarrung der Schmelze -- wo wieder das Quadratwurzelgesetz Gül­tigkeit hat -- Porenbildung durch N₂ zu vermeiden, muß das Plasmagas je nach Druck außer Stickstoff noch Argon enthalten, um die Stickstoffgehalte in der Schmelze ent­sprechend zu begrenzen. Bis heute ist eine derartige An­lage in der Sowjetunion bekanntgemacht worden, die Blöcke bis zu etwa 1 t Gewicht herstellt.
  • In großtechnischem Maßstab ist bisher lediglich das Druck-Elektroschlacke-Umschmelzverfahren bekannt gewor­den. Hier wurden bereits Anlagen für die Herstellung von Blöcken mit 2,5 und 14,5 t gebaut und betrieben.
  • Während beim Druckinduktionsschmelzen und Druckplasma­lichtbogenschmelzen die Stickstoffaufnahme der Schmelze im wesentlichen aus der Gasphase oberhalb der Schmelze erfolgt, ist dies bei Elektroschlacke-Umschmelzen nicht möglich. Bei diesem Verfahren ist das Schmelzebad näm­lich während des gesamten Umschmelzvorganges durch eine schmelzflüssige Schlacke abgedeckt, deren Löslichkeit für Stickstoff gering ist.
  • Damit ist aber auch ein Stickstofftransport von der Gas­phase über die Schlacke in das Metall in kontrollier­barer und reproduzierbarer Weise nicht möglich. Man be­hilft sich heute dadurch, daß entweder stickstoffenthal­tende Verbindungen der Schlacke kontinuierlich in fein­körniger Form zugesetzt oder daß nach einem anderen Vor­schlag zusammengesetzte Elektroden verwendet werden, deren einer Teil aus solchen Legierungen besteht, die auch bei Atmosphärendruck eine hohe Löslichkeit für Stickstoff haben. Dies ist ebenso möglich wie das Zu­setzen von stickstoffhaltigen Verbindungen, da es beim Elektroschlacke-Umschmelzen zu einer guten Durchmischung des Sumpfes und damit einer gleichmäßigen Verteilung des Stickstoffs kommt.
  • Beide Verfahren haben jedoch Nachteile, die sich ungün­stig auf die Betriebssicherheit und Verfahrenskosten auswirken. Beim Zusatz von Legierungen muß dieser konti­nuierlich unter Druck in Abhängigkeit der Abschmelzrate erfolgen. Die Herstellung langer, zusammengesetzter Elektroden ist aufwendig und nur mit besonderen Gießein­richtungen durchführbar.
  • Außerdem kommt dazu, daß das Elektroschlacke-Umschmelzen zwar eine hohe Blockqualität ergibt, aber an sich kostenungünstig arbeitet, da die Abschmelzrate in Ab­hängigkeit vom Blockformat begrenzt wird.
  • Die Herstellung unregelmäßig, beliebig geformter Guß­teile ist jedoch nach diesem Verfahren praktisch unmög­lich. Ebenso unmöglich ist die Herstellung relativ langer dünner Stänge, wie dies beim Stranggießen erfolgt.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, unter Ver­meidung der oben beschriebenen Nachteile eine beliebig hergestellte Metallschmelze unter Ueberdruck gezielt auf gewünschte, über der Löslichkeit bei Atmosphärendruck liegende Gehalte an Elementen mit hohem Dampfdruck oder Gasen zu bringen und diese anschließend in eine belie­bige Gießform abzugießen und ebenfalls unter Druck er­starren zu lassen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß eine Vorschmelze in einem beliebigen offenen Schmelzaggregat hergestellt wird und zunächst unter Atmosphärendruck in ein feuerfest zugestelltes beheizbares Behandlungsgefäß abgegossen, anschließend ein über Atmosphärendruck liegender Gasdruck über der Schmelze aufgebaut und während der gesamten Beheizungs- und Behandlungszeit aufrecht erhalten wird -- wobei die Schmelze durch eine Schlacke abgedeckt sein kann --, die Schmelze kontinuierlich gerührt und/oder mittels Gas durchspült wird und entweder durch Durchspülen mit den im gasförmi­ gen Zustand sich befindlichen Elementen oder Stoffen und/oder durch Zusatz von das Element oder den Stoff enthaltenden Legierungen auf den gewünschten Gehalt an diesem Element oder Stoff gebracht wird, wobei der Gasdruck oberhalb der Schmelze mindestens dem mit dem gewünschten Gehalt der Schmelze im Gleichgewicht stehenden Partialdruck des entsprechenden Elementes oder Stoffes entspricht, und daß die Schmelze nach Einstellen der Zusammensetzung und der Gießtemperatur direkt aus dem Behandlungsgefäß über ein in geeigneter Weise verschließ- und öffenbares Verschluß- und Gießelement in eine ebenfalls unter Druck stehende -- konventionelle -- ­Kokille, keramische oder metallische Gußform oder Stranggußkokille abgegossen wird. Nach einer anderen erfindungsgemäßen Lösung wird stattdessen die Schmelze direkt durch Erhöhung des Druckes über der Schmelze in eine Gießform nach dem -- an sich bekannten -- Verfahren des Druckgießens gedrückt. Der so gebildete Gußkörper wird erstarren gelassen, wobei während der gesamten Erstarrungsphase der Druck über der Gießform aufrecht erhalten wird; der Druck wird erfindungsgemäß so hoch gehalten bzw. eingestellt als es dem Dampfdruck des unter Druck legierten Elementes oder Stoffes in der Schmelze beim Uebergang vom flüssigen in den festen Zu­stand entspricht.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung, für die selbständiger Schutz begehrt wird, weist als Behandlungsgefäß eine konventionelle Gießpfanne auf, die in einem verschließ­baren Drucktank abgestellt wird.
  • Bei einer anderen bevorzugten Ausführung bildet das Druckgefäß selbst gleichzeitig auch das Behandlungsgefäß und ist feuerfest zugestellt.
  • Das Gasspülen im Behandlungsgefäß wird zweckmäßigerweise mit einem Gasspülstein vorgenommen, doch kann im Prinzip auch ein Spülstopfen verwendet werden. Das Umrühren der Schmelze wird im allgemeinen durch eine Gasspülung be­wirkt, jedoch ist ein induktives Umrühren ebenfalls mög­lich.
  • Das Beheizen der Schmelze im gechlossenen Behandlungsge­fäß kann induktiv erfolgen. Ebenso möglich ist eine Be­heizung mittels Plasmabrenner oder Lichtbogen.
  • Von besonderer Bedeutung ist es, die Beheizung der Schmelze durch eine oder mehrere in eine elektrisch leitende Schlacke eintauchende Elektrode nach dem Prin­zip der Elektroschlacke-Beheizung durchzuführen.
  • Das Legieren der Schmelze mit den nur unter Druck in höherem Ausmaß löslichen Stoffen kann bei Gasen wie bei­spielsweise Stickstoff auf dem Wege des Durchspülens der Schmelze mit diesem Gas erfolgen. Es ist aber auch mög­lich, Legierungen zuzusetzen, in denen das jeweilige Gas in größerem Umfang gebunden ist, wie dies beispielsweise bei Stickstoff bei Verwendung von aufgestickten Legie­rungen oder Nitriden der Fall ist.
  • Bei Wasserstoff können höhere Gehalte jedenfalls nur durch Durchspülen der Schmelze erreicht werden.
  • Wenn Elemente mit bei der Temperatur der Schmelze hohem Dampfdruck legiert werden sollen -- beispielsweise Mg oder Ca oder auch Na -- so kann dies durch direkte Zuga­be in die unter Druck stehende Schmelze geschehen.
  • Im unter Druck stehenden Schmelzebehandlungsgefäß können in Kombination mit der einfachen Zugabe von Ca-Verbin­dungen oder reinem Ca auch alle Verfahrensschritte des Abbaus von P, Cu, Sn, As, Sb und anderer unter redu­zierenden Bedingungen in Kombination mit einer geeigne­ten Schlackenführung vorteilhaft ausgeführt werden. Wenn in weiterer Folge beim Vergießen der Schmelze der Druck über der Schmelze und Schlacke nicht abgesenkt werden muß, was beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht erfor­derlich ist, so kann auch eine Rückwanderung der ent­fernten Stahlbegleiter in die Schmelze weitgehend ver­mieden werden. Grundsätzlich ist jedoch bei dieser Be­handlung auch ein Vergießen bei Atmosphärendruck mög­lich.
  • Das Vergießen der im Behandlungsgefäß behandelten und auf Temperatur gebrachten Schmelze kann im Prinzip auf verschiedene Weise erfolgen, die nachfolgend noch näher beschrieben werden.
  • Im übrigen wird auf den Inhalt der Patentansprüche Bezug genommen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in ihren vier Figuren Schnittbilder durch erfin­dungsgemäße Anlagen und Vorrichtungen.
  • Wie Fig. 1 erkennen läßt, ist in einem durch einen Deckel 11 verschlossenen Druckgefäß 12 in einer konven­tionellen Gießpfanne 13 eine Schmelze 10 vorgesehen, die durch Oeffnen eines einen Schmelzeauslaß 14 unter­greifenden Schieberverschlusses 14 in eine unter der Gießpfanne 13 -- ihrerseits im Druckgefäß 12 aufge­stellte -- Kokille oder Gießform 16, abgegossen wird. Die Gießpfanne 13 ist durch einen als Strahlungsschutz dienenden Deckel 17 verschlossen.
  • Die in der Gießpfanne 13 befindliche Schmelze 10 ist durch ein Schlackenbad 20 abgedeckt. Letzteres wird in diesem Beispiel nach dem Prinzip der Elektroschlackebe­heizung durch eine eintauchende Elektrode 22 beheizt, die über eine -- eine Durchführung 23 durchsetzende -- ­stromführende Elektrodenstange 24 im Innenraum 25 der Gießpfanne 13 bewegt wird.
  • Die Rückleitung des Stroms aus der Schmelze 10 erfolgt über eine Gegenelektrode 26 in der Wand 27 der Gieß­pfanne 13 weiter zu einem Flansch 28 des Druckgefäßes 12 und von dort über eine Leitung 2g zu einer Stromquelle 30.
  • Die Gießpfanne 13 verfügt über einen Gasspülstein 32 und jenen Schmelzeauslaß 14 mit Schieberverschluß 15. Unter­halb der Gießpfanne 13 ist die Kokille 16 angeordnet, in welche die Schmelze 10 nach abgeschlossener Behandlung ebenfalls unter Druck abgegossen wird. Im Deckel 11 ist eine Druckzu- und -ableitung 34 eingebaut.
  • Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 nimmt ein mit einem Deckel 11 verschlossenes ausgemauertes Druckbehandlungs­gefäß 18 die mit Schlacke 20 abgedeckte Schmelze 10 auf. Die Beheizung erfolgt in bereits beschriebener Weise über eine in die Schlacke 20 eintauchende Elektro­de 22, die mittels der die Druckdurchführung 23 durch­setzenden stromführenden Elektrodenstange 24 im Druckge­fäß 18 bewegt wird. Als Gießvorrichtung dient auch hier ein Schieberverschluß 15, der in einer ebenfalls unter Druck stehenden, mit einem Verschlußorgan 36 verschließ­baren Schieberkammer 40 eingebaut ist. An das Verschluß­organ 36 schließt ein Flansch 37 an, der mit einem Ge­genflansch 38 am Deckel 42 eines Behälters 44 einer Gießkammer 46 druckdicht verbunden werden kann.
  • Zwischen dem Gegenflansch 38 und dem Deckel 42 ist ein Verschlußorgan 41 eingebaut, mit Hilfe dessen die Gieß­kammer 46 druckdicht verschlossen werden kann. Der Innenraum 25 des Schmelzebehandlungsgefäßes 18, die Schieberkammer 40 und die Gießkammer 46 sind an eine Druckzu- und -ableitung 34 -- die auch als Druckaus­gleichsleitung dient -- angeschlossen.
  • Zum Zwecke des Gießens wird in die Gießkammer 46 eine Gießform 16 gestellt, und die Flansche 37, 38 von Gieß­kammer 46 und Schieberkammer 40 werden druckdicht ver­bunden, wobei das Verschlußorgan 41 geöffnet bleibt. Dann wird die Gießkammer 46 auf denselben Druck ge­bracht, der im Behandlungsgefäß 18 herrscht. Das Ver­schlußorgan 36 unter der Schieberkammer 40 kann nun ge­öffnet werden.
  • Damit ist die Anlage gießbereit. Der Gießvorgang wird durch Oeffnen des Schieberverschlusses 15 eingeleitet. Nach dem Abguß wird die Schmelze 10 unter Druck zum Er­starren gebracht. Um das Schmelzebehandlungsgefäß 18 nicht zu blockieren, kann das unterhalb des Verbindungs­flansches 38 zur Schieberkammer 40 eingebaute Verschluß­organ 41 geschlossen werden. Es ist dann möglich, den Druck aus dem Schmelzebehandlungsgefäß 18 und der daran angebauten Schieberkammer 40 abzulassen, die Verbindung der Flansche 37, 38 zwischen Schieberkammer 40 und Gieß­kammer 46 zu lösen sowie entweder letztere mit dem Gußstück oder aber das Behandlungsgefäß 18 zu entfernen und dieses in weiterer Folge für eine neue Behandlung vorzubereiten.
  • Eine andere Möglichkeit stellt das Gießen über ein Siphonrohr 50 dar, wobei die Schmelze 10 vorzugsweise durch einen Ueberdruck im Behandlungsgefäß 18, durch das Siphonrohr 50 gedrückt wird. Die Ausführung gemäß Fig. 3 zeigt das ausgemauerte Druckbehandlungsgefäß 18 mit der Schmelze 10. Anstelle eines Schieberverschlusses ist hier -- von einem tiefsten Punkt im Boden 48 ausgehend -- das Siphonrohr 50 vorgesehen, welches durch ein Verschlußorgan 36 abschließbar ist. Hierzu ist wieder der Flansch 37 für den Anschluß an den Gegenflansch 38 am Deckel 42 der zuvor beschriebenen Gießkammer 46 angefügt. Anschließen und Trennen von Gießkammer 46 und Siphonrohr 50 erfolgt in der zuvor beschriebenen Weise.
  • Bei dieser Anordnung wird das Gießen durch Erhöhung des Drucks im Behandlungsgefäß 18 durchgeführt.
  • Während der Heiz- und Druckbehandlung im Behandlungsge­fäß 18 wird der Auslauf des Siphonrohres 50 durch jenes Verschlußorgan 36 verschlossen gehalten. Wird im Siphon rohr 50 ein höherer Druck als über der Schmelze 10 im Behandlungsgefäß 18 aufrecht erhalten, so kann die Schmelze 10 bis zum Sumpf zurückgedrückt und ein Ein­frieren im unbeheizten Siphonrohr 50 vermieden werden. Alternativ ist es auch möglich, das Siphonrohr 50 induk­tiv warm zu halten.
  • Ist die Schmelze 10 gießbereit, wird wieder die Flansch­verbindung 37, 38 geschlossen und bei offenem Verschluß­organ 41 der Druck in der Gießkammer 46 aufgebaut, bis er demjenigen im Siphonrohr 50 entspricht. Nun kann das Verschlußorgan 36 geöffet werden -- die Anlage ist gieß­bereit. Das Gießen wird nun dadurch eingeleitet, daß oberhalb der Schmelze 10 im Behandlungsgefäß 18 der Druck erhöht wird. Dadurch wird die Schmelze im Siphon­rohr 50 hochgedrückt, bis sie bei 52 über die Kante tritt und in die darunter aufgestellte Kokille 16 läuft. Während des Gießens wird im Behandlungsgefäß 18 der Druck laufend gesteigert, bis die Kokille 16 gefüllt ist.
  • Dann wird der Druck oberhalb der Schmelze 10 abgesenkt, womit der Gießvorgang unterbrochen wird. Nun wird das Absperrorgan 36 geschlossen und -- sofern noch Schmelze 10 im Behandlungsgefäß 18 ist -- der Druck im Siphonrohr 50 erhöht, um die Schmelze 10 wieder zurückzudrücken.
  • Schließen des Absperrorgans 41 und Entlüften des Zwischenraumes kann die Flanschverbindung 37, 38 zwischen Siphonrohr 50 und Gießkammer 46 geöffnet, letztere mit Gußstück gegen eine neue Kammer ausgetauscht sowie abermals -- wie oben beschrieben -- ­angeschlossen und gegossen werden. Ist die Schmelze 10 verbraucht, so wird nach dem Gießen lediglich das Verschlußorgan 41 geschlossen, und Behandlungsgefäß 18 sowie Siphonrohr 50 werden druckentlastet.
  • Anschließend kann die Flanschverbindung 37, 38 gelöst werden, womit die Möglichkeit gegeben ist, das Behand­lungsgefäß 18 für die Aufnahme einer neuen Schmelze 10 vorzubereiten.
  • Im Prinzip kann am Druckbehandlungsgefäß 18 anstelle des Siphons 50 auch seitlich ein Schieberverschluß ange­bracht sein, der wieder in einer eigenen mit einem Ver­schlußorgan abgeschlossenen und mit Druck beaufschlagbaren Schieberkammer untergebracht ist. Eine derartige Anordnung zum Stranggießen von druckbehandelten Schmelzen zeigt Fig. 4. An das Behandlungsgefäß 18 ist ein in eine Druck-Schieberkammer 40e eingebauter Schieber 15 seitlich an der Wand 27 eingebaut. Die Schieberkammer 40e ist wieder mit einem Verschlußorgan 36 verschließbar, an welches ein Flansch 37 anschließt, der mit dem Gegenflansch 38 der horizontal angeordneten Gießkammer 46e druckdicht verschlossen werden kann. Die horizontale Stranggußkokille 16e kann bei geöffnetem Verschlußorgan 36 an den Schieber 15 herangefahren und angeflanscht werden.
  • Nach Oeffnen des Schieberverschlußes 15 kann mit dem Strangabzug begonnen werden. Strangabziehvorrichtung und Schneidvorrichtung -- hier aus Gründen der Uebersichtlichkeit nicht dargestellt -- sind ebenfalls in die Gießkammer 46e eingebaut.
  • Da bei der Erstarrung, d.h. beim Uebergang vom flüssigen in den festen Aggregatzustand, das Lösungsvermögen für Gase im allgemeinen abnimmt, kann es zweckmäßig sein, unmittelbar im Anschluß an den Gießvorgang den Druck in der Gießkammer 46 weiter zu erhöhen, bis zumindestens der entsprechende Gleichgewichtsdruck erreicht und damit eine poren- und blasenfreie Erstarrung sichergestellt ist.

Claims (12)

1. Verfahren zum Herstellen von Gußkörpern, wie Blöcken, Strängen oder Formgußteilen aus Metallen, insbesondere aus Stählen und stahlähnlichen Le­gierungen, welche höhere Gehalte an Elementen mit hohem Dampfdruck oder Gasen aufweisen als bei Atmosphärendruck im schmelzflüssigen Zustand und bei der Erstarrung in Lösung bleiben,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine in einem offenen Schmelzaggregat herge­stellte Schmelze zunächst unter Atmosphärendruck in ein feuerfest zugestelltes beheizbares Behandlungs­gefäß abgegossen, anschließend ein über Atmosphären­druck liegender Gasdruck über der Schmelze aufgebaut und während der gesamten Beheizungs- und Behand­lungszeit aufrecht erhalten wird, die Schmelze kon­tinuierlich gerührt und/oder mittels Gas durchspült wird und entweder durch Durchspülen mit den im gas­förmigen Zustand sich befindlichen Elementen oder Stoffen und/oder durch Zusatz von das Element oder den Stoff enthaltenden Legierungen auf den gewünsch­ten Gehalt an diesem Element oder Stoff gebracht wird, wobei der Gasdruck oberhalb der Schmelze min­destens dem mit dem gewünschten Gehalt der Schmelze im Gleichgewicht stehenden Partialdruck des ent­sprechenden Elementes oder Stoffes entspricht, und daß die Schmelze nach Einstellen der Zusammen­setzung und der Gießtemperatur direkt aus dem Be­handlungsgefäß über ein in geeigneter Weise ver­schließ- und öffenbares Verschluß- und Gießelement in eine ebenfalls unter Druck stehende Kokille, keramische oder metallische Gußform oder Strangguß­kokille abgegossen wird oder, daß die Schmelze di­rekt durch Erhöhung des Druckes über der Schmelze in eine Gießform nach dem Verfahren des Druckgießens gedrückt und der so gebildete Gußkörper erstarren gelassen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze während der Beheizungs- und Behand­lungszeit durch Schlacke überdeckt wird, und/oder daß während der gesamten Erstarrungsphase der Druck über der Gießform aufrecht erhalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß als gasförmiges Element, mit welchem Schmelze legiert wird, Stickstoff eingesetzt wird, und/oder daß die bei Schmelztemperatur und Atmosphärendruck im gasförmigen Zustand sich befind­lichen Elemente ein oder mehrere Element/e der Gruppe 2, bzw. 2.a. des periodischen Systems sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem den Druck er­zeugenden Gas um Stickstoff handelt, oder daß es sich bei dem den Druck erzeugenden Gas um Argon han­delt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Erstarrung der Gas­druck oberhalb des Gußkörpers soweit erhöht wird, daß eine durch einen allfälligen Löslichkeitssprung bei der Erstarrung bedingte Poren- bzw. Gasblasen­bildung vermieden wird.
6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung der Schmelze im Behandlungsgefäß auf induktivem Wege oder mit einem Plasmabrenner oder über eine oder mehrere Grafitelektroden durch einen elektrischen Lichtbogen oder mittels wenigstens einer verzehr­baren oder nichtverzehrbaren, in eine elektrisch leitende Schlacke eintauchenden Elektrode nach dem Elektroschlacke-Heizverfahren erfolgt.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­kennzeichnet, daß eine mit einem Verschluß (15) und einem Spülstein (32) versehene beheizbare Gießpfanne (13) in einem Druckgefäß (12) oberhalb einer Gieß­form (16) angeordnet ist und als Behandlungsgefäß für eine Schmelze (10) dient, oder daß eine mit einem Verschluß (15) und Spülstein (32) ausgerüstete beheizbare Gießpfanne (13) als Behand­lungsgefäß für eine Schmelze in einem Druckgefäß (12) abgesetzt ist, welches unterhalb des Pfannen­ausgusses (14) über ein druckdichtes Verschlußorgan (36) und einen daran anschließenden Flansch (34) verfügt.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­kennzeichnet, daß ein ausgemauertes, beheizbares Be­handlungsgefäß (18) mit einem Deckel (11) druckdicht verschließbar ist sowie mit einem in einer durch ein Verschlußorgan (36) verschlossenen und mit einem Flansch (31) zum Anschluß an eine Druck-Gießkammer (46) versehenen Schieberkammer (40) untergebrachten Schieberverschluß (15) versehen ist, oder daß ein ausgemauertes, beheizbares Behandlungsgefäß (18) mit einem Deckel (11) druckdicht verschließbar ist sowie mit einem etwa vom Gefäßtiefsten (48) seitlich schräg nach oben führenden Siphonrohr (50) versehen ist, welches in Abstand zum Boden (48) wieder in die vertikale Richtung nach unten umgelenkt und dessen Ende durch ein druckdichtes Verschlußorgan (36) verschließbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Siphonrohr (50) etwa in Höhe eines Druck­flansches des Deckels (11) eine durch die Umlenkung gebildete Kante (52) aufweist und in ein etwa verti­kales Ende übergeht und/oder daß an das Verschluß­organ (36) ein Flansch (37) für den Anschluß an eine Druckgießkammer (46) anschließt.
10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einer durch ein Verschlußorgan (15) verschlossenen und mit einem Flansch (37) zum Anschluß an eine Druck-Gießkammer (46, 46e) versehenen Schieberkammer (40) am tiefsten Punkt des Schmelzebehandlungsgefäßes (18) ein Ver­schluß (36) seitlich angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießkammer (46, 46a) zur Aufnahme der Kokille, Gießform (16) oder einer Stranggußanlage für das Gießen unter Druck über einen Flansch (38) zum druckdichten Ver­schließen mit dem Gegenflansch (37) an der Druck­kammer des Gießorgans des Schmelzebehandlungsgefäßes (18) verfügt, wobei gegebenenfalls an den Flansch (38) ein druckdichtes Verschlußorgan (41) an­schließt.
12. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskammer (46, 46e), welche wassergekühlt sein kann, mit der Schmelzebehandlungskammer (13, 18) durch eine Druck­ausgleichsleitung verbunden ist.
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