DE4236727C2 - Mittel zur Behandlung von Metallschmelzen und dessen Verwendung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mittel zur Behandlung von Metallschmelzen in Form eines metallisch ummantelten gefüllten Drahtes sowie dessen Verwendung.

Ein Ziel von metallurgischen Prozessen ist es, Analyse und Temperatur der Metallschmelze in der Gießpfanne homogen einzustellen. Die konvektiven Strömungen in der Pfanne aufgrund von Dichteunterschieden verlaufen zu langsam und müssen in der Praxis durch Einbringen inerter Spülgase beschleunigt werden. Häufig wird eine verbesserte Durchmischung durch Einblasen von Argon oder Stickstoff durch poröse Bodensteine oder über Lanzen vorgenommen.

Auch bei den bekannten pneumatischen Lanzen- Einblasverfahren z. B. der Roheisenentschwefelung besorgt das Trägergas nicht nur den pneumatischen Transport der feinkörnigen Feststoffe, sondern gleichzeitig auch die homogene Verteilung der Zusätze in der Schmelze.

Die Entwicklung der Fülldrahttechnik in der Sekundärmetallurgie hat die pneumatische Injektion in manchen Bereichen abgelöst. Für viele Anwendungen, insbesondere für die Injektion von Stoffen, die keinen eigenen Dampfdruck entwickeln, ist das Fehlen eines turbulenzerzeugenden Gases ein Nachteil. Die Homogenisierung der Schmelze verläuft zu langsam. Im Nahbereich des sich auflösenden Drahtes treten Konzentrationsspitzen auf, die zu unerwünschten Reaktionsprodukten oder auch zu Ausbringverminderungen führen.

Die Offenlegungsschrift DE 41 03 197 beansprucht ein Verfahren zur raschen Abkühlung einer metallurgischen Schmelze mit einem dafür geeigneten Draht, der aus einer Hülle aus kohlenstoffarmem Stahlblech und einer Füllung aus einem Eisengranulat besteht. Das Einbringen dieses Drahtes auf den Pfannenboden bewirkt zwar ein rasches Freisetzen der Eisenpartikel im unteren Schmelzbereich; durch die geringe Partikelgröße von 0,2 bis 0,5 mm schmelzen die Granulatkörner jedoch rasch und begrenzen so den Hauptkühleffekt auf Pfannenbodennähe. Die gekühlten Schmelzanteile werden lediglich mit der normalen Badbewegung mehr oder weniger homogen verteilt.

Die Verteilung der Komponenten der Drahtfüllung in der Schmelze hängt dabei also ausschließlich von der thermischen Badbewegung oder dem Dampfdruck der Drahtfüllstoffe ab. Werden mit der Fülldrahtinjektion Stoffe mit geringem oder keinem Dampfdruck in die Schmelze eingetragen, so unterbleibt im Falle fehlender poröser Gasspülsteine eine zusätzliche verteilend wirkende Gasentwicklung, was für eine Reihe praktischer Anwendungen von Nachteil ist.

Von den bekannten und für diesen Zweck möglichen Gasabspaltern führen Kalkstein bzw. Flammkohle zu negativen Veränderungen der Schmelzenqualität. Kalkstein spaltet thermisch Kohlendioxid ab und beeinflußt durch diese oxidierenden Bedingungen beispielsweise die Stahlanalyse durch Abbrand von Aluminium; auch sind Reaktionen mit den sonstigen Draht-Füllstoffen nicht auszuschließen. Flammkohle verändert durch Aufkohlungsvorgänge ebenfalls die Stahlanalyse; natürliche Flammkohle enthält zudem immer unerwünschte Mengen Sauerstoff.

Die Verwendung von Polyethylen als feste, Ethen abspaltende Verbindung wird bereits in DE 22 52 796 beschrieben. Dort findet es allerdings als eine von mehreren Komponenten eines Entschwefelungsmittels für Roheisen- und Ferrolegierungsschmelzen Verwendung, das mit Hilfe des vorgenannten Lanzenverfahrens mittels eines Trägergasstromes in das Schmelzbad eingetragen wird. Hauptaufgabe des Polyethylens ist in diesem Fall die Schaffung reduzierender Bedingungen in der Eisenschmelze.

Aufgabe war es daher, einen Fülldraht mit einer Drahtfüllung zu entwickeln, deren spezielle Beimengungen bei den Anwendungstemperaturen Gas abspalten und so eine Turbulenzbildung im Metallbad erzwingen, die zu einer Homogenisierung der Schmelze führt, ohne die Zusammensetzung der Schmelze negativ zu beeinflussen.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Mittel zur Behandlung von Metallschmelzen in Form eines Fülldrahtes bestehend aus einem metallischen Mantel aus Stahl, Kupfer, Nickel, Aluminium oder Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung eine bei der Temperatur der Metallschmelze gasabspaltende Verbindung auf Basis eines organischen Polymeren in Mengen von 0,2 bis 20 g pro Meter Fülldraht enthält.

Das erfindungsgemäße Mittel enthält daher organische Polymere der Reihe Polyethylen, Polypropylen oder Polystyrol, die bei einer Korngröße von 0,1 bis 10 mm, bevorzugt <2,0 mm, umschlossen im Fülldraht vorliegen, wobei die Drahthülle auf einem metallischen Mantel aus Stahl, Kupfer, Nickel, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. Neben den erwähnten gasabspaltenden Verbindungen kann die Drahtfüllung zusätzlich unzersetzbare anorganische Verbindungen, wie Oxide von Erdalkalimetallen und Aluminium, Oxide oder Nitride des Siliciums oder Metalle oder Metalloxide des VIII. Gruppe des Periodensystems der Elemente enthalten. Als typische Form des erfindungsgemäße Mittels besteht der Fülldraht aus einer Eisenhülle, die eine Füllung aus 0,1 bis 10 Gew.-% Polyethylen und 0 bis 99,9 Gew.-% Füllstoff, wie z. B. Eisenpulver umschließt.

Die vorteilhafte Anwendung eines der vorgenannten organischen Polymere liefert bereits bei Zusätzen von nur 1 bis 2 Gew.-% zum Drahtfüllstoff die notwendigen Gasmengen. Ein größerer oder kleinerer Zusatz an Polyethylen im Fülldraht hängt ab von der Geometrie der vorhandenen Pfannen oder der Verwendung des Fülldrahtes. Die durch die thermische Zersetzung der organischen Polymere eingebrachten Mengen an Kohlenstoff und Wasserstoff sind in der erfindungsgemäßen Form unkritisch, die Stahlanalyse wird durch sie nicht negativ verändert. Die freigesetzten Gasmengen der erfindungsgemäßen Drahtfüllung verstärken die Turbulenzströmung der Metallschmelze und beeinflussen die Badbewegung günstig. Primär- oder Sekundärreaktionen mit den sonstigen Füllstoffzusätzen können ausgeschlossen werden.

Verwendung findet das erfindungsgemäße Mittel zum Homogenisieren, Raffinieren und kurzfristigen Kühlen von Metallschmelzen.

Über die vorgenannten Anwendungsbeispiele hinausgehend ist das erfindungsgemäße Mittel auch zum Legieren von Metallschmelzen durch Einbringen von Mikrolegierungselementen wie Titan, Molybdän, Bor und anderen geeignet.

Bei den Versuchen mit dem erfindungsgemäßen Mittel hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die Anwendung der organischen Polymere in Fülldrähten sehr vielseitig sein kann. Nachfolgende Beispiele sollen die Erfindung daher näher erläutern.

Beispiel 1

In Fällen des behinderten Gasaustritts infolge Verlegens der Spülsteine im Pfannenboden kann der Einsatz beispielsweise in einem bloßen Rühren bestehen; durch das Einbringen des erfindungsgemäßen Mittels in Drahtform werden die betreffenden Chargen vor einer qualitativen Abwertung bewahrt.

Fülldraht mit 4 g PE pro Meter und einer Teilchengröße zwischen 0,5 und 1,0 mm (Füllkernrest: Inertmaterial) wurde mit einer Geschwindigkeit von 200 Metern pro Minute injiziert. Da 1 g Polyethylen 0,86 Nl Ethen abspalten, werden bei diesem Vorgang 688 Nl Gas pro Minute freigesetzt, was der Leistung der Argon-Bodenspülsteine entspricht. Die Spülzeit für eine 80 t Pfanne beträgt 3 Minuten, die Schmelze ist anschließend homogen.

Beispiel 2

Auch zu Raffinationszwecken von Stahlschmelzen ist der Einsatz organischer Polymere geeignet:
Ein Fülldraht mit einem Gemisch bestehend aus einer Calcium-Aluminat-Raffinationsschlacke und 3% PE wird in einen hochgekohlten Werkzeugstahl injiziert. Starke Turbulenz verteilt die Schlackenpartikel im unteren Pfannenbereich gleichmäßig in der Schmelze. Als Folge waschen die aufsteigenden flüssigen Partikel feinste suspendierte nichtmetallische Einschlüsse (Aluminiumoxid) aus, die sich in der Schlacke sammeln. Der Reinheitsgrad kann reproduzierbar auf Ko < 10 nach Stahl-Eisen- Prüfblatt verbessert werden.

Beispiel 3

Beim Stranggießen von Stahl stellt sich häufig die Aufgabe, zu heiße Schmelzen kurzfristig auf die Gießsolltemperatur abkühlen zu müssen.

Zum Zwecke des homogenen Kühlens wird das erfindungsgemäße Mittel in Form von Eisenfülldraht mit PE-Zusatz in eine Stahlschmelze eingebracht.

Aufgabe: eine 100 t Charge soll kurzfristig um 10°C gekühlt werden:
Zur Lösung wird Fülldraht mit Fe-Pulverfüllung und Zusatz von 1 Gew.-% PE einer Teilchengröße von 1,5 mm eingesetzt. Für ΔT = 10°C und 100 t Schmelzgewicht müssen ca. 700 kg Fe bzw. 750 m Fe-Draht mit einem Durchmesser von 13 mm injiziert werden. Diese Menge wird in 3 Minuten eingebracht. Die Schmelze ist danach homogen um 10°C abgekühlt und kann sofort vergossen werden.

Claims (10)

1. Mittel zur Behandlung von Metallschmelzen in Form eines Fülldrahtes bestehend aus einem metallischen Mantel aus Stahl, Kupfer, Nickel, Aluminium oder Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung eine bei der Temperatur der Metallschmelze gasabspaltende Verbindung auf Basis eines organischen Polymeren in Mengen von 0,2 bis 20 g pro Meter Fülldraht enthält.

2. Mittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasabspaltende Verbindung eine aus der Reihe Polyethylen, Polypropylen oder Polystyrol ist.

3. Mittel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gasabspaltende Verbindung in einer Korngröße von 0,1 bis 10 mm, bevorzugt < 2,0 mm, im Draht umschlossen vorliegt.

4. Mittel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtfüllung zusätzlich unzersetzbare anorganische Füllstoffe enthält.

5. Mittel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es als anorganische Füllstoffe Oxide von Erdalkalimetallen und Aluminium, Oxide oder Nitride des Siliciums oder Metalle oder Oxide von Metallen der VIII. Nebengruppe des periodischen Systems der Elemente enthält.

6. Mittel nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Mantel aus Eisen und die Füllung aus 0,1 bis 10 Gew.-% Polyethylen und 90 bis 99,9 Gew.-% Eisenpulver besteht.

7. Verwendung des Mittels nach den Ansprüchen 1 bis 6 zur Homogenisierung von Metallschmelzen.

8. Verwendung des Mittels nach den Ansprüchen 1 bis 6 zur Raffination von Metallschmelzen.

9. Verwendung des Mittels nach den Ansprüchen 1 bis 6 zur homogenen Kühlung von Metallschmelzen.

10. Verwendung das Mittels nach den Ansprüchen 1 bis 6 zum Legieren von Metallschmelzen.