DE19916235A1 - Fülldraht zur Behandlung von Schmelzen mittels Drahtinjektion - Google Patents
Fülldraht zur Behandlung von Schmelzen mittels DrahtinjektionInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Fülldraht (2) zur Behandlung von Schmelzen, insbesondere Eisen- oder Stahlschmelzen, mittels Drahtinjektion, mit einem äußeren Mantel (3) aus Metall und einem Inhalt (4). Um einen Fülldraht (2) zur Verfügung zu stellen, mit dem es möglich ist, ausreichend hohe Konzentrationen an Magnesium in die Metallschmelze reproduzierbar einzubringen, so daß eine gezielte Verbesserung der geforderten graphitischen Ausscheidungen im Eisen und eine günstige Beeinflussung seiner Werkstoffeigenschaften erreicht werden kann, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Inhalt (4) wenigstens einen massiven Innendraht (5) aus Vollmaterial als Kern aufweist und daß der Innendraht (5) aus Magnesium oder einer verformbaren Magnesiumlegierung besteht.
Description
Die Erfindung betrifft einen Fülldraht zur Behandlung von Schmelzen, insbesondere
Eisen- oder Stahlschmelzen, mittels Drahtinjektion, mit einem äußeren Mantel aus Me
tall und einem Inhalt.
Seit langem ist bekannt, daß die Werkstoffeigenschaften von Schmelzen, insbesonde
re von Gußeisen, nicht nur vom Anteil des Kohlenstoffes, sondern in entscheidendem
Maße auch von der Ausscheidungsform des Kohlenstoffs in der Matrix bestimmt
werden. Der Kohlenstoff kann in Form von lamellenartigen, vermiculargraphitischen
oder kugelförmigen Ausscheidungen vorliegen. Die Form der Ausscheidungen des
Kohlenstoffs wird hauptsächlich durch Hinzufügen von Magnesium beeinflußt. Ohne
Magnesium scheidet sich der Kohlenstoff in laminarer Form aus. Abhängig von der
einlegierten Menge des Magnesiums entstehen vermiculare oder bei höheren Men
gen kugelförmige Ausscheidungen.
Die Zugabe von Magnesium zu flüssigem Eisen oder Stahl ist allerdings aus zwei
Gründen sehr schwierig. Einerseits liegt der Siedepunkt des metallischen Magnesiums
schon bei 1102°C und somit deutlich unter der üblichen Behandlungstemperatur
von 1400 bis 1500°C bei Eisen und über 1600°C bei Stählen. Durch das Einbringen
des Magnesiums in die Schmelze entsteht ein Dampfdruck von über 1 MPa. Anderer
seits ist flüssiges und gasförmiges Magnesium äußerst sauerstoffaffin; es brennt sehr
stark. Diese Brände sind kaum zu kontrollieren. Dadurch ist das Verhältnis von ein
gebrachter Magnesiummenge zur resultierenden Menge bzw. zum Ausbringen sehr
ungünstig.
Zur metallurgischen Behandlung von flüssigem Eisen und Stahl mit Magnesium ins
besondere zur Herstellung von Sphäroguß sind bereits verschiedene Verfahren be
kannt. Sphäroguß wird zur Zeit überwiegend nach vier Verfahren hergestellt.
- a) Bei einem ersten Verfahren (dem Übergießverfahren) wird eine körnige magne siumhaltige Vorlegierung auf den Boden des Behandlungsgefäßes gelegt und mit flüssigem Eisen übergossen.
- b) Bei einem zweiten Verfahren (dem G. Fischer-Konverterverfahren) ist vorgese hen, Magnesium-Masseln bei liegendem oder schon mit flüssigem Eisen gefühl ten Reaktor in eine spezielle, mit Bohrungen versehene Kammer am oberen hin teren Teil einzubringen und durch Aufstellen des Reaktors in Kontakt mit dem flüssigen Eisen zu bringen.
- c) Bei dem dritten Verfahren (dem Tauchverfahren) wird eine blockförmige, ma gnesiumhaltige Vorlegierung in eine spezielle Vorrichtung in Art einer Tauch glocke gebracht und mittels dieser in ein mit flüssigem Eisen gefülltes Gefäß ein getaucht.
- d) Schließlich ist bekannt, einen mit körniger magnesiumhaltiger Vorlegierung oder Mischung aus reinem körnigen Magnesium und anderen Metallen oder Legie rungen gefüllten Fülldraht in das flüssige Eisen mittels einer Drahtinjektionsein richtung einzuspulen (Fülldrahtverfahren).
Die Verfahren, bei denen Magnesium in Form von Masseln oder Stangen eingebracht
wird, haben den Vorteil, daß die Reaktionen des Magnesiums aus kinetischen Grün
den zeitlich verzögert sind, da das Magnesium hierbei nur eine vergleichsweise kleine
Oberfläche hat. Daher kann das Magnesium tief in die Schmelze eingebracht werden,
ohne daß es schon auf diesem Weg in erheblichem Maße verdampft. Das Ausbringen
des Magnesiums ist daher besser als beim Einsatz von Magnesium mit körniger Struk
tur. Dieses hat den erheblichen Nachteil der großen Oberfläche und aufgrund dessen
einer sehr schnellen Reaktion. Allerdings haben die Verfahren, bei denen das in die
Schmelze eingebrachte Magnesium nur eine kleine Oberfläche hat, in der Regel den
Nachteil eines großen anlagetechischen Aufwands. Außerdem ist es aufgrund der
vergleichsweise großen Magnesiumstücke schwierig, eine genau definierte Menge an
Magnesium zuzugeben.
Andere übliche Verfahren zur Behandlung des flüssigen Eisens oder Stahls, wie das
Einspulen von Magnesium über Fülldraht, sind technisch unproblematisch, haben
aber den Nachteil, daß das Magnesium in körniger Form eingebracht werden muß,
daher eine große Oberfläche hat und infolge dessen hoch-reaktiv ist. Allerdings ist
dieses Verfahren insofern vorteilhaft, da der anlagentechnische Aufwand gering ist
und die Zugabemenge des Magnesiums exakt gesteuert werden kann. Zur Herabset
zung der Reaktivität und des Dampfdruckes ist man bei Fülldrähten daher zum Teil
dazu übergegangen, als Inhalt Legierungen mit relativ niedrigem Anteil an Magnesi
um zu verwenden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen Fülldraht der eingangs genann
ten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem es möglich ist, ausreichend hohe Konzen
trationen an Magnesium in die Metallschmelze reproduzierbar einzubringen, so daß
eine gezielte Verbesserung der graphitischen Ausscheidungen im Eisen und eine
günstige Beeinflussung seiner Werkstoffeigenschaften erreicht werden kann.
Die zuvor genannte Aufgabe ist bei einem Fülldraht der eingangs genannten Art er
findungsgemäß zunächst und im wesentlichen dadurch gelöst, daß der Inhalt wenig
stens einen massiven Innendraht aus Vollmaterial als Kern aufweist und daß der In
nendraht aus Magnesium oder einer verformbaren Magnesiumlegierung besteht. Die
Erfindung zeichnet sich also dadurch aus, daß ein durchgehender, quasi endloser
Volldraht oder Volldrahtabschnitte mit einer Länge, die kürzer ist als die Gesamtlänge
des Fülldrahtes, mit dem eigentlichen Behandlungsmittel für die Schmelze von einem
äußeren Mantel ummantelt wird/werden, so daß sich letztlich der Fülldraht ergibt. Der
Unterschied zu bekannten Fülldrähten besteht darin, daß bei den bekannten Füll
drähten der Mantel lediglich dazu dient, derr Inhalt als eigentliches Behandlungsmit
tel über die Drahtinjektionsmaschine überhaupt transportieren, d. h. der Schmelze zu
führen zu können.
Bei der Erfindung besteht der Inhalt des Kerns jedoch aus einem Volldraht, der an
sich schon über eine Drahtinjektionsmaschine transportiert werden könnte. Der Man
tel des erfindungsgemäßen Fülldrahtes erfüllt im Gegensatz zum Stand der Technik
nicht die Aufgabe der Realisierung des Transports des Behandlungsmittels, sondern
die Aufgabe der Verzögerung der Reaktion des Behandlungsmittels.
Durch die Erfindung ist sichergestellt, daß das Magnesium bzw. die verformbare Ma
gnesiumlegierung tiefer in die Schmelze eingebracht werden kann, bis es verdampft.
Dies hat letztlich zweierlei Ursachen. Einerseits muß zunächst einmal der Mantel des
Fülldrahtes aufgeschmolzen werden, bis die Schmelze an den Inhalt gelangt. Ande
rerseits liegt der Inhalt lediglich als Innendraht oder Innendrahtabschnitte aus Vollma
terial vor, so daß dieser Kern eine sehr geringe Oberfläche aufweist. Aufgrund der
beiden vorgenannten Merkmale wird die Verdampfung des Magnesiums bzw. der
Magnesiumlegierung sehr stark verzögert, so daß dieses Material besser in der
Schmelze reagieren kann und in weit geringerem Maße ungenutzt als Gas die Pfanne
verläßt und außerhalb verbrennt. Im übrigen führen das tiefe Einbringen des Inhalts
in die Schmelze und die aufgrund der geringen Oberfläche des Kerns resultierende
verzögerte Reaktion dazu, daß die Schmelze aufgrund des entstehenden Magnesium-
Gases gut gerührt, vermischt und homogenisiert wird und die nicht-metallischen Ab
scheidungen zur Oberfläche ausgetragen werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist
der Inhalt ein Füllmaterial auf, das wiederum ein Inertmaterial, ein Impfmittel und/oder
ein Legierungsmittel sein kann. Dabei dient das Inertmaterial im wesentlichen dazu,
das Aufschmelzen des Kerns weiter zu verzögern, so daß der Fülldraht noch tiefer in
die Schmelze eingebracht werden und dadurch der Kern als eigentliches Behand
lungsmittel langsamer mit der Schmelze reagieren kann.
Bei dem Inertmaterial kann es sich grundsätzlich um körniges oder pulverförmiges
Material handeln, das den Kern wie der äußere Mantel ummantelt. Die Einbringung
eines solchen Materials auf den Blechabschnitt, aus dem später der äußere Mantel des
Fülldrahtes hergestellt wird, ist während der Herstellung des Fülldrahtes ohne weite
res möglich.
Bei dem Füllmaterial kann es sich, wie zuvor bereits angesprochen, um Inertmaterial,
das keine (negativen) Wirkungen auf die Schmelze ausübt und die Reaktion des
Kerns mit der Schmelze verzögert, ein Impfmaterial oder ein Legierungsmittel han
deln. Bevorzugt handelt es sich bei dem Füllmaterial um Metalloxide, Schlacke, Ei
senpulver, Stahlpulver, Salze, Graphit, Siliziumcarbit, Ferrolegierungen, wie Ferrosili
zium, CeMM und/oder Mischungen aus wenigstens zwei Stoffen der vorgenannten
Materialien. Auch arteigene Schlacke kann ohne weiteres als Füllmaterial an sich
oder als Teil des Füllmaterials dienen.
Bei Versuchen, die durchgeführt worden sind, wurde festgestellt, daß besonders gute
Ergebnisse erzielt werden, wenn der Anteil des Inertmaterials am Füllmaterial an sich
zwischen 20 und 98 Gew.-% und insbesondere zwischen 30 und 95 Gew.-% des
Füllmaterials ausmacht. Erkennbar kann also durchaus ein ausgesprochen hoher An
teil des Inertmaterials verwendet werden.
Im übrigen ist festgestellt worden, daß günstige Ergebnisse bei der Reaktionsverzö
gerung des Kerns dann erzielt werden, wenn die Korngröße des Füllmaterials kleiner
2 mm ist. Allerdings sollte darauf geachtet werden, daß die Korngröße des Füllmateri
als nicht kleiner 0,1 mm ist, es sich also nicht um Staub handelt, der schlecht verarbei
tet werden kann.
Der erfindungsgemäße Fülldraht kann je nach Anwendungszweck und Behand
lungsmenge der zur Verfügung stehenden Pfanne einen Durchmesser zwischen 5 bis
25 mm aufweisen. Vorzugsweise wird ein Draht mit einem Durchmesser von 9 bis 13 mm
eingesetzt. Je nach dem, ob der Inhalt ausschließlich von dem Volldraht gebildet
wird oder aber ob noch Inertmaterial vorgesehen ist, wird ein Volldraht mit einem
Durchmesser verwendet, der entweder den Innendurchmesser des Mantels völlig aus
füllt oder aber 2 bis 4 mm geringer ist als der Innendurchmesser des Mantels.
Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Behandlung von
Schmelzen, insbesondere Eisen- oder Stahlschmelzen mit einem Fülldraht der vorge
nannten Art, wobei der erfindungsgemäße Fülldraht mit einer Drahtinjektionseinrich
tung mit einer Geschwindigkeit zwischen 20 und 120 m/min in die Schmelze einge
bracht wird.
In den Figuren wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin
dung beschrieben. Dabei zeigt
Fig. 1 eine Ansicht eines zu einem Coil aufgewickelten erfindungsgemäßen
Fülldrahts,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform eines erfin
dungsgemäßen Fülldrahtes und
Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfin
dungsgemäßen Fülldrahtes.
In Fig. 1 ist ein Coil 1 eines Fülldrahtes 2 dargestellt. Der Fülldraht 2 dient zur Be
handlung von Schmelzen, insbesondere Eisen- oder Stahlschmelzen, mittels Drahtin
jektion. Der Fülldraht 2 weist, wie sich aus den Fig. 2 und 3 ergibt, einen äußeren
Mantel 3 aus Metall und einen Inhalt 4 auf, bei dem es sich um das eigentliche Be
handlungsmaterial bzw. -mittel handelt. Bei dem Mantel 3 handelt es sich um einen
der Länge des Fülldrahtes 2 entsprechenden ursprünglich flachen Blechabschnitt, der
entsprechend zur Aufnahme des Inhalts 4 geformt worden ist, wobei die Längsränder
miteinander verbunden worden sind. Vorliegend sind die Längsränder verfalzt wor
den. Grundsätzlich ist es bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform auch mög
lich, daß der Inhalt mit einem quasi endlosen Metallstreifen zur Bildung des Mantels
umwickelt worden ist.
Wesentlich ist nun, daß der Inhalt 4 wenigstens einen massiven endlosen Innendraht
5 als Kern aufweist. Der Innendraht 5 erstreckt sich dabei über die gesamte Länge
des Fülldrahtes 2. Es versteht sich allerdings, daß es grundsätzlich auch möglich ist,
mehrere nebeneinanderliegende Innendrähte 5 vorzusehen oder aber nur einen oder
mehrere Innendrahtabschnitte mit einer Länge, die kürzer ist als die Länge des Füll
drahtes 2.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen besteht der Innendraht 5 aus Magne
sium. Es ist aber auch möglich, daß der Innendraht 5 aus einer verformbaren Magne
siumlegierung oder aber grundsätzlich auch aus einem anderen hoch-reaktiven Be
handlungsmaterial besteht, mit dem die Eigenschaften der Schmelze beeinflußt wer
den können. Der Mantel 3 selbst besteht vorliegend aus Kohlenstoffstahl.
Während bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Inhalt 4 aus dem Innen
draht 5 besteht, ist bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform vorgesehen, daß
der Inhalt 4 neben dem Innendraht 5 ein für die Schmelze zumindest im wesentlichen
inertes Material als Füllmaterial 6 aufweist, das pulverförmig oder körnig ist. Im darge
stellten Ausführungsbeispiel ist der Innendraht 5 in das Inertmaterial eingebettet
und befindet sich zentrisch darin. Durch diese zentrische Anordnung des Innen
drahtes 5 innerhalb des Inertmaterials ist sichergestellt, daß das Inertmaterial an jeder
Stelle die gleiche Dicke hat. Es sei allerdings darauf hingewiesen, daß es auch möglich
ist, daß der Innendraht nicht mittig innerhalb des Mantels 3 angeordnet ist. Dies kann
(unbeabsichtigte) herstellungstechnische Gründe haben oder aber daraus resultieren,
daß das Magnesium an einer Stelle beim Einbringen in die zu behandelnde Schmelze
schnell reagieren soll, an einer anderen Stelle aber erst später. Das Füllmaterial kann
aus Metalloxiden, Schlacke, Eisenpulver, Stahlpulver, Salzen, Graphit, Siliziumcarbit,
Ferrolegierungen wie Ferrosilizium, CeMM und/oder Mischungen aus wenigstens
zwei Stoffen der vorgenannten Materialien bestehen. Es kann einen Gewichtsanteil
von bis zu 98% des Inhalts 4 ausmachen.
Nicht dargestellt ist, daß auf den Innendraht 5, die Außenfläche und/oder die Innen
fläche des Mantels 3 eine Beschichtung aufgebracht sein kann, die einen metallurgi
schen Effekt bewirken soll, aber auch wie das Füllmaterial wirken kann und damit
gleichzeitig die Wirkung eines Reaktionsverzögerers hat.
Nachfolgend wird ein erfindungsgemäßes Behandlungsbeispiel beschrieben. In der
folgenden Tabelle werden Behandlungen einer 7 t-Charge von Eisenschmelzen in ei
ner Gießpfanne beschrieben, um Vermicular-Kugelgraphitguß zu erzeugen. Die Tem
peratur der Eisenschmelzen betrug jeweils etwa 1450°C. Die behandelten Schmelzen
sollten entweder 0,045 Gew.-% bzw. 0,025 Gew.-% Magnesium enthalten, um als
Sphäroguß bzw. Eisenguß mit vermiculargraphitischen Ausscheidungen vergossen
zu werden. Für die als Beispiel herangezogenen 7 t-Chargen wurden jeweils Fülldräh
te von 9 mm Durchmesser verwendet, die mit einer Geschwindigkeit von etwa
30 m/min in die Eisenschmelzen mit einer Drahtinjektionsmaschine eingespult wurden.
Claims (13)
1. Fülldraht (2) zur Behandlung von Schmelzen, insbesondere Eisen- oder Stahl
schmelzen, mittels Drahtinjektion, mit einem äußeren Mantel (3) aus Metall und einem
Inhalt (4), dadurch gekennzeichnet, daß der Inhalt (4) wenigstens einen massiven
Innendraht (5) aus Vollmaterial als Kern aufweist und daß der Innendraht (5) aus Ma
gnesium oder einer verformbaren Magnesiumlegierung besteht.
2. Fülldraht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (3) aus Stahl,
insbesondere Kohlenstoffstahl besteht.
3. Fülldraht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Inhalt (4) ein
Füllmaterial (6) aufweist.
4. Fülldraht nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial (6) ein
für die zu behandelnde Schmelze zumindest im wesentlichen inertes Material
(Inertmaterial), ein Impfmaterial und/oder ein Legierungsmittel aufweist.
5. Fülldraht nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendraht
(5) in das Füllmaterial (6) insbesondere zentrisch eingebettet ist.
6. Fülldraht nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial
(6) pulverförmig oder körnig ist.
7. Fülldraht nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das
Füllmaterial (6) Metalloxide, Schlacke, Eisenpulver, Stahlpulver, Salze, Graphit, Silizi
umcarbid, Ferrolegierungen, wie Ferrosilizium, CeMM und/oder Mischungen aus
wenigstens zwei Stoffen der vorgenannten Materialien aufweist.
8. Fülldraht nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das
Füllmaterial (6) zwischen 20 und 98 Gew.-% des Inhalts (4) ausmacht.
9. Fülldraht nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Korngröße des Füllmaterials (6) kleiner 2 mm und insbesondere größer 0,1 mm ist.
10. Fülldraht nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf den
Innendraht (5), die Außenfläche des Mantels (3) und/oder die Innenfläche des Man
tels (3) eine Beschichtung zur Behandlung der Schmelze und/oder zur Reaktionsver
zögerung des Innendrahtes (5) mit der Schmelze aufgebracht ist.
11. Fülldraht nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der
Außendurchmesser des Mantels (3) zwischen 5 und 25 mm liegt.
12. Fülldraht nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der
Außendurchmesser des Innendrahtes bis zu 5 mm geringer ist als der Innendurchmes
ser des Mantels (3).
13. Verfahren zur Behandlung von Schmelzen, insbesondere Eisen- oder Stahl
schmelzen, mittels Drahtinjektion, unter Verwendung eines Fülldrahtes (2) nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fülldraht (2) mittels einer Drahtinjekti
onseinrichtung in die Schmelze mit einer Geschwindigkeit zwischen 20 und 120 m/min.
vorzugsweise 20 bis 40 m/min eingebracht wird.
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