DE19916235A1 - Fülldraht zur Behandlung von Schmelzen mittels Drahtinjektion - Google Patents

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.