DE1941282A1 - Verfahren zur Veredelung von Stahl durch Umschmelzen in einem Plasma-Lichtbogen - Google Patents

Description

Die Erfindung befasst sich ganz allgemein mit der Behandlung von Metallen und betrifft insbesondere ein verbessertes Verfahren zur Veredelung von Stahl durch Kaltformumschmelzung im Plasma-Lichtbogen.

Die übliche Kaltformumschmelzung im Plasma-Lichtbogen, wie sie beispielsweise in der USA-Patentschrift 3 147 330 beschrieben ist, führt zu einer Verbesserung der Reinheit der Metalle und Legierungen, wirkt sich jedoch nur gering oder überhaupt nicht auf die chemische Zusammensetzung der Metalle und Legierungen aus, mit Ausnahme der Tatsache, dass sie zu einer Abnahme des Sauerstoffgehaltes dieser Materialien führt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Kaltformumschmelzverfahren im Plasmalichtbogen zu schaffen, bei dem das umgeschmolzene Metall zusätzlich zur

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

Senkung seines Sauerstoffgehalts, wie sie bei der Umschmelzung ie Plasma-Lichtbogen auftritt,chemisch veredelt wird.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass über einer Giessform eine Stange aus Zufuhrmetall getragen wird, deren •unteres Ende durch Strahlung und Konvektion in einem Plasma-Lichtbogen solange erhitzt wird, bis es schmilzt und Tropfen dieses Metalls in ein Metallschmelzenbad fallen, das sich in der Form befindet, und dass dem Metall in dem Schmelzenbad ein bestimmtes Flussmittel zugesetzt wird, dessen Zusammensetzung die Entschwefelung fördert.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungegegenstandes ist anhand der Figur der Zeichnung beschrieben, die einen schematischen Schnitt einer Vorrichtung zeigt, die zur Durchführung des neuartigen Verfahrens verwendet werden kann.

In der Zeichnung ist bei 2 ganz allgemein ein Plasma-Lichtbogen-Kaltformofen dargestellt, der aus einer wassergekühlten Ofenkammer k und einer wassergekühlten Criessformanordnung 6 besteht. Der Boden der Giessfomanordnung ist durch eine Anfahrstange 8 verschlossen. Ein oder mehrere Plasma—Lichtbogenbrenner 10, von denen jeder aus einer eine Kathode enthaltenden, verjüngten Düse besteht, die aus Wolfram oder einem ähnlichen Material angefertigt sein kann, ist in dem oberen Teil der Kammer k angeordnet, wobei sein unteres Ende gegen das in der Giessform befindliche Metallschmelzenbad l6 gerichtet ist. Eine Zufuhrstange 12 aus dem Metall, das umgeschmolzen werden soll, ist in einem Mechanismus im oberen Teil der Kammer 4 aufgehängt, so dass sie in kleinen Schritten vorwärts in Richtung auf die Giessform bewegt werden kann, wenn sie durch die von dem Plasma-Lichtbogen entwickelte Wärme aufgeschmolzen wird.

Bei dem Schmelzprozess wird die bekannte Lichtbogentechnik angewendet, bei der ein Lichtbogen lh zu dem in der Giessform befindlichen geschmolzenen Metall geschlagen wird, das vorher durch den Plasma-Lichtbogenbrenner 10 geschmolzen worden ist.

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Das MetalIschmelzenbad i6 dient dann als Anode. Durch die Düse hindurch wird in den den Lichtbogen umgebenden ringförmigen Raum Gas gedruckt und auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt. Die Gastemperatur, die etwa 10 000 bis 20 000 ⁰K betragen kann, hängt von der Düsengrösse, der Stromstärke und der Gasströmung ab. Die hohe Temperatur bewirkt eine Ionisierung des Gases, und das sich ergebende Material wird als Plasma bezeichnet. Jedes beliebige Gas, dae die Kathode nicht angreift, kann hier Verwendung finden, beispielsweise Argon, Helium, Stickstoff oder Wasserstoff;für metallurgische Schmelzvorgänge wird gewöhnlich Argon benutzt.

Wenn ein oder mehrere Plasma-Lichtbogenbrenner verwendet werden, wird das Metall in einer inerten Atmosphäre umgeschmolzen. Das Inertgas schützt das Metall vor Oxidation. Während der Umsohmelzung zeigen Oxideiiischlüsse das Bestreben, sich von dem Metall zu trennen. Während des UmschmeIzVorganges wird, nachdem der Lichtbogen zur Metallschmelze geschlagen worden ist, die Zufuhrstange 12 in Richtung auf das Schmelzenbad 16 gefördert. Das Schmelzenbad 16 wird von der wassergekühlten Giessformanordnung 6 umgeben, die an beiden Enden offen ist und als Giessvorrichtung dient. Die Zuiuhrstange 12 wird durch Strahlung und Konvektion erhitzt und aufgeschmolzen, und das sich ergebende geschmolzene Metall tropft in das Bad, das an seinem Boden von der Anfahrstange 8 getragen wird. Das erhärtete Produkt 18, das aus dem Metallschmelzenbad l6 geformt wird, wird durch eine mit einem Inertgas, beispielsweise Argon, gefüllte Kühlkammer 20 mit einer Geschwindigkeit abgezogen, die durch die Schmelzgeschwindigkeit geregelt wird.

Der Plasma-Lichtbogen-Kaltgiessiormumschmelzprozess ist soweit bekannt und dem Prozess ähnlich, wie er in der genannten USA-Patentschrift 3 147 330 beschrieben ist.

Bei dem üblichen, oben erläuterten Plasma-Lichtbogen-KaltgiessformumschmeIzverfahren weist das erzeugte Produkt weniger Sauerstoff und eine erhöhte Reinheit auf. Die chemische Zusammen-

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setzung mit Ausnahme von Sauerstoff erfährt keine oder nur eine geringe Änderung. Bei vielen Stahlgüten ist es jedoch erforderlich, dass nicht nur der Sauerstoffgehalt sondern auch der Schwefelgehalt gesenkt werden, so dass alle Möglichkeiten bezüglich einer verbesserten physikalischen Qualität ausgeschöpft werden, beispielsweise eine erhöhte Kerbschlagzähigkeit.

Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens wird eine derartige Entschwefelung durch Verwendung eines vorbereiteten, bestimmten Flussmittels 22 erreicht, das dem Ofen vorzugsweise mit Zusatzstoffen zugesetzt wird, und zwar bereits dann, wenn zunächst das Metallschmelzenbad l6 erzeugt wird. Venn die Zufuhrstange 12 schmilzt und durch das geschmolzene Flussmittel 2k tropft, das oben auf dem Metallschmelzenbad l6 schwimmt, wird Schwefel aus dem geschmolzenen Metall an das Flussmittel 2k abgegeben.

Das Flussmittel 22 kann aus einem Behälter 26 über eine Vibrationskammer 28 und eine Flussmittelschurre 30, die auf die Giessformanordnung 6 gerichtet ist, dem Ofen zugeführt werden. Die Kammer 28 lässt sich mit Hilfe eines Luftvibrators 32 in Schwingungen versetzen.

Bei dem neuartigen Verfahren wird der Schwefelübergang von dem geschmolzenen Metall zu dem geschmolzenen Flussmittel sehr stark durch das niedrige Sauerstoffpotential und die hohe Temperatur in den Plasma-Lichtbogenofen begünstigt. Nichtsdestotrotz sollte das Flussmittel eine Zusammensetzung haben,die die Entschwefelung fördert, d.h. basischer Natur sein, einen ziemlich tiefen Schmelzpunkt haben und ein hohe· Fliessvermögen aufweisen. Zwei Flussmittel-Verbindungen, die diesen Bedingungen entsprechen, sind CaF₂-CaO-AIoO- und CaF₂-CaO-SiOg. Einfachere Verbindungen, beispielsweise CaF₂-CaO erhöhen jedoch auch die

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beabsichtigte Wirkung. Das Flussmittel kann dem Ofen entweder intermittierend oder kontinuierlich zugesetzt werden, wobei diese Techniken vorzugsweise angewendet werden, um für die Metalltropfen frisches Flussmittel bereitzuhalten. Durch Wieder auffüllen des Flussmittels lassen sich die Auswirkungen der CaF₂-Verdampfung und der Flussmittelverlust durch Versickern zwischen dem Produkt und der Giessform auf ein Mindestmass beschränken.

Die folgenden Beispiele erläutern das erfindungsgemässe Verfahren anhand von Stahlchargen, die mit Flussmittelzusätzen in einem Plasma-Lichtbogenkaltgiessform-Umschmelzofen, wie er in der Zeichnung dargestellt ist, umgeschmolzen wurden.

BEISPIEL 1 Vorgeschmolzenes Flussmittel, bestehend aus annähernd 70 %

CaF₂, 15 % CaO und 15 % ^A12^O/5 ^¹¹"^{06 αθΓ} ohen auf der Anfahrstange β angeordneten Giessform 6 zugesetzt. Es wurden zwei Brenner mit einem Argonfluss von 0,028 m pro Minute verwendet und jeder Brenner wurde an eine Spannungsquelle von 600 Amp. und 40 Volt gelegt. Eine Zufuhrstange aus AISI 4340 wurde in 22,5 Minuten umgeschmolzen. Der Schwefelgehalt des Metalls sank von 0,007 % in der Zufuhrstange auf 0,004 % in dem umgeschmolzenen Produkt, während der Sauerstoffgehalt von 20 ppm (parts per million) in der Anfahrstange auf 8 ppm in dem umgeschmolzenen Produkt sank.

BEISPIEL 2

Ein Flussmittel, das dem in Beispiel 1 verwendeten ähnlich war, wurde intermittierend zugesetzt, als eine Stahllegierung mit 12 % Ni, 5 % Cr und 3 Ί» Mo umgeschmolzen wurde. Ea wurde ein Plasma-Lichtbogenbrenner verwendet. Die Spannungsquelle, an der dieser einzige Brenner lag, hatte 800 Amp. und 40 Volt. Die Umschmelzzeit betrug 31,5 Minuten. Der Schwefelgehalt de·

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Stahls fiel von 0,009 % in der Zuführetangβ auf 0,004 % in dem !«geschmolzenen Produkt, während der Sauerstoffgehalt von 14 ppi in der Zufuhrstange auf 7 ppm ie Fertigprodukt abnahm.

BEISPIEL 3

Flussmittel, bestehend aus 60 % CaF₂, 30 % CaO und 10 % ^A1 ₂°3 wurde intermittierend dem Ofen zugesetzt, während eine Zufuhr» stange aus AISI 4340 Stahl umgeschmolzen wurde. Der Schwefelgehalt wurde von 0,022 $o in der Zufuhrstange auf 0,008 % im umgeschmolzenen Produkt reduziert, und der Sauerstoff nahm von 36 ppm in der Zufuhrstange auf 13 ppm im umgeschmolzenen Produkt ab.

Die bei den obigen Beispielen gebrauchte Flussmittelmenge lag zwischen 9,07 und 36,3 kg pro Tonne Stahl. Im Produktionsbetrieb müsste die Menge des zu verwendenden Flussmittels entsprechend den Produkterfordemissen empirisch bestimmt werden.

Zu Vergleichszwecken wurde eine Zufuhrstange aus AISI 4340 Stahl mit Hilfe des Plasma-Lichtbogen-Kaltgiessformumschmelzverfahrens umgeschmolzen, wobei Flussmittel zugesetzt wurde, und eine andere Zufuhrstange aus dem gleichen Stahl wurde ohne Zusatz von Flussmittel umgeschmolzen. Bei dem Stahl, bei dem Flussmittel verwendet wurde, verringerte sich der Schwefelgehalt von 0,022 % in der Zufuhrstange auf 0,008 % in dem umgeschmolzenen Produkt, während der Sauerstoffgehalt von 23 ppm in der Zufuhrstange auf 8 ppm im umgeschmolzenen Produkt abnahm. Beim Umschmelzen der anderen Zufuhrstange aus AISI 4340 Stahl in dem Plasma-Lichtbogen-Ealtgiessformumschmelzofen ohne Verwendung des Flussmittels veränderte sich der Schwefelgehalt nur geringfügig von 0,021 % in der Zufuhrstange auf 0,023 % im umgeschmolzenen Produkt, während der Sauerstoffgehalt von 20 ppm in der Zuführetange auf 7 ppm im umgeschmolzenen Produkt abnahm.

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Zwei Zufuhrstangen aus 12 Nl-5Cr-3Mo legiertem Stahl wurden ■it Hilfe des Plasma-Lichtbogen-Kaltgiessformumschmelzverfahrens umgeschmolzen, und zwar unter Verwendung des Flussmittels in dem einen Fall und ohne Flussmittel im anderen Fall. Bei dem Stahl, bei dem Flussmittel verwendet wurde, sank der Schwefelgehalt von 0,009 in der Zufuhrstange auf 0,004 im umgeschmolzenen Produkt, während der Sauerstoffgehalt von 13 ppm in der Anfahrstange auf 7 ppm im umgeschmolzenen Produkt ahnahm. Im anderen Fall j hei dem kein Flussmittel benutzt wurde, blieb der Schwefelgehalt unverändert, nämlich bei 0,009 % in der Zufuhrstange und 0,009 im umgeschmolzenen Produkt, während der Sauerstoffgehalt von 15 ppm in der Zmfnhrstange auf 9 ppm im umgeschmolzenen Produkt abnahm.

Obgleich das neuartige Verfahren in Verbindung mit einem Plasma-Lichtbogen-Kaltgiessformprozess beschrieben wurde, lässt es sich selbstverständlich auch in Plasma-Lichtbogen-Umschmelzprozessen anwenden, die in Puddelöfen oder hitzebeständig ausgekleideten Öfen durchgeführt werden.

Es wurde gezeigt, dass mit Hilfe des neuartigen Verfahrens durch Zusatz von Flussmittel während des Plasma-Lichtbogen-Kaltgiessformumschmclzvorganges eine Entschwefelung erreicht werden kann, während der Sauerstoffgehalt abnimmt.

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Claims (2)

PATENTANWÄLTE Dipl.-Ing. M ARTI N LI CHT PATENTANWÄLTE LICHT, HANSMANN. HERRMANN yn Dr. REINHOLD SCHMIDT MDNC ^ Q Dipl.-Wirtsch.-lng. A X E L H A N S M A N N 194178? Dipl.-Phys. SEBASTIAN HERRMANN UNITED STATES STEEL CORPORATION München, den 13. August I969 Pittsburgh, Pennsylvanien, Ihr Zeichen Unser Zeichen William Penn Place 525, Ke/KG V. St. A. Patentanmeldung; Verfahren zur Veredelung von Stahl durch Umschmelzen in einem Plasma-Lichtbogen Patentansprüche

1. Verfahren zur Veredelung von Metall, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stange (12) aus Zufuhrmetall über einer Form (6) getragen wird, dass das untere Ende der Stange (12) durch von einem Plasma-Lichtbogen entwickelte Strahlungsund Konvektionswärme erhitzt wird, bis es schmilzt und Tropfen des zugeführten Metalls in ein in der Form (6) vorhandenes Metallschmelzenbad (l6) fallen, und dass dem in dem Schmelzenbad (16) befindlichen Metall ein bestimmtes Flussmittel (22,24) zugesetzt wird, dessen Zusammensetzung die Entschwefelung fördert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flussmittel aufgefüllt wird, während Tropfen von der Metallstange (l2) herabfallen, indem frisches Flussmittel intermittierend oder kontinuierlich dem Schmelzenbad zugesetzt wird.

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