DE1483647B2 - Beheizung für einen Schmelzofen in einer Vorrichtung zum Herstellen von stickstofflegierten Gußblöcken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Beheizung für einen Schmelzofen in einer Vorrichtung zum Herstellen von siickstofflegierten Gußblöcken unter Hochdruck von bis etwa 100 bar, wobei in einem Hochdruckbehälter der Schmelzofen und eine Kokille angeordnet sind und der Gußblock nach dem Prinzip des langsam wachsenden Blockes aufgebaut wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine geeignete Beheizung eines Schmelzofens in einer Vorrichtung zum Herstellen von solchen Blöcken zu schaffen, wobei ein hoher Stickstoffgehalt erzielt wird, der über den bei Atmosphärendruck im flüssigen Stahl löslichen Gehalt hinausgeht.

Diese Aufgabe äst gestellt durch die wachsende Bedeutung des Stickstoffes als Legierungselement. Während durch die üblichen Herstellungsverfahren unbeabsichtigt Stickstoffgehalte von einigen hundertste! Prozent in den Stahl gelangen, wird in neuerer Zeit der Stickstoffgehalt in der laufenden Erzeugung von genormten, d. h. von einem weiten Verbraucherkreis benutzten, Stählen auf einige zehntel Prozent angehoben. So enthält z. B. der bekannte amagnetische rostfreie Baustahl -X4 CrNIMoN 1814-(Werkstoff-Nr. 3952, nach der Stahleisenliste, herausgegeben vom Verein Deutscher Eisenhüttenleute in Düsseldorf) Stickstoffgehalte von ca. 0,2%.

Derzeit findet aber die Anwendung des Stickstoffes

ίο eine Grenze durch seine Löslichkeit im flüssigen Stahl bei atmosphärischem Druck, die unter günstigsten Umständen Höchstgehalte von 0,4% ermöglicht. Noch höhere Gehalte von beispielsweise 1,00% sind, wie auch aus der Literatur hervorgeht, äußerst erwünscht wegen der vorzüglichen Festigkeitseigenschaften derart legierter z. B. rostfreier Stähle; sie lassen sich aber großtechnisch noch nicht einwandfrei herstellen.

Es ist bekannt (Frehser, Kubisch, Berg- u. hüttenmännische Monatshefte 108 [1963] 369/380), daß man durch Behandeln von Stahlschmelzen mit Stickstoff unter erhöhtem Druck in diesen Schmelzen Stickstoffwerte erreichen kann, die weit über das bei Erschmelzung unter Atmosphärendruck übliche Maß hinausgehen. Ist A der unter dem Atmosphärendruck p_o bei gegebener Stahlzusammensetzung maximal einstellbare Stickstoffgehalt, dann kann man bei Erhöhung des Druckes auf den Wert ρ den Stickstoffgehalt bis auf etwa A ■ ρ Ip₀ erhöhen (sievertsches Gesetz).

Damit dieser erhöhte Stickstoffgehalt nicht bei der Erstarrung verlorengeht, muß man die Schmelze auch unter erhöhtem Druck abgießen und erstarren lassen. Die so hergestellten Stahlblöcke zeigen im allgemeinen ähnliche Fehler wie Blöcke aus konventionell erschmolzenen Stählen, nämlich Seigerungen, Kernungänzen, Lockerstellen usw. Diese Fehler sind gerade bei hochdrucklegierten Schmelzen wegen der vergrößerten Gefahr der Gasausscheidung besonders ausgeprägt und nehmen mit zunehmender Blockgröße zu. Es ist demnach äußerst erstrebenswert, solche Stähle nicht nur in der bisher bekannten Weise in kleinsten Blöcken und Gußstücken herzustellen, die mit den genannten Fehlern behaftet sind.

So sind die Anwendung von Hochdruck bis zu etwa 20 bar zur Herstellung von Stählen mit höchsten Stickstoffgehalten und das schnelle Vergießen so legierter Stähle unter Hochdruck in konventionelle Kokillen bekannt (Fresher, Kubisch, Berg- und

so hüttenmännische Monatshefte 108 [1963] 369/380).

Die österreichische Patentschrift 233 752 erwähnt,

daß man einen Vakuum-Lichtbogenofen auch mii Schutzgas der verschiedensten Drücke oder mit einer mit dem Schmelzgas reagierenden Atmosphäre betreiben kann. Obwohl ein solcher Ofen unter Vakuum, Schutzgas oder Reaktionsgas arbeitet, kann hieraus keine Lehre für die Herstellung von Stählen mit höchsten Stickstoffgehalten von z. B. 4% entnommen werden. Denn wie schon der Name sagt, wird ein solcher Ofen im Vakuum, d. h. bei Drücken unier 1 bar betrieben. Bereits bei Drücken von etwa 1 bar wird der Betrieb der Lichtbogenheizung problematisch, und für Hochdruckanwendungen äst das Verfahren völlig ungeeignet. Es führt nämlich zu einem Abbau der zuvor durch Hochdruckbehandlung eingestellten hohen Stickstoffgehalte von bis zu 4 %. Aus Versuchen der Anmelderin geht hervor, daß die höchsten Siickstoffgehalte, die sich mit einem unter annä-

hemd 1 bar mit N₂ betriebenen Vakuumlichtbogenofen einstellen lassen, etwa 0,24% bei Legierungen mit hoher N₂-Löslichkeit liegen. Für das in der genannten Patentschrift erwähnte Elektronenstrahlschmelzen, das ebenfalls den Verfahrensschritt 4 anwendet, gilt das Gesagte in noch stärkerem Maße, da hier nicht einmal ein Betrieb unter Gasdruck von annähernd 1 bar möglich ist, sondern nur unter wesentlich niedrigeren Drücken.

In der Z. f. Metallkunde 52 (1961) 5, Seite 306, rechte Spalte, ist z. B. unter c) angegeben, daß bei 10 "⁵ Torr gearbeitet wird. Lediglich für allerkleinste Proben wäre ein Arbeiten unter »höheren« Inertgasdrücken von 100 bis 1000 Torr möglich (Z. f. Metallkunde 52 [1961] 5, Seite 306, linke Spalte).

Die Verwendung einer im wesentlichen parallel zur Kokillenlängsachse verlaufenden Erstarrungsrichtung ist zwar auch noch aus weiteren Arbeiten bekannt, z.B. aus Metallwissenschaft und Technik 14 (1960) 5, S. 401 bis 406. Eine Lehre zur Anwendung für hochdrucklegierte Schmelzen kann aber hieraus nicht entnommen werden, da die in der einschlägigen Literatur geschilderten Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung hochstickstoffhaltiger Blöcke unbrauchbar sind.

In der deutschen Patentschrift 1041255 heißt es, zum Vakuumlichtbogenofen, Schmelzen in inertem Gas »In der Lichtbogenschmelzzone kann deshalb ein höherer Druck herrschen (10 bis 100 Torr)«; demgegenüber aber bezieht sich die Anmeldung auf einen wenigstens 35mal so hohen Druck.

Die Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine unter Hochdruck arbeitende Korpuskularstrahlquelle z. B. in Form eines Plasmabrenners oder einer Ionenquelle, zur Erzeugung eines Stickstoff-Ionen-haltigen Plasmas für die Beheizung der Schmelze vorhanden ist.

Ferner ist als Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnend, daß die Korpuskularstrahlquelle mittels elektromagnetischer und/oder mechanischer Hilfsmittel auf den Badspiegel in der Kokille gerichtet wird.

Eine weitere erfinderische Lehre ist auch, daß weitere elektromagnetische und/oder mechanische Hilfsmittel in den Plasmastrom gesteuert über den Badspiegel führen, und daß eine Schicht elektrisch leitender flüssiger Schlacke zwischen Metall-Badspiegel und Plasmastrom vorhanden ist, deren Oberfläche beheizt wird und daß ein Teil des Plasmas Plasma aus einer weiteren Korpuskularstrahlquelle zum Beheizen oder Erzeugen der Schmelze dient.

Ein weiteres ausgestaltendes Kennzeichen ist es, daß die Einrichtung zum Einbringen von Schmelze in die Kokille aus einem Plasmastrom besteht, der solche Werkstoffe aufschmilzt, die in fester Form in den Druckbehälter eingebracht werden.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung im Aufriß geschnitten schematisch dar;

Fig. 2 stellt eine weitere Vorrichtung dar, bei der bereits erstarrte Blöcke aus stickstofflegiertem, unter Hochdruck p>p₀ erschmolzenem und vergossenem Stahl erneut aufgeschmolzen und zu neuen Blöcken langsam vergossen werden, und

Fig. 3 stellt eine modifizierte Vorrichtung zur Beheizung des oberen Endes des sich bildenden Gußblockcs dar, mit denen außerdem ein Aufschmelzen des in fester Form vorliegenden stickstofflegierten Einsatzgutes möglich ist.

In Fig. 1 befindet sich die unter erhöhtem Druck mit Stickstoff legierte Schmelze 111 in einem feuerfest ausgekleideten Behälter 112. Dieser Behälter kann

S mit dem Behälter identisch sein, in welchem die Schmelze hergestellt bzw. mit Stickstoff legiert wurde, öderes kann sich um einen nur zum Gießen dienenden Zwischenbehälter handeln. Der Behälter 112 kann zwecks Warmhalten der Schmelze 111 beheizt werden.

In Fig. 1 erfolgt die Heizung über eine mit einer Wechselstromquelle 113 verbundene Induktionsspule 114. Statt dessen oder zusätzlich kann auch eine Heizung mittels elektrischen Lichtbogens, mitteSs Plasma-

»5 oder Ionenstrahlen, oder mittels Wärmestrahlung, z.B. über aufgeheizte Grafitelemente, vorgesehen sein. In F i g. 1 ist zur Illustration ein Hochdruck-Plasmabrenner 115 eingezeichnet. Eine Heizungmitsauerstoffhaltigen Verbrennungsgasen ist dagegen nicht

so ratsam, da hierbei die Schmelze 111 verunreinigt wird. Mittels dem Fachmann geläufiger Techniken, z. B. wie in Fig. 1 angedeutet, durch kontrolliertes Kippen des Behälters 112, kann der Behälter 112 beliebig langsam in eine Kokillenanordnung 101 vergossen werden, die sich zusammen mit dem Behälter 112 in einem allseits geschlossenen Druckbehälter 106 befindet, in dessen Innenraum ein Stickstoffpartialdruck ρ ι über die Stickstoffquelle 119 aufrechterhalten wird, der etwa dem Behandlungsdruck ρ entspricht. Bei der

Kokillenanordnung 101 kann es sich um eine oder mehrere unten geschlossene Kokillen handeln, von der Art in Fig. 1 - um eine unten offene Kokille zur Herstellung eines nach unten abziehbaren Gußstranges 107. Dieser Gußstrang kann bis zu seiner größten (sich aus dem Gewicht der Schmelze 111 ergebenden) Länge innerhalb des Druckbehälters 106 verlaufen, so wie in Fig. 1 dargestellt. Es kann aber auch durch eine statische oder dynamische Dichtung hindurch* aus dem Druckbehälter 106 herausgeführt werden. Das obere Ende 103 des Gußstranges 107 wird durch Zusatzbeheizung flüssig gehalten; diese Zusatzbeheizung erfolgt erfindungsgemäß mittels einer elektrischen Korpuskularstrahlheizung. Dabei werden in einem Korpuskularstrahlgenerator 109 erzeugte Korpuskularstrahlen 104 auf die Oberfläche 103 des Gußstranges 107 gerichtet. Vorzugsweise verwendet man Stickstoffionenstrahlen oder Stickstoffplasmastrahlen zur Aufheizung des oberen Endes des Gußstranges. Der Korpuskularstrahlgenerator 109 stellt dann eine

Hochdruckionenquelle oder einen Hochdruckplasmabrenner dar.

Bei letzterem kann z. B. mittels einer Hilfsspannungsquelle 116 ein von dem Korpuskularstrahlengenerator 109 in Richtung auf den Gußstrang ausgehender Weg ionisierten Gases gebildet werden, dem durch Anlegen einer der Quelle 117 entnommenen Gleichoder Wechselspannung zwischen Oberende 104 des Gußstranges 107 und Korpuskularstrahlengenerator 109 beliebig viel zusätzliche Energie zugeführt werden kann.

Erfindungsgemäß führt man der im Behälter 112 befindlichen Schmelze 111 soviel Heizenergie, z.B. mittels der Induktionsspule J14 zu, daß die Schmelze während des gesamten Gießvorganges auf konstanter Temperatur bleibt. Diese Temperatur soll im folgenden »Gießtemperatur« genannt werden. Gleichzeitig beheizt man das Oberende 103 des Gußstranges 107 mittels der Korpuskularstrahlen 104 so stark, daß die-

ses Oberende 103 flüssig und ebenfalls annähernd auf »Gießtemperatur« bleibt. Eine stärkere Überhitzung des Oberendes 103 über die »Gießtemperatur« hinaus ist im allgemeinen nicht nötig, kann jedoch in Einzelfällen aus metallurgischen Gründen angebracht sein. Die Absenkgeschwindigkeit des Gußstranges 107 bzw. in dem Falle unten geschlossener Kokillen die Füllgeschwindigkeit dieser Kokillen, richtet sich nach der Ausleergeschwindigkeit des Behälters 112. Eine besonders homogene Blockstruktur wird erreicht, wenn man die Ausleergeschwindigkeit und die Stärke der Korpuskularstrahlheizung der Kokillenanordnung

101 so wählt, daß sich ein nur flacher flüssiger Sumpf

102 am Oberende 103 des Gußstranges 107 erhält, so daß sich eine bevorzugt in Richtung der Gußstrangachse 108 verlaufende Erstarrung ergibt. Eine von unten nach oben gerichtete Erstarrungsgeschwindigkeit in der Achse 108 des Gußstranges von etwa 0,1 Millimeter pro Minute bis zu etwa 25 Millimeter pro Minute führt dabei erfahrungsgemäß zu besonders dichten und in ihren Eigenschaften isotropen Blöcken bzw. Gußsträngen, so wie dies schon für die Erstarrung des Blockes T in Kokille 2' an Hand von Fi g. 1 erläutert wurde. Selbstverständlich kann man in der gegebenen Anordnung auch schneller gießen. Dann bekommt man aber analog zu dem für die Erstarrung des Blockes 7 in Kokille 2 erläuterten Verhalten eine bevorzugt vom Blockrand bzw. Gußstrangrand zur Achse hin verlaufende Erstarrung. Wo ein so erstarrter Stahl den Anforderungen genügt, kann man das schnellere Gießen der größeren Wirtschaftlichkeit wegen natürlich bevorzugen.

Wenn man sehr langsame Gießgeschwindigkeiten und damit Erstarrungsgeschwindigkeiten bei dem an Hand von Fig. 2 beschriebenen Verfahren erreichen will, muß man verhältnismäßig viel Energie zum Warmhalten der im Behälter 112 befindlichen Schmelze 111 aufwenden. Insbesondere bei größerem Gewicht G der Schmelze 111 können die pro kg Schmelzengewicht aufgewendeten Warmhalteenergiemengen W (kWh/kg) dann den Betrag S (kWh/ kg) überschreiten, der nötig ist, um kalten Stahl aufzuheizen, zu schmelzen und auf die genannte »Gießtemperatur« zu überhitzen. Wenn die Warmhalteenergie W (kWh/kg) den Betrag S (kWh/kg) überschreitet, wird es wirtschaftlicher, den Stahl zunächst auf herkömmliche Weise schnell zu vergießen und diese schnell vergossenen Blöcke dann mit derjenigen Geschwindigkeit wieder aufzuschmelzen, welche der gewünschten »Gießgeschwindigkeit« bzw. Kokillenfüllgeschwindigkeit dL/dt entspricht. Dieses Wiederaufheizen erfolgt in der dem Fachmann geläufigen Weise durch Korpuskularbestrahlung (z. B. Lichtbogenoder Plasmabeheizung), durch indirekte Beheizung, durch Wärmestrahlung, durch Widerstandserhitzung oder durch Eintauchen in ein wärmeübertragendes Medium wie flüssige Schlacke.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 skizziert. Hier werden Abschmelzstäbe 311 nacheinander durch eine Vorschubvorrichtung 313 seitlich in den Bereich einer Korpuskularstrahlung 304 hineingeschoben.

Infolge Korpuskularstrahlbeschuß schmelzen die

ίο Abschmelzstäbe 311 an ihrem Ende 312 auf und tropfen in die unter diesem Ende angeordnete Kokillenanordnung 301, welche der Kokillenanordnung 101 entspricht, wie sie in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben wurde. Die Korpuskularstrahlen werden mittels

eines Korpuskularstrahlgenerators 309 erzeugt, der z. B. ein Plasmabrenner oder ein Ionenstrahler sein kann. Ein Teil der vom Generator 309 erzeugten Strahlen 304 dient zum Abschmelzen der Abschmelzstäbe 311, der Rest zum Flüssighalten des oberen En-

ao des 303 des sich bildenden Gußblockes 307. Dabei ist es durchaus im Sinne der Erfindung, wenn der Generator 309 in mehrere Einheiten 309', 309"... geteilt ist. In F i g. 2 ist der Generator 309 z. B. in die beiden Einheiten 309' und 309" aufgeteilt, wobei die Einheit 309' die Abschmelzenergie für die Abschmelzstäbe 311 und die Einheit 309" die Warmhalteenergie für das obere Ende 303 des Blocks 307 liefert. Kokillenanordnung 301 und Abschmelzblöcke 311 sind wiederum in einem Hochdruckkessel 306 angeordnet, der über die Stickstoffquelle 319 unter einem Druck P₁ gehalten wird, der ungefähr dem Druck ρ entspricht, unter dem die Abschmelzblöcke 311 ursprünglich erstarrt waren. Auch bei diesem Verfahren können aus mehreren leichten, nacheinander eingeschmolzenen einzelnen Abschmelzblöcken 311 schwere Gußblöcke 307 hergestellt werden. Die in Fig. 1 und 2 skizzierte Korpuskularstrahlbeheizung mittels der Generatoren 109 und 309 kann gemäß Fig. 3 dadurch vorteilhaft ergänzt werden, daß eine Schicht flüssiger, elektrisch leitfähiger Schlacke 116/316 über dem Schmelzsumpf 102/302 vorgesehen wird. Dadurch wird es möglich, die Korpuskularstrahlenergie auf einem kleinen Fleck der Schlackenschicht 116/316 zuzuführen. Von dort verteilt sie sich im Medium Schlacke so, daß an der Unterseite der Schlackenschicht eine über den ganzen Querschnitt des Sumpfes 102/302 gleichmäßige Energieübertragung in den Sumpf erfolgt.

Durch Verwendung dieser Schlackenschicht erübrigt sich also der Einsatz mechanischer, magnetohydrodynamischer und/oder elektromagnetischer Einrichtungen zur gleichmäßigen Verteilung der zugeführten Korpuskularstrahlenergie über den Kokillenquerschnitt, der sonst nach dem Fachmann geläufigen Methoden vorgenommen werden muß.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Beheizung für einen Schmelzofen in einer Vorrichtung zum Herstellen von stickstofflegierten Gußblöcken unter Hochdruck von 5 bis etwa 100 bar, wobei in einem Hochdruckbehälter der Schmelzofen und eine Kokille angeordnet sind und der Gußblock nach dem Prinzip des langsam wachsenden Blockes aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine unter Hochdruck arbeitende Korpuskularstrahlquelle (X09, 309), z.B. in Form eines Plasma-Brenners oder einer Ionenquelle, zur Erzeugung eines Stickstoff-Ionen-haltigen Plasmas (X04) für die Beheizung der Schmelze (111) vorhanden ist.

2. Beheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korpuskularstrahlquelle (109, 309) mittels elektromagnetischer und/oder mechanischer Hilfsmittel auf den Badspiegel (103) in der Kokille (101, 301) gerichtet wird.

3. Beheizung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß weitere elektromagnetische und/oder mechanische Hilfsmittel den Plasma-Strom gesteuert über den Badspiegel

(103) führen.

4. Beheizung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht elektrisch-leitender flüssiger Schlacke (116/316) zwischen Metall-Badspiegel (103) und Plasma-Strom

(104) vorhanden ist, deren Oberfläche beheizt wird.

5. Beheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Plasmas (104, 304) bzw. Plasma aus einer weiteren Korpuskularstrahlquelle (309", 115) zum Beheizen oder Erzeugen der Schmelze (111) (111, 312) dient.

6. Beheizung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einbringen von Schmelze in die Kokille (101, 301) aus einem Plasma-Strom besteht, der in dem Fachmann geläufiger Weise solche Werkstoffe aufschmilzt, die in fester Form in den Druckbehälter (106, 306) eingebracht werden.