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Verfahren zum Entgasen einer niedrig legierten Stahlschmelze Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Entgasen einer niedrig legierten Stahlschmelze folgender
Zusammensetzung C ...... 0,35 bis 0,600l0 Mn .... 0,65 bis 1,00% Si ......
0,20 bis 0,351)/o Ni ..... 0,40 bis 2,00010 Cr ..... 0,40 bis 1,100/0 Mo
.... 0,15 bis 0,350/0 innerhalb eines zulässigen Temperaturabfalls des Stahls in
einer Gießpfanne, deren Höhe im wesentlichen gleich ihrem Durchmesser ist, bei dein
zunächst eine erhebliche Menge der auf der Oberfläche der Schmelze befindlichen
Schlacke entfernt und dann die Schmelze in Abwesenheit von Aluminium einem Vakuum
ausgesetzt wird.
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Ein Stahl der vorstehend aufgeführten Zusammensetzung ist grundsätzlich
bekannt.
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Auch ist bereits ein Verfahren der vorstehend genannten Art bekannt,
das aber nicht in einem Behälter mit den angegebenen Abmessungen und in der genannten
Zusammensetzung durchgeführt werden muß. Bei diesem Verfahren wird ein Vakuum zwischen
4 und 15 mm Hg-Säule unter gleichzeitiger Einleitung von Spülgas aufrechterhalten.
Der Zeitraum, über den das Vakuum aufrechterhalten wird, wird jeweils von der Bedienungsperson
durch Entnahme von Proben oder auf Grund persönlicher Erfahrung festgelegt. Die
Einleitung von Spülgas erfolgte hauptsächlich deswegen, um eine ScHchtbildung innerhalb
der Schmelze zu verhindern, durch welche Schichtbildung bedingt ist, daß die Schmelze
in den unteren Bereich der Gießpfanne unzureichend oder überhaupt nicht entgast
wird.
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Weiterhin sind Gießpfannen zur Vakuumbehandlung von Stahlschmelzen
bekannt, die die Abmessungen aufweisen, die vorstehend angegeben wurden. In Verbindung
mit diesen Gießpfannen ist aber kein Verfahren bekanntgeworden, wie es eingangs
beschrieben wurde. Beispielsweise wurde mit diesen Pfannen nicht mit von der Oberfläche
der Schmelze entfernter Schlacke gearbeitet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art zu schaffen, das mit einem tragbaren Wärmeverlust während des Entgasens
und ohne Einleiten von Spülgas arbeitet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß ein Vakuum von mindestens 2 mm Hg-Säule über einen in Minuten ausgedrückten
Zeitraum aufrechterhalten wird, der dem Quadrat der Höhe der Schmelze in Zentimetern
proportional ist, wobei der Proportionalitätsfaktor den Wert von 0,3 annimmt.
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Hierdurch ist es möglich, eine schwach legierte Stahlschmelze so gut
zu entgasen, daß ein Stahl erzeugt wird, der demjenigen entspricht, der bisher nur
bei Verwendung von Spülgas erzeugbar war, ohne daß eine Wärmezuführung von außen
notwendig ist. Der Bedienungsperson wird also eindeutig gesagt, wie lange die Vakuumbehandlung
in dem niedrigen Bereich von 2 mm Hg aufrechterhalten werden muß. Der mit 0,3 angegebene
Proportionalitätsfaktor kann selbstverständlich, bedingt durch die rauhen Betriebsverhältnisse,
in einem angemessenen Bereich schwanken.
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Insbesondere ist es von Vorteil, daß ohne zusätzliche Wäimezufuhr
gearbeitet werden kann, da die hierzu verwendeten Vorrichtungen sehr aufwendig sind.
Häufig werden elektrische Heizspulen verwendet, die jedoch mit Wasser gekühlt werden
müssen, wodurch die Gefahr bedingt ist, daß bei Auftreten eines Fadens an der Heizanlage
Explosionen auftreten.
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Auch wird eine Überhitzung der Schmelze vor dem Eingeben in die Gießpfanne
vermieden, welche Überhitzung von Nachteil ist, da die Pfannenauskleidung stark
angegriffen und damit die Lebensdauer herabgesetzt wird.
Das erfindungsgemäße
Verfahren wird in vorteilhafter Weise mit einer Temperatur von etwa 1705'C
in die Gießpfanne gegeben. Diese Temperatur ist hoch genug, um die Wärmebehandlung
in dem vorstehend festgelegten Zeitraum mit dem Stahl der genannten Zusammensetzung
ohne zusätzliche Wärme zuvor durchzuführen.
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Weiterhin ist es von Vorteil, derart zu arbeiten, daß am Ende der
Einwirkung des Vakuums eine Schicht aus inerter Schlacke auf die Oberfläche der
Schmelze aufgegeben wird. Die Schlacke besteht hierbei in vorteilhafterweise aus
einem Material, welches bei Berührung mit dem Stahl nicht ohne weiteres den Stahl
verunreinigende Gase, wie z. B. Wasserstoff, Sauerstoff oder Stickstoff, entwickelt.
Wenn eine derartige synthetische Schlacke nach Beendigung des Entgasungsvorgangs
oder nachdem dieser im wesentlichen beendet ist, zugegeben wird, kann die Vakuumanlage,
die vorzugsweise mit Dampfejektoren arbeitet, ohne weiteres das von der Schlacke
abgegebene Gas bewältigen. Die nach der Entgasung zugegebene Schlacke wirkt in erster
Linie als wärmeisolierende sowie auch als gasabsorbierende Schicht, d. h. daß die
Schlacke durch Strahlung an der Oberfläche der Schmelze verursachte Wärmeverluste
verhindert, wenn das Metall nach Beendigung des Entgasungsvorgangs der Außenluft
ausgesetzt wird, und daß sich diese Wirkung der Schlackenschicht bis zum Ende des
nachfolgenden Abgießvorgangs günstig auswirkt. Hinzu kommt, daß die Schlacke selbst
im wesentlichen oder vollständig am Ende des Entgasungsvorgangs gasfrei ist und
hierdurch das Wiedereindringen von Gasen in die Schmelze verhindert, wenn diese
nach der Bearbeitung im Vakuumgefäß bis zum nachfolgenden Abguß mit der Außenluft,
in Berührung kommt. Bei den bisher bekannten Verfahren wurde dagegen die Wirkung
des Entgasungsvorgangs zumindest in der oberen Hälfte der Schmelze dadurch wiederaufgehoben,
daß das Metallbad nach der Entgasung unmittelbar der Außenluft ausgesetzt wurde.
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Auch ist es möglich, die Gießpfanne gegen Ende der Vakuumbehandlung
mit einem inerten Gas, beispielsweise mit Stickstoff, zu fluten. Hierdurch wird
die entgaste Schmelze vor einer unnötigen Einwirkung der Atmosphäre geschützt, wodurch
die erneute Aufnahme von verunreinigenden Gasen verhindert wird. Auch wird die Sicherheit
der Anlage dadurch erhöht, weil die Explosionsgefahr herabgesetzt wird.
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Der Entgasungsvorgang wird durch die Anwesenheit von Aluminium oder
anderen Desoxydationsmitteln erheblich behindert. Aluminium ist bekanntlich ein
derartiges Desoxydationsmittel und hat die Neigung, sich mit Sauerstoff zu-A1203
zu verbinden. Wenn sich der Sauerstoff in der Schmelze mit Aluminium verbindet,
wird das sogenannte »Kochen« des Kohlenmonoxyds, das eine wichtige Rührwirkung hervorruft,
erheblich herabgemindert, und die Wirksamkeit der Entgasung nimmt beträchtlich ab.
Die Wirksamkeit des Entgasungsvorgangs wird also dadurch unterstützt, daß sich freier
Kohlenstoff mit freiem Sauerstoff in der Schmelze verbindet und auf diese Weise
das »Kochen« von Kohlenmonoxyd entsteht. Wenn die CO-Gasblasen in der Schmelze aufsteigen,
wird die Schmelze durchbewegt und die Bildung von verschieden weitgehend enl gasten
Schichten in der Schmelze vermieden.
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Da diese vorteilhafte Wirkung des Kohlenmonoxyds jedoch bei Anwesenheit
von Aluminium oder anderen Desoxydationsmitteln nicht eintritt, ist es erforderlich,
derartige desoxydierende Stoffe von der Schmelze fernzuhalten. Zur Erläuterung wird
nachstehend eine Analyse von FX- und 4340-Elektroofenstahl gegeben:
| FX-Stahl 4340-Stahl |
| (maximal 0,25 °/o P und (maximal 0,25 °/o P und |
| maximal 0,25 °/o S) maximal 0,25 °/o S) |
| C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,50 bis
0,600/, 0,38 bis 0,430/, |
| Mn .-. . .. . . . . . . . . . . . . . 0,65 bis 0,900/0
, 0,65 bis 0,850/0 |
| Si .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,20 bis
0,350/, 0,20 bis 0,350/, |
| Ni .......... ........ 0,80 bis 1,000/0 1,65 bis 2,000/0 . |
| Cr .................... 0,80 bis 1,100/0 0,70 bis 0,900/0 |
| Mo -. . . . . . . . . . . . - . . . . . . 0,25 bis 0,350/0
0,20 bis 0,300/0 |
In -der nachfolgenden Aufstellung sind die Zeiten in Minuten angegeben, die zur
Entgasung von FX-Stahlschmelzen verschiedener Höhe, d. h. bei Verwendung verschieden
großer Gießpfannen, erforderlich waren:
| Höhe der Schmelze |
| in der Pfanne Mindestzeit Höchstzeit Richtzeit |
| für FX-Stahl Größe der Charge |
| (cm) (Minuten) (Minuten) (Minuten) (t) |
| 60 0,64 5,8 1,4 2,5- |
| _ 114 - 2,25 20,0 5,0 35,0 |
| 137 3,2 29,0 7,2 35,0 |
| 165 4,7 42,0 10,6 60,0 |
Wenn es die Zeit erlaubt; sollte der Stahl etwa doppelt so lange unter der Wirkung
des Vakuums bleiben, wie sich aus der Spalte »Richtzeit« der obigen Aufstellung
ergibt. Insbesondere ist diese verlängerte Verweilzeit bei größeren Chargen vorteilhaft.
Nachstehend
werden die nach der Behandlung von FX- und 4340-Stählen von etwa 2270 kg bzw. in
einigen Fällen auch von etwa 31750 kg betragenen Chargen ermittelten Gasgehalte
aufgeführt:
| Einwirkzeit Temperatur Zeit (Minuten) |
| Charge Nr. Endgasgehalt (ppm) (Minuten) |
| (Art) des Vakuums beim Abstich von Abstich |
| H, I N$ I O$ von 2 mm Hg (° C) bis Abguß |
| 113867 1,5 29 51 2 1710 15,30 |
| (FX) (D) 1,1 29 35 |
| 213773 1,5 21 25 2 1710 14,6 |
| (FX) (D) 1,4 25 34 |
| 213765 1,2 28 66 |
| (FX) (D) 1,4 27 53 2,5 1720 14,6 |
| (T) 1,1 27 28 |
| 113844 2,0 26 71 |
| (8640)** (D) 1,7 31 47 2,0 1705 18,0 |
| (T) 1,8/1,6 27 37 |
| 213758 1,6 25 44 2,0 1710 19,6 |
| (FX) (D) 1,6 23 30 |
| 213755 1,4 28 50 2,0 1735 14,9 |
| (4340) (D) 1,2 39 44 |
| 213751 1,1 25 31 4,0 1710 22,1 |
| (FX) (D) 1,1 26 38 |
| 213765 (S) 1,2 27 49 2,5 1720 14,6 |
| (FX) (L) 1,4 24 36 6,0* 1670 25,8 |
| 213773 (S) 1,4 23 30 2,0 1710 14,6 |
| (FX) (L) 1,6 24 31 5,0* 1680 25,6 |
| (D) Zweifache Analyse. ** Zusammensetzung von Stahl Nr. 8640: |
| M Dreifache Analyse. C ..... 0,38 bis 0,43 °/o |
| Mn .... 0,75 bis 1,00 °/o |
| (S) Durchschnittsanalyse von entgasten 2270 kg. Si
..... 0,20 bis 0,35 °/o |
| (L) Durchschnittsanalyse von entgasten 31750 kg. Ni
.... 0,40 bis 0,70 °/o |
| Cr .... 0,40 bis 0,60 °/o |
| '" Zeitdauer in Minuten des Vakuums von weniger als
1 mm Hg. Mo .... 0,15 bis 0,25 °/o |
Bei allen in der vorstehenden Tabelle aufgeführten Chargen betrug die Höhe der Schmelze
60 cm.
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Ein anderer wichtiger Faktor, der sich bei der Durchführung des Verfahrens
herausgestellt hat, ist die Ausbildung des Gefäßes, in dem die Metallschmelze entgast
wird. Es hat sich gezeigt, daß die besten Ergebnisse dann erzielt werden, wenn die
Höhe des Gefäßes und sein Durchmesser einander etwa gleich sind. Es ist anzunehmen,
daß einer der Gründe, daß bei Einhaltung dieser Bedingung so gute Ergebnisse erhalten
werden, der ist, daß die Wärmeverluste bei einem Gefäß der genannten Abmessungen
ein Minimum annehmen, weil das beste Verhältnis zwischen dem Vakuum ausgesetzter
Oberfläche der Schmelze und Rauminhalt vorliegen. Ein derartiges Gefäß hat unter
allen zylindrischen Behältern die im Verhältnis zu seinem Rauminhalt geringste Oberfläche.
Da in der Mehrzahl der Fälle das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung einer
Gießpfanne als Behälter beim Entgasungsvorgang durchgeführt werden wird, die sich
wie eine derartige übliche Gießpfanne trichterartig nach oben erweitert, ist bei
der Anwendung der obigen Berechnungsformel der mittlere Durchmesser der Pfanne zugrunde
zu legen.