DE1483647C3 - Beheizung für einen Schmelzofen in einer Vorrichtung zum Herstellen von stickstofflegierten Gußblöcken - Google Patents
Beheizung für einen Schmelzofen in einer Vorrichtung zum Herstellen von stickstofflegierten GußblöckenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Beheizung für einen Schmelzofen in einer Vorrichtung zum Herstellen von
sjickstofflegierten 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 ist gestellt durch die wachsende Bedeutung des Stickstoffes als Legierungselement. Während
durch die üblichen Herstellungsverfahren unbeabsichtigt Stickstoffgehalte von einigen hundertstel
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 er-
»5 wünscht 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. hüt-
ao tenmännische 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 po bei gegebener Stahlzusammensetzung maximal
einstellbare Stickstoffgehalt, dann kann man bei Erhöhung des Druckes auf den Wert ρ den Stickstoffgehalt
bis auf etwa A p/po 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 4er 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
hüttenmännische Monatshefte 108 [1963] 369/380). Die österreichische Patentschrift 233 752 erwähnt,
daß man einen Vakuum-Lichtbogenofen auch mit 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 unter 1 bar betrieben. Bereits bei Drücken von etwa 1 bar
wird der Betrieb der Lichtbogenheizung problematisch, und für Hochdruckanwendungen ist das Verfahren
völlig ungeeignet. Es führt nämlich zu einem Abbau der zuvor durch Hochdruckbehandlung eingestellten
hohen Stickstoffgehaitc von bis zu 4 %. Aus Versuchen der Anmelderin geht hervor, daß die höchsten
Stickstoffgchalte, die sich mit einem unter annä-
hemd 1 bar mit N2 betriebenen Vakuumlichtbogenofen
einstellen lassen, etwa 0,24% bei Legierungen mit hoher Nj-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 stickstofflcgierten 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 mit dem Behälter identisch sein, in welchem die
Schmelze hergestellt bzw. mit Stickstoff legiert wurde, oder es 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, mitteäs Plasma-
oder Ionenstrahlen, oder mittels Wärmestrahlung, z. B. über aufgeheizte Grafitelemente, vorgesehen
sein. In F i g. 1 ist zur Illustration ein Hochdruck-Plasmabrenner 115eingezeichnet. Eine Heizungmitsauerstoffhaltigen
Verbrennungsgasen ist dagegen nicht 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 wer-
»5 den, die sich zusammen mit dem Behälter 112 in einem
allseits geschlossenen Druckbehälter 106 befindet, in dessen Innenraum ein Stickstoffpartialdruck
P1 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 Korpus-
kularstrahlen 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 114 zu, daß die Schmelze während des gesamten Gießvorganges auf konstanter
Temperatur bleibt. Diese Temperatur soll im folgenden »Gießtemperatur« genannt werden. Gleichzeitig
beheizt man das Obcrendc 103 des Gußsiranges 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 7' in Kokille 2' an Hand von Fig. 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 Warmhalteenergicmengen
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 Warmhalteenergic
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
dLldt 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, weiche der Kokillenanordnung 101
entspricht, wie sie in Verbindung mit Fig. 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 Endes 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 p{
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 F i g. 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)
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
(109, 309), z. B. in Form eines Plasma-Brenners oder einer Ionenquelle, zur Erzeugung eines
Stickstoff-Ionen-haltigen Plasmas (104) 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.
Applications Claiming Priority (1)
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US4718477A (en) * | 1986-07-30 | 1988-01-12 | Plasma Energy Corporation | Apparatus and method for processing reactive metals |
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Also Published As
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