DE2554782C3

DE2554782C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Impfbehandlung von Gußeisenschmelzen

Info

Publication number: DE2554782C3
Application number: DE19752554782
Authority: DE
Inventors: Michael Dr.-Ing. 4005 Meerbusch Gloz
Original assignee: Individual
Current assignee: CASPERS, KARL-HEINZ, 8501 SCHWAIG, DE
Priority date: 1975-12-05
Filing date: 1975-12-05
Publication date: 1983-04-07
Also published as: DE2554782B2; DE2554782A1

Description

Ein Gußeisengefüge wird in hohem Maße durch die in 4-, der Schmelze vorhandenen Fremdteilchen (Keimbildung) und die Abkühlgeschwindigkeit (Kristallwachstum) beeinflußt. Eine gleichzeitige Keimbildung an möglichst vielen Stellen ist dabei zur Erzielung guter Werkstoffeigenschaften wünschenswert. Die Anzahl der wirksamen Fremdteile ist abhängig von der Gattierung und den Einsatzstoffen, dem Schmelzaggregat und der Schmelzführung. Außerdem kann die Anzahl der wirksamen Fremdteile noch durch eine Impfbehandlung beeinflußt werden.

Bei der Impfbehandlung wird dem Gußeisen in flüssigem Zustand vor dem Gießen ein Impfmaterial zugesetzt. Das kann auf verschiedene Weise geschehen. Als zweckmäßig hat es sich aber erwiesen, das Impfmaterial während eines Füllvorganges, z. B. beim Einfüllen des flüssigen Eisens in eine Gießpfanne, dem aus einer Ausgußöffnung rinnenden Eisen kontinuierlich in dosiener Menge zuzugeben. Dadurch wird besonders einfach eine homogene Verteilung des Impfmaterials in dem flüssigen Eisen erreicht. tr>

Die Impfbehandlung spielt eine wichtige Rolle zur Gewährleisiung guter Werkstoffeigenschaften. Eines ihrer Ziele ist die F.rhöhung der Fähigkeit zur Graphitbildung (Typ A) mit einer optimalen statistischen Verteilung. Mit einer solchen Graphitausscheidung während der Erstarrung wird die sogenannte Weißerstarrung vermindert oder gar vermieden, die ein Kennzeichen für die Bildung von Ledeburit ist. Weiterhin soll die Impfbehandlung den Gefügeaufbau innerhalb von Gußstücken mit unterschiedlicher Abkühlungsgeschwindigkeit bei gleicher Werkstoffzusimmensetzung ausgleichen. Auch die Treffsicherheit der mechanischen Eigenschaften, die hauptsächlich von den obengenannten Faktoren abhängen, und die Steigerung des Vollendungsgrades der Gußteile wird mit der Impfbehandlung angestrebt.

Nach neuen Erkenntnissen wird die Impfung des Gußeisens als ein Desoxidationsvorgang verstanden, wenngleich über die komplexen Vorgänge beim Impfen durch Desoxidationsprodukte noch keine volle Klarheit besieht. Wichtige Bedingung ist jedoch, daß die Schmelze genügend Sauerstoff enthält. Diese Bedingung wird je nach den metallurgischen Herstellungsbedingungen häufig nicht erfüllt, und dann ist die Wirkung einer Impfbehandlung auf die Keimbildung und den Keimgehalt der Schmelze nur gering. Das gilt besonders für das Schmelzen von Gußeisen im Neufrequenz-Induktions-Tiegelofen und beim Speichern und Warmhalten im Netzfrequenz-Induktions-Rinnofen. Bei dieser Art geschmolzenem bzw. warmgehaltenem Gußeisen ist für e>ne Impfbehandlung eine sehr große Menge Impfmaterial nötig. Dennoch besteht die Gefahr, daß selbst die Zugabe einer hohen Impfmaterialmenge auf Ferrosiliciumbasis von z. B. 0,4 Gew.-% oder die Verwendung von Spezialimpflegierungen mit den sehr wirksamen Elementen Kalzium, Zirkon, Strontium oder Barium keinen oder nur einen geringen Impfeffekt (Erhöhung der Fähigkeit zur Graphitbildung Typ A und Vermeiden oder Vermindern der Weißerstarrung) bewirkt. Neben einem übermäßigen Verbrauch an Impfmaterial sind mangelhafte und stark streuende Werkstoffeigenschaften innerhalb eines Gußteils und von Gußteil zu Gußteil und eine schlechte Bearbeitbarkeit der Gußteile sowie erhöhte Ausschuß- und Nacharbeitsquoten und ein größerer Aufwand für die Qualitätssicherung die Folge einer nicht ausreichenden Impfwirkung.

Um eine auf ungenügenden Sauerstoffgehalt der Schmelze zurückgehende Beeinträchtigung der Impfwirkung zu vermeiden, ist es bereits bekannt, von einer dosierten Übersättigung des Gußeisens an gelöstem Sauerstoff Gebrauch zu machen, indem vor dem Impfvorgang Luft in das flüssige Eisen eingeblasen oder Eisenoxid dem flüssigen Eisen zugegeben wird. Dadurch läßt sich die Impfwirkung verbessern und entsprechend der Verbrauch an Impfmaterial senken. Die Notwendigkeit einer gesonderten Sauerstoff-Vorbehandlung des flüssigen Eisens ist dabei jedoch ein Nachteil. Diese Vorbehandlung stellt einen zusätzlichen, entsprechend aufwendigen Verfahrensschritt dar und muß, wenn sie wirksam sein soll, in zeitlicher Abstimmung mit der Impfbehandlung erfolgen. In einer ganzen Reihe von Fällen läßt sich diese Vorbehandlung überdies auch gar nicht durchführen.

Mit der Erfindung soll demgegenüber ein Verfahren zur Impfbehandlung von Gußeisenschmelzen geschaffen werden, das es gestattet, den Sauerstoffgehalt des flüssigen Eisens wesentlich einfacher und auch sicherer einzustellen, als das bisher möglich war.

Um dieses Ziel zu erreichen, geht die Erfindung aus von der Methode, das Impfmaterial dem rinnenden

Eisen zuzusetzen, statt es in stehendes flüssiges Eisen einzugeben. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, das rinnende Eisen während der Zugabe des Materials zusätzlich mit Sauerstoff zu überblasen. Unter dem Begriff »Sauerstoff« ist in diesem Zusammenhang sowohl reiner Sauerstoff zu verstehen als auch eine mit Sauerstoff angereicherte Atmosphäre, z. B. mit Sauerstoff angereicherte Luft.

Bei der Erfindung wird somit die Sauerstoffbehandlung in einem Zuge mit der eigentlichen Impfbehsndlung durchgeführt. Es wurde gefunden, daß die Sauerstoffbegasung des rinnenden Eisens gleichzeitig mit der Zugabe des Impfmaterials (z. B. sauerstoffaffine Elemente in Form einer Impflegierung auf Basis von Ferrosilicium) außerordentlich günstige Bedingungen für die Fremdkeimbildung und Ausfällung von Oxidpartikein im Gießstrahl und in der Gießpfanne schafft. Im allgemeinen genügt dabei eine Menge von 50 1 O2 pro Tonne Eisen.

Zweckmäßig ist es, das rinnende Eisen auch vor und nach der Zugabe des Impfmaterials mit Sauerstoff zu überblasen. Weiterhin läßt sich der mit der Erfindung erzielbare Effekt dadurch verstärken, daß zusätzlich das Impfmaterial vor dem Kontakt mit dem Eisen noch mit Sauerstoff angereichert wird. Eine solche gesonderte Sauerstoffanreicherung des Impfmaterials ist wesentlich einfacher und leichter durchführbar als eine Sauerstoff-Vorbehandlung der Gußeisenschmelze.

Die Erfindung führt nicht nur zu einer Verbesserung in der Qualität der Impfbehandlung des flüssigen Eisens, sondern ist auch in vorrichtungsmäßiger Hinsicht ^hr vorteilhaft. Für die Impfbehandlung von rinnendem Eisen ist normalerweise oberhalb des rinnenden Eisens ein mit einem Ausguß versehener Behälter für das Impfmaterial schwenkbar angeordnet, und im Verfolg des Erfindungsgedankens braucht lediglich an diesem Behälter unterhalb des Ausgusses eine Begasungsdusche vorgesehen zu werden. Das ergibt eine sehr einfache, wenip aufwendige Konstruktion mit guter Funktionsfähigkeil.

Es hat sich gezeigt, daß ein konstanter Abstand zwischen der Begasungsdusche und dem rinnenden Eisen vorteilhaft ist. Demgemäß ist in weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, daß dem Behälter eine Führung zur Einhaltung eines konstanten Abstandes zwischen der Begagungsdusche und dem rinnenden Eisen zugeordnet ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, erläutert. Darin bedeutet

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Impfbehandlung gemäß der Erfindung,

Fig. 2a eine Frontansicht eines Impfbehälters mit Begasungsdusche,

Fig. 2b eine Seitenansicht des Impfbehälters gemäß F i g. 2a,

F i g. 2c eine Draufsicht auf dem Impfbehälter gemäß Fig. 2b und 2a,

Fig. 3a eine Frontansicht des erfindungsgemäß geführten Impfbehälters unmittelbar vor der Impfbehandlung.

Fig. 3b eine Seitenansicht der Anordnung gemäß F i g. 3a.

In Fig. 1 ist das Prinzip der Erfindung zu erkennen. Aus einem Tiegel 16, der z. B. Bestandteile eines Induktions-Tiegelofens sein kann, rinnt flüssiges Eisen aus einer Ausgußöffnung 14 heraus. In das rinnende Eisen wird aus einem impfbehälur 1 das Impfmaterial gleichmäßig zugegeben. Bei durchgeführten Impfbehandlungen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, das Zugeben des Impfmaterials aus einer Entfernung von ca. 200 mm zum rinnenden Eisen vorzunehmen.

Die F i g. 2 mit den Darstellungen 2a, 2b und 2c zeig' eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung des Impfbehäliers 1. Aus der Frontansicht in Fig.2a ist zu erkennen, daß unterhalb des Ausgusses »ine Begasungsdusche 2 angeordnet ist, die von einem Zuleitungsrohr 3 gespeist wird. Das Zuleitungsrohr 3 wird in leichter Aufwärtsbewegung seitlich von dem Behälter 1 weggeführt und dient gleichzeitig als Halterung für den Behälter 1.

Die Begasungsdusche 2 kann etwa 20 bis 30 Bohrungen von je 1 mm Durchmesser bei einem Durchmesser der Dusche von 80 bis 100 mm aufweisen; der aus ihr austretende Gasstrom tritt in einem Kegel von ca. 30° aus. Vorzugsweise wird die Begagungsdusehe 2 mit einem Druck von 8 bis 10 bar gespeist, während von der Begasungsdusche bis zum rinnenden Eisen ein Abstand von ca. 100 mm eingehalten wird.

Es hat sich gezeigt, daß der Sauerstoffgehalt einer Gußschmelze von z.B. 0,0015 bis 0,0025 Gew.-% im Ausgang auf 0,003 bis 0,004 Gew.-% nach einer im Verlauf der Impfbehandlung vorgenommenen Bega-■ sung angehoben werden kann. Als Richtwert für die bei einer Entfernung von ca. 100 mm und 8 bis 10 bar Leitungsdruck über das rinnende Eisen überblasene

jo Sauerstoffmenge haben sich 0,04 bis 0,05 I O₂/kg Eisen als zweckmäßig erwiesen.

Beim Schmelzen im Heißwindkupolofen liegt der Sauerstoffgehalt des Gußeisens im Minimum bei etwa 0,0025 Gew.-%. Es genügt demzufolge eine Sauerstoffmenge von 0,01 bis 0,0251 Ch/kg Eisen, um einen Sauerstoffendgehalt nach einer die Impfbehandlung begleitenden Begasung von 0,005 Gew.-% Sauerstoff in der Schmelze nicht zu überschreiten.

In Fig.3 ist am Beispiel eines N.F.-Tiegelofcns 16 die Durchführung des Verfahrens in einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel dargestellt. Über der Ausgußöffnung 14 ist der Impfbehälter 1 mit der daran befestigten Begasungsdusche 2 angeordnet. Er wird in seiner Lage durch das Zuleitungsrohr 3 gehalten, daß in einem Führungsrohr 4 axial in Rohrrichtung verschieblich angeordnet ist. Zur Versteifung der Halterung in der Nähe des Impfbehälters 1 ist an dem Zuleitungsrohr 3 ein Stützträger 12 befestigt. Zur genauen Positionierung des Impfbehälters 1 quer zur Rinnrichtung der Ausgußöffnung 14 ist das Zuleitungsrohr 3 oberhalb des Führungsrohres 4 mit einer Fixierungsscheibe Il versehen, die die Beweglichkeit des Zuleitungsrohres 3 in dem Führungsrohr 4 in Abwärtsrichtung begrenzt.

Auf die bei einem N.F.-Tiegelofen übliche Ofenbühne ist eine Stützkonstruktion 5 und 6 aufgesetzt, deren dem Tiegel abgewandte Stütze 6 als Rohr ausgebildet ist. In sein oberes offenes Ende ragt, befestigt an dem Führungsrohr 4, ein Zapfen 7 hinein, wodurch das Führungsrohr 4 mit dem darin befindlichen Zuleitungs-

bo rohr 3 um die so gebildete vertikale Achse geschwenkt werden kann. Das Führungsrohr 4 stützt sich dabei noch auf einer oberhalb der Stütze 5 angeordneten Quertraverse ab, auf der Anschläge 8 die Schwenkbewegung des Führungsrohres 4 begrenzen (F i g. 3b).

b5 Zur Bedienung der Vorrichtung ist am Ende des Zuleitungsrohres 3 noch ein Regulierhahn 9, ζ. Β. ein Kugelhahn, vorgesehen, zu dem ein Zuleitungsschlauch 10 von einer Sauerstoffquelle führt. Zum Eingeben einer

neuen Charge von Impfmaterial in den Impfbehälter I kann das Zuleitungsrohr 3 sehr leicht in dem Führungsrohr 4 vom Tiegelofen 16 so weit weggeschoben werden, daß der Impfbehälter t außerhalb des Ofenbereiches gelangt. An dieser Stelle ist eine Nachfüllung ohne Wärmebelästigung seitens des Ofens oder sonstige Gefährdung des Bedienungspersonals möglich.

Während der zum Beispiel eine Minute betragenden Einfüllzeit des Gußeisens aus dem Ofen in eine Gießpfanne — es sind Einfüllzeiten von 0,75 bis 1,5 Minuten üblich — wird mit der in Bild 3 gezeigten Vorrichtung die Oberfläche des Eisenstrahls (Ausgußleistung ca. 15 kg pro Sekunde) mit Sauerstoff angeblasen. Entsprechend den verschiedenen Kippstellungen des N.F.-Tiegelofcns 16 bei der Eisenentleerung kann, der Impfbehälter 1 mit der daran befestigten Begasungsdusche 2 durch Verschieben in horizontaler Richtung so geführt werden, daß die Begasungsdusche 2 stets eine Entfernung von ca. 100 mm zum Eisenstrahl einnimmt. Neben dieser horizontalen Führung des Impfbehälters 1 wird dieser noch zum gleichmäßigen Zugeben des Impfmaterials durch Drehen des Zuleitungsrohres 3 in dem Führungsrohr 4 geschwenkt. Während der

Impfbehandlung weist das rinnende Eisen im allgemeinen eine Temperatur von 1480bis l550°Cauf.

Die Zugabe von Impflcgierungen bei gleichzeitiger Sauerstoffbegasung des flüssigen Eisens bewirkt eine deutliche Verminderung der bei der eutektischen Erstarrung auftretenden Unterkühlung ΔΤ, eine Erhöhung der Zahl eutektischer Zellen pro cm², eine Steigerung des A-Graphitanteils auf 80 bis 100% (Flächenanteil) und eine Verminderung der Weißeinstrahlung am Gießkeil (Gießkeilprobe).

Unabhängig von den Schmelzbedingungen (N.F.-Tiegelofen, N.F.-Induktions-Rinnen, Heißwindkupolofen) kann bei der Sauerstoffbegasung die Zugabemenge an Impfmaterial gesenkt werden. Mit Hilfe des sogenannten Unterkühlungsquotienten ΔΤΑ/ΔΤΙ ist eine gute Beurteilung der Wirksamkeit einer Impfbehandlung gemäß der Erfindung möglich.

Zur Verdeutlichung der erzielbaren Vorteile wurden an mehreren Schmelzen aus einem N.F.-Tiegelofen und einem Heißwindkupolofen die in Tafel 1 erhaltenen Kenngrößen zur Beurteilung der Impfwirkung bestimmt; die außerordentlich günstige Kenngrößen für die geimpften Schmelzen zeigen die erzielbaren Vorteile deutlich.

Tafel 1

Kenngrößen bei einer Impfung mit und ohne Sauerstoffbegasung

Kenngröße

Sauerstoffgehalt vorher
Sauerstoffbegasung
Sauerstoffgehalt nachher
Impfmenge

Ausgangsunterkühlung Δ Τ_Α
Impfunterkühlung ΔΤι
Unterkühlungsquotient

ATaZAT₁
Zeilenzahl

(Probe 30 mm Dmr.)
A-Graphit
CEL-Wert
Liquidustemperatur

N. F.-Tiegelofen	Hierzu 5	Impfung mit	Heißwindofen	Impfung mit
Impfung ohne		Begasung	Impfung ohne	Begasung
Begasung	0,0015 Gew.-%	Begasung	0,0035 Gew.-%
0,0015 Gew.-o/o	0,02 1 Os/kg	0,0035 Gew.-%	0,01 I O2/kg
keine	0,0030 Gew.-%	keine	0,0045 Gew.-%
0,0025 Gew.-%	0,25% ZL 80	0,0035 Gew.-%	0,15% ZL 80
0,35% ZL 80	20⁰C	0,25% ZL 80	19⁰C
19°C	10⁰C	18^CC	8° C
14°C	2,0	11°C	2,4
1,36	450/cm²	1,63	500/cm²
250/cm²	85%	350/cm²	90%
50%	4,00	70%	3,96
4,00	1180°C	3,96	1185⁰C
1180⁰C	Blatt Zeichnungen	1185°C

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Impfbehandlung von Gußeisenschmelzen, indem ein Impfmateria! während eines Füllvorganges dem aus einer Ausgußöffnung rinnenden Eisen kontinuierlich zugegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß das rinnende Eisen während der Zugabe des Impfmaterials zusätzlich mit Sauerstoff überblasen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rinnende Eisen auch vor und nach der Zugabe des Impfmaterials mit Sauerstoff überblasen wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Impfmaterial vor dem Kontakt mit dem Eisen mit Sauerstoff angereichert wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, wobei oberhalb des aus der Ausgußöffnung rinnenden Eisens ein mit einem Ausguß versehener Behälter für das Impfmaterial schwenkbar angeordnet ist, dsdurch gekennzeichnet, daß an dem Behälter (1) unterhalb des Ausgusses eine Begasungsdusche (2) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das rinnende Eisen aufgrund einer Schwenkbewegung der Ausgußöffnung ortsveränderlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Behälter (1) eine Führung zur Einhaltung eines konstanten Abstandes zwi- jo sehen der Begasungsdusche (2) und dem rinnenden Eisen zugeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung eine horizontale Führung ist, mittels der der Behälter (1) in Rinnrichtung des j5 Eisens horizontal verschieblich ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) quer zur Rinnrichtung des Eisens verschieblich gelagert ist.