Verfahren zum Einbringen von Gasen und andern Stoen in den Bereich des Giessstrahles schmelzflüssiger Metalle und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens Die Erfindung betrifft .ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit deren Hilfe schmelzflüssige Metalle verändert werden können. Das Verfahren ist geeignet, solche Stoffe auf schmelzflüssige Metalle zur Ein wirkung zu bringen, die geeignet sind, das Metall von unerwünschten Bestandteilen zu befreien oder solche Stoffe, die in dem zu behandelnden Metall verbleiben sollen, um dort einen günstigen Einfluss infolge ihrer Anwesenheit auszuüben.
Unter Metall sollen hier Nichteisenmetalle, Legierungen, Stähle und Stahllegierungen verstanden werden.
Es gibt in der Legierungstechnik eine Anzahl von Legierungsstoffen, deren Zulegierung zu einem Schmelzbad (vor allem, wenn sie in grösseren An teilen einem Schmelzbad zuzugeben sind) Schwierig keiten bereiten, indem sie sich schlecht, z. B. un gleichmässig in der Schmelze verteilen bzw. mit Stof fen des Schmelzbades oder der dem Schmelzbad be nachbarten Atmosphäre infolge hoher Affinität Ver bindungen bilden, z. B.
Oxyde bzw. Nitride. Die ungleichmässige Verteilung des Legierungselementes bzw. die dabei in der Schmelze zurückbleibenden Verbindungen der Legierungselemente bewirken so dann eine Güteverschlechterung der Legierung, zumal wenn die Einschlüsse erhebliche Teilchengrössen besitzen und eine schädliche Verteilung und An ordnung im Gefüge der Grundlegierung besitzen. Typische Beispiele für das Legieren von Stahl sind Titan- und Aluminiumzusätze bzw. Vorlegierungen mit hohen Anteilen an solchen Elementen. Weiter gehören zu diesen Stoffen z. B. Bor, Niob, Vanadin, Tantal sowie Legierungen und Verbindungen aller vorher genannten Elemente.
Der schädliche Einfluss der bei der Zugabe solcher Legierungsstoffe ent- stehenden Einschlüsse, z. B. im Stahl oder Stahl- legierungen ist mannigfaltig und kann, z. B. in einer Beeinträchtigung der Warm- und Kaltverformbarkeit, der Oberflächenbeschaffenheit, der Korrosionsbestän digkeit, der Schweissbarkeit, oder auch von Festig keitseigenschaften, insbesondere der Zähigkeit, be stehen.
Ein sicheres und einfaches Verfahren zur Besei tigung bzw. Verhinderung solcher Fehlerquellen ist bisher nicht bekannt. Ein solches Verfahren und eine dafür besonders geeignete Vorrichtung vorzu schlagen, ist das Ziel der vorliegenden Erfindung.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ein bringen von Stoffen in metallische Schmelzbäder, z. B. in Stahl oder Stahllegierungen, und zwar von solchen Stoffen, die geeignet sind, das Metall von unerwünschten Bestandteilen zu befreien oder von Stoffen, die in dem zu behandelnden Metall verblei ben sollen, um dort einen günstigen Einfluss infolge ihrer Anwesenheit auszuüben, z. B. von Legierungs metallen, die beim Legieren in Schmelzbädern Schwie rigkeiten bereiten.
Das Verfahren ist dadurch ge kennzeichnet, dass das zu behandelnde schmelzflüssige Metall aus der Schmelzvorrichtung in ein Vakuum, und zwar im freien Fall im Bereich des Vakuum druckes eingebracht und die vorher genannten Stoffe mit dem Giessstrahl zusammengebracht werden.
Zweckmässig ist dafür zu sorgen, dass der zu legierende Giessstrahl weit auseinandergerissen ist. Die Legierungsstoffe können in zerkleinerter Form zugegeben werden, wobei es vorteilhaft ist, die Zer kleinerung um so weiter zu treiben, je stärker der Giessstrahl aufgeteilt ist. Die Legierungsstoffe können im Strahl eines inerten Gases oder auch gesondert von dessen Zuleitung in den Giessstrahl eingebracht werden, z. B. durch eine Schleuse im Deckel des Unterdruckraumes.
Es ist auch möglich, den Legie rungsstoff in geschmolzenem oder dampfförmigem Aggregatzustand in den Giessstrahl einzubringen.
In ähnlicher Weise kann verfahren werden, wenn das zu giessende Metall nur oder gleichzeitig mit reagierenden Gasen behandelt werden soll.
Das Verfahren, z. B. für die Behandlung von Stahl, wird zweckmässig mit Hilfe einer Vorrichtung durchgeführt, wie sie als Beispiel aus der Zeichnung ersichtlich ist. Sie besteht hier aus einem verschliess baren Gefäss 1 von solchem Fassungsraum, das heisst solcher Höhe und Breite, dass es etwa eine übliche Giesspfanne 2 oder eine entsprechend grosse Giessform (Kokille) aufnehmen kann. Der Verschluss erfolgt mittels des Deckels 3. Die Dichtung 4 des Behälters 1 ist so angeordnet, dass sie von der Wärmestrahlung des flüssigen Stahls nicht beein trächtigt wird. Zweckmässig erhält der Deckel noch einen Strahlungsschutz, z. B. aus Blech, Asbest oder dergleichen. Weiterhin ist eine Saugleitung 5, die zu den Vakuumpumpen führt, vorgesehen.
Auf den Deckel 3 ist .ein pfannenartiges Gefäss 9 mit seinem regelbaren Auslauf 10, vakuumdicht durch die Dich tung 11, aufgesetzt. Durch die im Deckel 3 befind liche Öffnung 12 wird der Stahl aus der Pfanne 9 in den Unterdruckraum 1 eingeschleust. Mindestens ein Beobachtungsfenster 13, dient dazu, die Unter druckbehandlung zu überwachen. In der Wand des Unterdruckbehälters 1 (oder im Deckel 3) ist eine Beschickungseinrichtung vorgesehen. Sie ist so ein gerichtet, dass über die Zuführungsleitung .8, in der ein Absperrorgan 14 vorgesehen ist, Gas aus dem angeschlossenen Gasbehälter 15 in den Unterdruck raum 1 eingeführt werden kann.
Die Gasleitung 8 kann ausserdem mit einer Zuführungsvorrichtung 16 für fein zerteilten Legierungsstoff, z. B. mit einer abgedichteten Transportschnecke 17, verbunden sein, so dass das Gas den Transport dieses Stoffes bewirken kann. Das Zuführungsrohr 8 endet mit dem freien Ende im Bereich über dem Behälter 2. Es ist vor zugsweise mit einem Rüssel 18 versehen, welcher es ermöglicht, den Legierungsstoff unmittelbar in den Giessstrahl unterhalb der Öffnung 12 einzuführen.
Eine solche Vorrichtung wird vorzugsweise wie folgt betrieben: Zur Behandlung einer zunächst im Behälter 9 befindlichen oder während des Verfahrens dorthin nachgefüllten Schmelze wird im Vakuum raum 1 ein Vakuum erzeugt mit Hilfe der an die Vakuumleitung 5 angeschlossenen (nicht dargestell ten) Pumpen. Nach dem Öffnen des Stopfens im Behälter 9 ergiesst sich die Schmelze durch die öff- nung 12 in den Vakuumraum 1.
Soll nun ein empfindlicher Legierungsstoff in den Giessstrahl eingebracht werden, so wird aus dem Gas behälter 15 ein inertes Gas, z. B. Argon, in den Unterdruckraum 1 eingelassen, wobei das Absperr organ in der Saugleitung 5 geschlossen werden kann, und dabei der Legierungsstoff mittels der Vorrich- tung 16 in das Gas eingebracht und mit diesem durch das Rohr 8 an den Giessstrahl herangebracht.
Es hat sich dabei als besonders wertvoll erwiesen, dafür zu sorgen, dass der Giessstrahl in feine Tröpfchen aufgeteilt wird, deren Durchmesser zwischen etwa 10 und 10-3 mm liegt. Die Aufteilung des Strahles der Schmelze, z. B. des Stahles, in diese gewünschte Teilchengrösse wird dadurch erreicht, dass beim Ein fliessenlassen des Stahles in den Unterdruck hinein mehrere Faktoren in eine bestimmte Beziehung zu einander gesetzt werden. Dabei wird die Einfliess- öffnung (die Pfannendüse) mit einer Weite gewählt, die zwischen etwa 25 und 70 mm Durchmesser liegt. Der zugehörige Unterdruck wird im Bereich von 30 bis 0,1 Torr gewählt.
Bei Stahlsorten, die üblicher weise einen besonders hohen Gasgehalt besitzen, wie unberuhigter oder schwachberuhigter Stahl, wird man die Torrwerte im oberen Teil des angegebenen Be reiches wählen, während bei beruhigten Stahlsorten mit kleinen Torrzahlen gearbeitet werden sollte. Der gasreichere Stahl sollte aus weiteren Düsen, der gasarme Stahl jedoch aus engeren Düsen vergossen werden. Weiterhin wird zweckmässig die Stahlsäule über der Einflussöffnung (der Pfannendüse) minde stens 300 mm hoch gewählt.
Diese Faktoren ergeben bei richtiger Auswahl eine Aufteilung des in den Unterdruck .einfallenden Stahles in Tröpfchen der Grössenordnung 10 bis 10-3 mm. Die richtige Aus wahl der Faktoren kann auf die Weise kontrolliert werden, dass der Einfliessvorgang mit hoher Bild folge (z. B. 7000 Aufnahmen je Sekunde) photo graphiert wird, so dass auf den Filmbildern die Tröpfchengrösse ausgemessen werden kann.
Die Zugabe der Legierungsstoffe kann auf ein mal oder auch in mehreren Teilmengen erfolgen, wobei der letztere Weg den Vorzug hat, dass das Vakuum infolge der Zugabe des inerten Gases nicht zu stark vermindert wird. Nach der jeweiligen Legie rungszugabe wird dabei das Absperrorgan in der Saugleitung 5 wieder geöffnet - falls es geschlossen war - und das Absaugen fortgesetzt.
Durch die Zuführung von inerten Gasen wird gleichzeitig der Partialdruck von unerwünschten Ga sen, welche mit dem Legierungsstoff eingebracht werden, herabgesetzt und damit für die schnelle Ab führung dieser Gase gesorgt. Statt des inerten Ga ses kann unter Umständen auch ein anderes nicht schädliches Gas verwendet werden.
Auf diese Weise gelingt es in bisher unerreich tem Masse, schwierige Legierungselemente, z. B. Titan, auch in grösseren Mengen mit geringsten Verlusten und guter Verteilung in Schmelzbädern, z. B. Stahl, einzubringen und dabei Erzeugnisse mit neuartigen Eigenschaften zu erzielen.
Soll die Vorrichtung dazu dienen, das Metall mit reagierenden Gasen zu beaufschlagen, so ändert sich nichts, als dass die Gasbehälter anstatt mit inertem Gas mit dem reagierenden Gas gefüllt wer den und diese im Betrieb in den Unterdruckraum eingelassen werden. Soll dabei von der Zufuhr fester oder flüssiger Stoffe, wie Legierungselementen, abgesehen werden, so werden die Zuführungsleitungen für diese abge sperrt, oder es können diese Zuführungsvorrichtungen überhaupt fehlen.
Method for introducing gases and other impacts into the area of the pouring jet of molten metals and device for carrying out the method The invention relates to a method and a device with the aid of which molten metals can be changed. The method is suitable for bringing those substances into action on molten metals which are suitable for removing undesirable constituents from the metal or for substances that are to remain in the metal to be treated in order to exert a beneficial influence there due to their presence.
Metal should be understood here to mean non-ferrous metals, alloys, steels and steel alloys.
There are a number of alloy materials in alloy technology, the addition of which to a molten bath (especially if they are to be added in larger parts to a molten bath) cause difficulties by being bad, z. B. un evenly distribute in the melt or with Stof fen of the weld pool or the atmosphere be adjacent to the melt pool due to high affinity Ver form compounds, z. B.
Oxides or nitrides. The uneven distribution of the alloy element or the compounds of the alloy elements remaining in the melt then cause a deterioration in the quality of the alloy, especially if the inclusions have considerable particle sizes and a harmful distribution and arrangement in the structure of the base alloy. Typical examples for alloying steel are titanium and aluminum additives or master alloys with high proportions of such elements. These substances also include: B. boron, niobium, vanadium, tantalum and alloys and compounds of all the elements mentioned above.
The detrimental influence of the inclusions created when such alloys are added, e.g. B. in steel or steel alloys is diverse and can, e. B. in an impairment of the hot and cold deformability, the surface quality, the Korrosionsbestän speed, the weldability, or strength properties, especially the toughness, be.
A safe and simple method for eliminating or preventing such sources of error is not yet known. The aim of the present invention is to propose such a method and a device particularly suitable for it.
The invention relates to a method for bringing substances into metallic weld pools, e.g. B. in steel or steel alloys, namely of those substances that are suitable to rid the metal of undesirable constituents or of substances that should remain in the metal to be treated ben in order to exert a beneficial influence there due to their presence, eg. B. of alloying metals that prepare difficulties when alloying in molten baths.
The method is characterized in that the molten metal to be treated is introduced from the melting device into a vacuum, specifically in free fall in the range of the vacuum pressure, and the aforementioned substances are brought together with the pouring jet.
It is advisable to ensure that the pouring stream to be alloyed is torn wide apart. The alloy materials can be added in comminuted form, it being advantageous to drive the comminution further, the more the pouring stream is divided. The alloy materials can be introduced into the pouring stream in the jet of an inert gas or separately from its feed line, e.g. B. through a lock in the cover of the vacuum chamber.
It is also possible to introduce the alloy material into the pouring stream in a molten or vapor state.
A similar procedure can be used if the metal to be cast is to be treated only or at the same time with reactive gases.
The method, e.g. B. for the treatment of steel, is expediently carried out with the aid of a device as can be seen as an example from the drawing. It consists here of a closable vessel 1 of such a capacity, that is, such a height and width that it can accommodate a conventional pouring ladle 2 or a correspondingly large casting mold (chill mold). The closure takes place by means of the lid 3. The seal 4 of the container 1 is arranged in such a way that it is not affected by the thermal radiation of the liquid steel. The cover expediently receives radiation protection, e.g. B. made of sheet metal, asbestos or the like. A suction line 5, which leads to the vacuum pumps, is also provided.
A pan-like vessel 9 with its adjustable spout 10, vacuum-tight through the device 11, is placed on the lid 3. The steel is channeled from the pan 9 into the negative pressure chamber 1 through the opening 12 located in the lid 3. At least one observation window 13 is used to monitor the negative pressure treatment. A loading device is provided in the wall of the vacuum container 1 (or in the cover 3). It is directed in such a way that gas can be introduced from the connected gas container 15 into the negative pressure chamber 1 via the supply line .8, in which a shut-off element 14 is provided.
The gas line 8 can also be provided with a feed device 16 for finely divided alloy material, e.g. B. with a sealed screw conveyor 17, so that the gas can bring about the transport of this substance. The feed pipe 8 ends with the free end in the area above the container 2. It is preferably provided with a trunk 18, which makes it possible to introduce the alloy substance directly into the pouring stream below the opening 12.
Such a device is preferably operated as follows: To treat a melt initially located in the container 9 or replenished there during the process, a vacuum is generated in the vacuum chamber 1 with the aid of the pumps connected to the vacuum line 5 (not shown). After opening the stopper in the container 9, the melt pours out through the opening 12 into the vacuum space 1.
If a sensitive alloy material is to be introduced into the pouring stream, an inert gas, for. B. argon, let into the vacuum chamber 1, wherein the shut-off organ in the suction line 5 can be closed, and the alloy material is introduced into the gas by means of the device 16 and brought with this through the pipe 8 to the pouring jet.
It has proven to be particularly valuable to ensure that the pouring jet is divided into fine droplets, the diameter of which is between about 10 and 10-3 mm. The division of the melt stream, e.g. B. the steel, in this desired particle size is achieved that when a flow of the steel into the negative pressure into several factors are set in a certain relationship to each other. The inlet opening (the pan nozzle) is selected with a width that is between about 25 and 70 mm in diameter. The associated negative pressure is selected in the range from 30 to 0.1 Torr.
For steel grades that usually have a particularly high gas content, such as unkilled or weakly killed steel, you will choose the Torr values in the upper part of the range specified, while you should work with calmed steel grades with small Torr numbers. The more gas-rich steel should be cast from further nozzles, but the low-gas steel from narrower nozzles. Furthermore, the steel column above the inlet opening (the pan nozzle) is expediently chosen to be at least 300 mm high.
If the selection is correct, these factors result in the steel falling into the negative pressure being divided into droplets of the order of 10 to 10-3 mm. The correct selection of the factors can be checked in such a way that the inflow process is photographed with a high image sequence (e.g. 7000 images per second) so that the droplet size can be measured on the film images.
The alloy substances can be added all at once or in several partial quantities, the latter method having the advantage that the vacuum is not reduced too much as a result of the addition of the inert gas. After the addition of the alloy in each case, the shut-off element in the suction line 5 is opened again - if it was closed - and suction continues.
By supplying inert gases, the partial pressure of undesired gases, which are introduced with the alloy material, is reduced at the same time, thus ensuring that these gases are quickly removed. Instead of the inert gas, another non-harmful gas can also be used under certain circumstances.
In this way it is possible in a previously unreachable mass, difficult alloying elements such. B. titanium, even in larger quantities with minimal losses and good distribution in molten baths, z. B. steel, and thereby to achieve products with novel properties.
If the device is to be used to apply reacting gases to the metal, nothing changes except that the gas containers are filled with the reacting gas instead of inert gas and they are admitted into the negative pressure chamber during operation. If the supply of solid or liquid substances, such as alloy elements, is to be dispensed with, the supply lines for these are blocked or these supply devices may be absent at all.