NO151072B - Fremgangsmaate for aa redusere seigring ved strengstoeping av staal - Google Patents

Description

Ved strengstøping av stål vil det som regel forkomme en seigring, dvs. anrikning av karbon, svovel og andre elementer i det støpte emnets sentrum. Seigringsforholdet tiltar med økende karboninhold, og ved karboninnhold over 0.6 % vil seigringene ofte gi praktiske problemer. Det seigrede materiale i sentrum kan da ha overeutekotoid sammensetning og vil skille ut fri cementitt. Dette er en sprø fase som kan forårsake brudd ved trådtrekking eller på annen måte redusere de mekaniske egenskapene av produktene. Det er derfor ønskelig å kunne redusere seigringene mest mulig.

Det er kjent at seigring kan reduseres ved at man sørger for å ha en overtemperatur på stålet i tundishen (mellomtrakt, fordelerrenne). Temperaturforløpet ved strengstøping er imidlertid avhengig av mange faktorer og er vanskelig å beherske. Enkelte faktorer gir en systematisk variasjon som er kjent og kan forutsies, andre faktorer er mer tilfeldige.

Stålchargene er f. eks. på 50-100 tonn, og tappes ved en temperatur som erfaringsmessig vil gi bra resultat, f.eks. 180-200 K over liquidustemperaturen. Tappingen av ovnen tar 2-5 minutter, avhengig av tappehullets størrelse og om noe ligger og blokkerer det. Temperaturfallet ved tappingen kan variere meget, avhengig av tappetid, strålens tykkelse etc.

Tappeøsen har en tykk, ildfast foring. Denne kan være forvarmet fra 200-1200°C og varmetapet fra stålet til oppvarming av foringen vil variere sterkt. Stål som ligger ut mot foringen vil avkjøles og synke til bunns i øsen. Det oppstår en såkalt stratifikasjon med kaldt stål i bunnen og varmt stål i midten og øverst i øsen. Tiden fra tapping av ovnene til støpingen begynner varierer ofte innen 10-60 minutter, man kan også være lengre. Det er kjent at stratifikasjonene kan fjernes ved f.eks. gassomrøring. Derved avgis mer varme til foring og omgivelsene, temperaturen jevnes ut, men dette medfører et temperaturfall.

Det er også kjent at man kan tilsette skrap i øsen. Skrapet smelter og avkjøler hele chargen, og hvis temperaturen er for høy må temperaturen utjevnes f.eks. ved gassomrøring. Så snart gassomrøringen opphører, inntreffer imidlertid stratifikasjonene igjen, dvs. koldt stål synker langs veggene ned mot bunnen av øsen. Hvor sterk avkjølingen vil være er avhengig av hvilken forvarmingstemperatur foringen i øsen holder.

Støpetiden er vanligvis 50-80 minutter for en charge. Stålet renner fra bunnen av øsen ned i tundishen, hvorfra det renner gjennom små dyser ned i kokillene. Tundish er foret med ildfaste plater, og disse er ofte kolde, men kan også være forvarmet. Stålet renner ut av tappehullet i øsen og faller ca. 0.5 m i luft før det kommer ned i tundishen. Stålet forlater tundishen gjennom 1-6 hull (terninger, dyser) i bunnen, og faller derfra ned i kokillene. Avstanden fra der øsestrålen treffer badet til nærmeste terning i bunnen er 0.5-1.0 m. Pga. fallet fra øsen har det flytende stålet en stor bevegelsesenergi. Det er derfor sterk turbulens i tundishen. Gjennomsnittlig oppholdstid for stålet i tundishen er 2-6 minutter.

Det første stålet som renner ut av øsen når stopperen i bunnen åpnes, har som regel meget lav temperatur, ofte helt nede ved liquidustemperaturen, pga. stratifikasjonen. Temperaturen stiger imidlertid raskt de første minuttene, deretter langsommere. Efter 20-30 min. når temperaturen den høyeste verdi, for så å synke igjen. Ved liten forvarming av øsen kan temperaturfallet under resten au støpingen gå opp i 50 K, men dette kan reduseres til 20 K ved kraftig forvarming. I praksis vil høyeste temperatur under støpingen i gjennomsnitt være 40-50 K over liquidustemperaturen, men spredningen er i virkeligheten fra 0 til ca. 80 K.

Charger med for lav temperatur vil enten ikke klare å varme tundish tilstrekkelig til at støpingen kommer i gang, eller temperaturen vil synke for meget før hele chargen er støpt ut. Dette resulterer i at hele eller deler av chargen må tømmes ut som skrap, med store økonomiske konsekvenser.

For å unngå store seigringer i et høy-karbonstål må støpingen utføres med temperatur 0-20 K over liquidustemperaturen, f.eks. ved 0.7 % C i området 1470-1490°C. Å holde denne temperaturen i tundish kontinuerlig i 50-70 minutter er i praksis meget vanskelig eller umulig av grunner som er beskrevet ovenfor.

Forholdene er søkt belyst ved hjelp av vedlagte figurer la-4b som blir nærmere beskrevet nedenfor.

Fig. 1 a viser et snitt gjennom en kokille og støpt streng. Tegningen er sterkt fortegnet. Strengen kan for eksempel ha et tverrsnitt på 135 mm 4-kt, og lengden av menisken fra ståloverflaten til fullstendig størknet materiale kan vare 8000 mm. Strengen kan også være bøyd med en radius på

6000 mm.

Fig. 1 b viser i prinsipp støpestrukturen slik den kommer frem ved dypbeising av en emnesskive som er støpt ved normal overtemperatur, f.eks. 50DC over stålets liquidustemperatur.

Sentrumseigringenes dannelse kan forklares på følgende måte: Ved størkning av stål skilles det ut faste, grantrelignende krystaller såkalte dendritter. Mellom dendrittene v/il det v/ære en restsmelte. Dendrittene har et lavere og restsmelten et høyere innhold av karbon, svovel etc., enn gjennomsnitts-analysen. Det oppstår derfor en seigring i mikroskala. Ved den videre størkning vil dendritten vokse, og restsmelten vil etter hvert også størkne. Dendritten vokser vesentlig i "stammens" retning. Dette medfører at det stål som fryser mot kokillens vegg vil bestå av små dendritter som ligger i alle retninger. Når disse har vokset tilstrekkelig, vil de støte sammen og hindres i å vokse videre. Bare de dendritter som har en gunstig retning vekk fra overflaten vil kunne vokse videre, og i gunstigste fall helt inn til senteret, se fig. 1 b. Som vist på fig. 1 a vil strengen ved normal overtemperatur under størkningsforløpet ytterst bestå av et fast skall, merket S, innenfor kommer en sone som består av dendritter med mellomliggende restsmelte, merket S/L, og øverst et område med smelte, merket L. Området merket S/L danner et såkalt størkningskrater.

Ved størkningen blir det en volumreduksjon. Dette medfører at det i midten vil dannes hulrom, pipe og sug. Anriket restsmelte vil derfor suges gjennom det kanalsystem som er dannet mellom dendritten og vil samles i sentrum. Seigringene foregår uregelmessig. Sentrumsseigringene varierer derfor sterkt over lengder på 10-200 mm.

Fig. 2 a viser hva som skjer når det støpes uten overtemperatur eller temperatur noe under

liquidustemperaturen. I smeiten vil det finnes frittsvevende utskilte dendritter. Disse vil føres med konveksjonsstrømmer og vil avsette seg på størkningsfrontens vegger og bunn. Restsmelte vil også sperres inne av disse

dendrittansamlingene på forskjellige steder. Volumreduksjonen ved størkningen vil forårsake ras av

dendritter og restsmelte innen størkningskrateret. Ansamlingene av restsmelte vil derfor arte seg som V-seigringer over et stort område av tverrsnittet, men da det ikke er dannet noe kanalsystem av dendritter som peker mot sentrum, vil det bli lite seigring i sentrum. l/-seigringene er betydelig mindre og langt mindre skadelig enn en sentrumssesigring. Fig. 2 b viser i prinsipp hvordan en beiseskive ser ut når emnet er støpt uten overtemperatur.

I praksis vil det være et temperaturfall i løpet av en

støpeperiode slik at det bare er en liten del av en charge som kan støpes ved lav nok temperatur til å unngå sentrumsseigring. Støping ved lav temperatur er derfor ikke vanligvis noen praktisk løsning på problemet.

Et forsøk på å løse problemet etter de nevnte retningslinjer representerer de metoder som benytter seg av elektro-magnetisk omrøring av smeiten. Som vist på fig. 3 a blir det da plassert en induksjonsspole et sted som forårsaker en vertikal eller horisontal strømning i smeiten. Denne vil brekke av dendritter som så skal drysse ned i størknings-krateret. Støpestrukturen blir som vist på fig. 3 b. Denne metode kan være ganske effektiv, men makter ikke å fjerne de seigringer som oppstår ved støping med større

overtemperatur.

Oppfinneren har nå funnet en støpemetode som løser de nevnte problemer. Framgangsmåten ifølge oppfinnelsen er basert på en virkelig nedkjøling og fjerning av overtemperaturen i det flytende stålet. Dette kan gjøres ved å tilsette kaldt, fast stål fortrinnsvis skrap i form av tråder, stenger, oppkappede biter eller lignende direkte i tundish (fordelerrennen, mellomtrakt) eller direkte til kokillen eller kokillene.

Metoden forklares enklest ved å beskrive følgende forsøk som ble utført ved strengstøping av en charge med 0.36 % C. Strengen hadde et tverrsnitt på 135 mm 4-kt. Støpehastigheten var ca. 2 m/min, eller ca. 280 kg stål pr. minutt pr. streng. Temperaturen i tundishen ble målt til 1555°C, hvilket er ca. 60°C over stålets liquidustemperatur. For kjøling ble brukt 5.5 mm valsetråd som ble matet ned i kokillen. På forhånd var tråden beiset ren for glødeskall og nøytralisert i boraxoppløsning.

Valsetråden ble ført ned i kokillen så hurtig som motstanden i størkningskrateret tillot, se fig. 4 a, hvor valsetråden er merket R. Hastigheten ble i gjennomsnitt 11.6 m pr. minutt, dvs. 2.16 kg pr. minutt eller 0.77 % av støpt mengde. Ved tilsetningen frøs det på en hylse av stål rundt tråden, ca. 15 mm i diameter. 2 til 3 meter under overflaten var tråden blitt så varm at den brakk av. Stumpene ble stående i størkningskrateret som vist på fig. 4 a. Fig. 4 b viser i prinsipp den oppnådde støpestruktur i emnet. Strukturen besto av langstrakte dendritter til en tykkelse av 25-30 mm .fra overflaten, innenfor besto strukturen av små likeaksede dendritter som var orientert i alle retninger. Det var lite porer og seigring i sentrum, men mange små V-seigringer kunne sees over en større del av tverrsnittet. Valsetråden med påfrosset hylse kunne finnes igjen i beiseskiven. Dette viser at trådtilsetningen har kjølt smeiten slik at overtemperaturen var borte slik at tråden med det påfrosne skallet ikke selv smeltet. I og med at tråden ikke smelter, kan det ikke skje noen blanding av tilsetningen og det øvrige stål. Dette krever derfor at tilsetningen må ha en sammensetning som ikke avviker vesentlig fra smeltens sammensetning. Det er derfor fordelaktig å bruke skrapet valsetråd i samme kvalitet som det stål som støpes.

Det ble samtidig tatt prøve at en emnestreng som var støpt på vanlig måte. En beiseskive fra denne så ut som vist på fig. lb.

For å bestemme seigringene ble det boret spon for karbon-analyse med 7 mm 0 bor (0.2 % av emnetverrsnittet), 7 mm dype hull med 7-8 mm mellomrom i pipen i emnets lengderetning. Når det ikke var synlig pipe ble emnets varmesentrum funnet ved å beise prøven, og boret plassert der. Prøver ble tatt over en lengde av 150-200 mm.

Resultatet vises på fig. 5. Kurve A viser seigringsgraden. i prøven uten tilsetning, kurve B viser prøven med tilsetning av valsetråd.

Seigringsgraden, I, er definert som forholdet mellom karboninnholdet i prøven fra emnets pipe eller varmesentrum og chargeanalysen:

Av størst betydning er den maksimale seigringsgrad, Imax, som kan opptre. Av den grunn er middelverdi, I, og standard avvik, sl, beregnet. Av statistiske grunner skal bare 0.13 % av prøvene ha større seigring enn

Forsøket ga følgende resultat:

Uten tilsetning Med tilsetning av valsetråd: av valsetråd:

Resultatet viser at tilsetningen av valsetråd har redusert den maksimale seigring til omtrent det halve. Ved anvendelse av skrap i form av oppkappede biter el. tilsettes skrapet like ved støpestrålen fra øsen, da resten av ståloverflaten er dekket av en slagg. Skrapet vil pga. sin størrelse og tyngde synke rett til bunns og bli liggende der. Skrapet vil ikke komme videre før det har smeltet. Det smeltede skrapet vil så dråpevis blande seg momentant med resten av stålet pga. den intense turbulensen som er i nærheten av strålen fra øsen.

For å unngå seigringer må temperaturen i tundish være 0-20 K over stålets liquidustemperatur. For å komme ned i dette temperaturområde innen rimelig tid kan det være nødvendig med meget store tilsetninger umiddelbart etter støpingens begynnelse. Dette lar seg gjøre ved anvendelse av skrap, da det ligger i ro til det har smeltet.

Ved egne forsøk i et strengstøpeanlegg som støpte 1000 kg stål pr. minutt er det fastslått at en tilsetning av 5.8 kg skrap pr. minutt (0.58 %) senker temperaturen 10 K, som tilsvarer den teoretiske verdi. Det er utført forsøk hvor temperaturen ble senket hele 60 l< over lengre tid ved tilsetning av ca. 3.5 % skrap.

Støpeanleggets kapasitet ble betydelig øket ved anvendelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen . Ved å tilsette kaldt stål til kokillen får man nemlig en ekstra kjøling av strengens indre som forårsaker en tidligere størkning og derved gjøre det mulig å øke støpehastigheten. Dette gir en kapasitetøkning som er vesentlig større enn det tilsats-mengden representerer.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte for å redusere seigring ved strengstøping av stål, karakterisert ved at overtemperaturen i det flytende stål senkes ved tilsetning av kaldt, fast stål, fortrinnsvis skrap i form av tråder, stenger, oppkappede biter eller lignende direkte i tundish (me1lomtrakt, fordelerrenne) eller direkte i kokillen eller kokillene.