EP3666415A1 - Verfahren zur herstellung von gjs und gjv gusseisen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von gjs und gjv gusseisen Download PDF

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EP3666415A1
EP3666415A1 EP18212500.5A EP18212500A EP3666415A1 EP 3666415 A1 EP3666415 A1 EP 3666415A1 EP 18212500 A EP18212500 A EP 18212500A EP 3666415 A1 EP3666415 A1 EP 3666415A1
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EP
European Patent Office
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magnesium
melt
treatment
ladle
converter
Prior art date
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Withdrawn
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EP18212500.5A
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English (en)
French (fr)
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Mathias Lueben
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GF Casting Solutions Kunshan Co Ltd
GF Casting Solutions Leipzig GmbH
Original Assignee
GF Casting Solutions Kunshan Co Ltd
GF Casting Solutions Leipzig GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D1/00—Treatment of fused masses in the ladle or the supply runners before casting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C1/00—Refining of pig-iron; Cast iron
    • C21C1/10—Making spheroidal graphite cast-iron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C7/00—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/0075—Treating in a ladle furnace, e.g. up-/reheating of molten steel within the ladle
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C33/00—Making ferrous alloys
    • C22C33/08—Making cast-iron alloys
    • C22C33/10—Making cast-iron alloys including procedures for adding magnesium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/04—Cast-iron alloys containing spheroidal graphite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/10—Cast-iron alloys containing aluminium or silicon

Definitions

  • magnesium or a magnesium-containing alloy is added to the base iron, which corresponds in composition to untreated cast iron.
  • the carbon is not separated out in the form of lamellar graphite, but as spheroidal graphite.
  • the addition of magnesium which has a high affinity for oxygen and sulfur, reduces the oxides present in the melt, it forms magnesium oxide and binds the sulfur as magnesium sulfide.
  • the magnesium oxides and sulfides rise to the surface over their residence time in the liquid iron and slag there. Magnesium treatment increases the surface tension of the melt, which means that the graphite tends to be spherical.
  • the base iron is alloyed with rare earths and a significantly reduced but also regulated addition of magnesium.
  • Another way to generate GJV is to add a titanium and cerium-containing magnesium alloy to set the desired vermicular graphite shape.
  • magnesium is added to the base iron in the converter in pure form or in the form of an alloy, the magnesium content in the converter being lower than in the melt which is being poured and a final magnesium addition after the magnesium has been added to the converter or.
  • -treatment of the melt pretreated with magnesium takes place during the transfer from the die casting furnace into the ladle.
  • the raw materials preferably have a low sulfur content in order to keep the extent of desulfurization as low as possible.
  • the base iron is then transferred to a converter or a magnesium treatment and / or transport pan.
  • Magnesium is added to the base iron in the converter or in the magnesium treatment and / or transport pan, in pure form or in a magnesium-containing alloy, the magnesium content in the melt being lower than after the magnesium has been added in the converter or in the magnesium treatment and / or transport pan in the melt, which is poured into the molds.
  • the next step is to fill the melt, which has been pretreated with magnesium, into a die-casting furnace at a molding and casting system, the melt being kept at the casting temperature. Subsequently, the melt pretreated with magnesium is poured into the ladle, with a final magnesium addition preferably in the form of a pretreatment alloy based on FeSiMg taking place during the transfer of the magnesium pretreated melt from the die casting furnace into the ladle.
  • the structure of the structure can be matched to the metallurgical condition by the individual addition of magnesium for the final treatment in the melt pretreated with magnesium during the transfer into the ladle.
  • the alloy is preferably also inoculated while the Mg is being added when it is transferred to the pouring ladle.
  • This enables the inoculant to be added easily and can be adapted to small amounts of the melt, as a result of which small batches with the corresponding properties can be poured.
  • the addition of the inoculant during the transfer or during the addition of magnesium can also react to a change in the metallurgical quality, the germ state of the melt by dynamically adjusting the amount of inoculant during the transfer.
  • the amount of magnesium which is added to the casting ladle for the final treatment during the transfer is preferably monitored and regulated by means of thermal analysis.
  • the thermal analysis must be carried out for each batch in order to ensure complete control. This means that the amount of magnesium that is supplied can be dynamically adjusted and immediately matched to the melt.
  • the amount of inoculant added to the ladle for final treatment during transferring is also monitored and controlled by thermal analysis.
  • the final addition of magnesium and / or addition of inoculant preferably takes place at most 120s before casting.
  • the decay effect of magnesium and vaccination treatment is too high. In this case, process-reliable microstructure formation cannot be ensured.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Gusseisen mit Kugel- oder Vermiculargraphit das die folgenden Schritte aufweist:• Einschmelzen des Rohmaterials zu Basiseisen, vorzugsweise in einem Kupol- oder Elektroofen;• Umfüllen des Basiseisens in einen Konverter oder eine Magnesiumbehandlungs- und/oder Transportpfanne, wobei dem Basiseisen im Konverter oder in der Magnesiumbehandlungs- und/oder Transportpfanne Magnesium in reiner Form oder eine magnesiumhaltige Legierung zugeführt wird, wobei nach der Magnesiumzugabe im Konverter oder in der Magnesiumbehandlungs- und/oder Transportpfanne der Mg-Gehalt in der Schmelze tiefer ist als in der Schmelze welche vergossen wird;• Einfüllen der mit Magnesium vorbehandelten Schmelze in einen Druckgiessofen an einer Form- und Giessanlage und auf Giesstemperatur halten;• Umfüllen der mit Magnesium vorbehandelten Schmelze vom Druckgiessofen in eine Giesspfanne der Form- und Giessanlage• und eine finale Magnesiumzugabe währen des Umfüllens der mit Magnesium vorbehandelten Schmelze vom Druckgiessofen in die Giesspfanne erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) oder Vermiculargraphit (GJV), das die folgenden Schritte aufweist:
    • Einschmelzen des Rohmaterials zu Basiseisen für die Herstellung von Gusseisen mit Kugel- oder Vermiculargraphit vorzugsweise in einem Kupol- oder Elektroofen;
    • Umfüllen der Basisschmelze in eine Magnesiumbehandlungs- und Transportpfanne oder einen Konverter;
    • Einfüllen der Schmelze in einen Druckgiessofen an einer Form- und Giessanlage und auf Giesstemperatur halten:
    • Umfüllen der Schmelze vom Druckgiessofen in eine Giesspfanne der Form- und Giessanlage.
  • Um ein duktiles Gusseisen mit einer kugeligen Graphitausbildung zu erhalten wird dem Basiseisen, welches von der Zusammensetzung her unbehandeltem Gusseisen entspricht, Magnesium oder eine magnesiumhaltige Legierung zugegeben. Durch die Behandlung des Basiseisens mit Magnesium scheidet sich der Kohlenstoff nicht in Form von Lamellengraphit, sondern als Kugelgraphit aus. Die Zugabe von Magnesium, welches eine hohe Affinität zu Sauerstoff und Schwefel besitzt, reduziert die in der Schmelze vorhandenen Oxide, es bildet sich Magnesiumoxid und bindet den Schwefel als Magnesiumsulfid. Die Magnesiumoxide und -sulfide steigen über ihre Verweildauer im flüssigen Eisen an die Oberfläche und verschlacken dort. Durch eine Magnesiumbehandlung wird die Oberflächenspannung der Schmelze erhöht, wodurch der Graphit sich tendenziell kugelig ausscheidet.
    Um wiederum Gusseisen mit Vermiculargraphit zu erzeugen erfolgt eine Legierung des Basiseisens mit seltenen Erden sowie einer deutlich reduzierten, aber ebenso geregelte Zugabe an Magnesium. Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung von GJV ist die Zugabe einer titan- und cerhaltigen Magnesiumlegierung, um die gewünschte vermiculare Graphitform einzustellen.
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt das Magnesium vor oder beim Einfüllen in den Druckgiessofen der Schmelze zugegeben wird um die gewünschte Graphitausbildung zu erhalten. Da sich aber über die Zeit in der Schmelze ein Abklingeffekt der Magnesiumbehandlung und demzufolge eine Verschlechterung der Gefügeausbildung und somit schlechtere mechanische Eigenschaften der Gussteile einstellen, muss die Produktion von Zeit zu Zeit unterbrochen und der Druckgiessofen teilentleert werden, um erneut eine Magnesiumbehandlung durchzuführen.
    Durch das notwendige Wiedererwärmen des entleerten Gusseisens wird ein zusätzlicher Energieaufwand benötigt was sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit des Prozesses auswirkt.
  • Alternativ besteht auch die aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit eine unbehandelte Schmelze im Warmhalteofen mit Magnesium zu behandeln und diese zur Formanlage zu transportieren und dort einzufüllen.
  • Bei all den bekannten Varianten besteht der Nachteil darin, dass durch die Magnesiumbehandlung und die dadurch entstehende Schlacke die Druckgiessöfen wie auch die Transportgefässe verschlacken. Das heisst, dass sich sowohl das Behältnis stetig verkleinert wie auch die Auslassöffnungen verstopfen. Zur Entfernung der Verschlackung in den Behältnissen sind längere Prozessunterbrüche notwendig und es muss ein hoher Aufwand für die Instandsetzung berücksichtigt werden.
    Zudem wirken sich die bereits erwähnten Nachbehandlungen der Schmelze mit Magnesium nachteilig auf die metallurgische Qualität der Schmelze aus, außerdem steigt das Risiko der Karbidbildung.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem der Prozess zur Herstellung von Gusseisen mit Kugel- oder Vermiculargraphit optimiert wird bzw. die Prozessunterbruchszeiten und Instandsetzungskosten verringert werden sowie eine konstantere Qualität der Gussteile zu erreichen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass dem Basiseisen im Konverter Magnesium in reiner oder in Form einer Legierung zugeführt wird, wobei nach der Magnesiumzugabe im Konverter der Mg-Gehalt in der Schmelze tiefer ist als in der Schmelze, welche vergossen wird und eine finale Magnesiumzugabe bzw. -behandlung der mit Magnesium vorbehandelte Schmelze während des Umfüllens vom Druckgiessofen in die Giesspfanne erfolgt.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Gusseisen mit Kugel- oder Vermiculargraphit zeichnet sich dadurch aus, dass das Rohmaterial vorzugsweise in einem Kupol- oder Elektroofen zu Basiseisen eingeschmolzen wird. Das Basiseisen weist vorzugsweise eine chemische Analyse mit u.a. folgenden Bestandteilen auf:
    • C = 3,20% - 3,60%
    • Si = 1,70% - 3,00%
    • S = max. 0,080%
  • Die Rohmaterialen weisen vorzugsweise einen niedrigen Schwefelgehalt auf, um den Entschwefelungsumfang möglichst gering zu halten. Anschliessend wird das Basiseisen in einen Konverter oder eine Magnesiumbehandlungs- und/oder Transportpfanne umgefüllt.
  • Im Konverter oder in der Magnesiumbehandlungs- und/oder Transportpfanne wird dem Basiseisen Magnesium zugeführt, in reiner Form oder einer magnesiumhaltigen Legierung, wobei nach der Magnesiumzugabe im Konverter oder in der Magnesiumbehandlungs- und/oder Transportpfanne der Mg-Gehalt in der Schmelze tiefer ist als in der Schmelze, welche in die Formen vergossen wird. Als nächster Schritt erfolgt das Einfüllen der mit Magnesium vorbehandelten Schmelze in einen Druckgiessofen an einer Form- und Giessanlage, wobei die Schmelze auf Giesstemperatur gehalten wird. Anschliessend wird die mit Magnesium vorbehandelte Schmelze in die Giesspfanne gefüllt, wobei während des Umfüllens der mit Magnesium vorbehandelten Schmelze vom Druckgiessofen in die Giesspfanne eine finale Magnesiumzugabe vorzugsweise in Form einer Vorbehandlungslegierung auf FeSiMg-Basis erfolgt.
  • Durch die anschliessende Zugabe von Magnesium erst bei der Umfüllung in die Giesspfanne wird eine Graphitausbildung mit Kugel- oder Vermiculargraphit und eine Verminderung des Zuwachsens bzw. Verschlacken des Konverters oder der Magnesiumbehandlungs- und/oder Transportpfanne bzw. des Druckgiessofens gewährleistet, da durch den geringeren Mg-Gehalt in der vorbehandelten Schmelze eine geringere Menge an Schlacke gebildet wird, die sich am Konverter oder der Magnesiumbehandlungs- und/oder Transportpfanne oder im Druckgiessofen festsetzt. Somit können Prozessunterbrüche vermieden und Reinigungszyklen verlängert werden. Die Gesamtlebensdauer des Konverters oder der Magnesiumbehandlungs- und/oder Transportpfanne wird verlängert.
  • Die Ausbildung des Gefüges kann durch die individuelle Zugabe von Magnesium für die finale Behandlung in die mit Magnesium vorbehandelte Schmelze während des Umfüllens in die Giesspfanne auf den metallurgischen Zustand abgestimmt werden. Es erfolgt eine dynamische, auf den Zustand der Schmelze abgestimmte Zugabe von Magnesium. Das heisst, wenn sich ein Abklingeffekt der mit Magnesium vorbehandelten Schmelze einstellt, kann beim Umfüllen in die Giesspfanne die Magnesiumzugabe erhöht werden, um dies wieder auszugleichen.
  • Als vorteilhaft hat sich gezeigt, wenn der Mg-Gehalt in der im Konverter oder der Magnesiumbehandlungs- und/oder Transportpfanne mit Magnesium vorbehandelten Schmelze den Mg-Gehalt von 0,050% nicht überschreitet.
  • Vorzugsweise wird während der Mg-Zugabe beim Umfüllen in die Giesspfanne auch die Impfung der Legierung durchgeführt. Dies ermöglicht eine einfache Zugabe des Impfmittels und ist auf geringe Mengen der Schmelze anzupassen, wodurch kleine Chargen mit den entsprechenden Eigenschaften vergossen werden können. Durch die Zugabe des Impfmittels während des Umfüllens bzw. während der Zugabe von Magnesium kann auch auf eine Änderung der metallurgischen Qualität, des Keimzustandes der Schmelze reagiert werden, in dem die Menge an Impfmittel während des Umfüllens dynamisch angepasst wird.
  • Vorzugsweise wird die Menge an Magnesium, die für die finale Behandlung während des Umfüllens in die Giesspfanne zugegeben wird mittels thermischer Analyse überwacht und geregelt. Die thermische Analyse muss dafür von jeder Charge durchgeführt werden, um eine lückenlose Regelung zu gewährleisten. Dadurch kann eine dynamische Anpassung der Menge an Magnesium, welche zugeführt wird erfolgen und gleich auf die Schmelze abgestimmt werden.
  • Es ist zu bevorzugen, wenn auch die Menge an Impfmittel, das für die finale Behandlung während des Umfüllens in die Giesspfanne zugegeben wird, mittels thermischer Analyse überwacht und geregelt wird.
  • Als bevorzugte Ausführungsform hat sich gezeigt, wenn die finale Magnesiumzugabe und/oder Impfmittelzugabe mindestens 5s vor dem Gießen stattfindet, um eine ausreichende Behandlungszeit zu gewährleisten.
  • Vorzugsweise findet die finale Magnesiumzugabe und/oder Impfmittelzugabe höchstens 120s vor dem Giessen statt. Darüber hinaus ist der Abklingeffekt der Magnesium- und Impfbehandlung zu hoch. Eine prozesssichere Gefügeausbildung kann in dem Fall nicht sichergestellt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform hat sich gezeigt, dass die Giesspfanne bei jedem Abguss immer vollständig entleert wird. Dadurch wird jede Magnesiumzugabe und/oder Impfmittelzugabe in jeder Giesspfanne bzw. der darin vorhandenen Schmelze individuell abgestimmte. Dies garantiert exakt definierte Bedingungen hinsichtlich Schmelzmenge, Dosierung und metallurgischem Zustand vorzufinden.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung von Gusseisen mit Kugel- oder Vermiculargraphit das die folgenden Schritte aufweist:
    • Einschmelzen des Rohmaterials zu Basiseisen, vorzugsweise in einem Kupol- oder Elektroofen;
    • Umfüllen des Basiseisens in einen Konverter oder eine Magnesiumbehandlungs- und/oder Transportpfanne, wobei dem Basiseisen im Konverter oder in der Magnesiumbehandlungs- und/oder Transportpfanne Magnesium in reiner Form oder eine magnesiumhaltige Legierung zugeführt wird, wobei nach der Magnesiumzugabe im Konverter oder in der Magnesiumbehandlungs- und/oder Transportpfanne der Mg-Gehalt in der Schmelze tiefer ist als in der Schmelze welche vergossen wird;
    • Einfüllen der mit Magnesium vorbehandelten Schmelze in einen Druckgiessofen an einer Form- und Giessanlage und auf Giesstemperatur halten;
    • Umfüllen der mit Magnesium vorbehandelten Schmelze vom Druckgiessofen in eine Giesspfanne der Form- und Giessanlage
    • und eine finale Magnesiumzugabe währen des Umfüllens der mit Magnesium vorbehandelten Schmelze vom Druckgiessofen in die Giesspfanne erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mg-Gehalt in der im Konverter oder in der Magnesiumbehandlungs- und/oder Transportpfanne mit Magnesium vorbehandelten Schmelze den Mg-Gehalt von 0,050% nicht überschreitet.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Mg-Zugabe beim Umfüllen in die Giesspfanne auch das Impfmittel zugegeben wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Magnesium, die für die finale Behandlung während des Umfüllens in die Giesspfanne zugegeben wird, mittels thermischer Analyse überwacht und geregelt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Impfmittel, das für die finale Behandlung während des Umfüllens in die Giesspfanne zugegeben wird, mittels thermischer Analyse überwacht und geregelt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die finale Magnesiumbehandlung in Form einer Vorbehandlungslegierung auf FeSiMg-Basis und/oder Impfmittelzugabe vorzugsweise mindestens 5s vordem Gießen stattfindet
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die finale Magnesiumbehandlung und/oder Impfmittelzugabe höchstens 120s vor dem Gießen stattfindet.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Gießpfanne bei jedem Abguss immer vollständig entleert wird.
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