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DE102009052279A1 - Kohlenstoffhaltiges feuerfestes Material zur Verwendung beim Vergießen von Stahl im Untergussverfahren und daraus hergestellte Formkörper - Google Patents

Kohlenstoffhaltiges feuerfestes Material zur Verwendung beim Vergießen von Stahl im Untergussverfahren und daraus hergestellte Formkörper Download PDF

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DE102009052279A1
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steel
casting
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Werner Ritter
Klaus Guido Ruwier
Werner SCHÖNWELSKI
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LWB Refractories GmbH
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LWB Refractories GmbH
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Abstract

Dargestellt und beschrieben sind ein Feuerfestmaterial zur Auskleidung des Verteilungssystems einer Stahlschmelze beim Gießen von Stahl im Untergussverfahren und aus einem solchen Feuerfestmaterial hergestellte Formkörper. Um im Untergussverfahren nichtmetallische Einschlüsse im Stahl zuverlässig zu verhindern und zur Erhöhung der Stahlqualität wird vorgeschlagen, dass das Feuerfestmaterial mindestens stahlseitig kohlenstoffhaltige Komponenten enthält, mit diesen Komponenten gebunden ist und/oder beschichtet und/oder getränkt ist. Aus einem solchen Feuerfestmaterial hergestellte Formkörper können entweder als Hohlware stranggezogen oder trockengepresst kohlenstoffgebunden sein.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Feuerfestmaterial zur Auskleidung des Verteilersystems einer Stahlschmelze beim Gießen von Stahl im Untergussverfahren sowie daraus hergestellte Formkörper. Es ist aus der Praxis bekannt, dass heute über 90% des weltweit produzierten Stahls im sogenannten Stranggussverfahren verfestigt werden, bei dem das flüssige Metall in eine beidseitig offene, wassergekühlte Kokille gegossen wird. An der unteren Öffnung der Kokille tritt das Metall als erstarrter Strang aus.
  • Daneben werden große Mengen Stahl auch in Blockkokillen gegossen, wenn eine Stahlsorte beispielsweise zu empfindlich auf die beim Strangguss auftretenden Biegespannungen bei hoher Temperatur reagiert oder wenn extreme Blockdicken für Schmiede- und Grobblechanwendungen gefordert sind. Dabei werden über ein feuerfestes keramisches stahlgefaßtes Rohrsystem über einen zentralen Einguß eine unterschiedliche Anzahl Kokillen bodenseitig von unten befüllt.
  • Hierbei handelt es sich um das an sich klassische Verfahren zum Vergießen von Stahl, kurz Untergussverfahren genannt. Das im Bereich der Verteilerstränge verwendete feuerfeste keramische Material wird aufgrund seiner röhrenförmigen Struktur kurz Hohlware genannt. Das Untergussverfahren erlebte in den letzten Jahren durch Entwicklung neuer Stahllegierungen und durch erhöhte Notwendigkeit endabmessungsnahen Gießens eine Renaissance.
  • Die dazu verwendete Hohlware wurde und wird wegen der teilweise komplexen Geometrien der Bauteile vorwiegend im Strangziehverfahren in Form gebracht. Die für dieses Formgebungsverfahren notwendige Plastizität der Grünmasse wird regulär durch hohe Anteile an Ton und Wasser erreicht. Zusätzlich war traditionell der Grobkornanteil dieser Massen Schamotte, also vorgebrannter Ton, so dass insgesamt die Zusammensetzung der Hohlware meist den SiO2- reicheren Bereichen des Systems Al2O3- SiO2 zuzuordnen war. Inder Literatur sind zahlreiche Hinweise auf Wechselwirkungen zwischen Stahllegierungselementen (vorwiegend Mangan und Chrom) und Feuerfestbestandteilen (vorwiegend freies SiO2) zu finden. Aufgrund dieser Wechselwirkungen und der unvermeidbaren thermomechanischen Erosion gehen Partikel des Feuerfestmaterials in die. Stahlschmelze über, was in vielen Fällen zu nichtmetallischen Einschlüssen im finalen Gussstück führt und dessen Weiterverarbeitung verhindert oder zu fehlerhaften Stahlbauteilen mit schlechten mechanischen Eigenschaften führt. Dies ist insbesondere bei oft sehr großen Gussstücken mit erheblichen Mehrkosten verbunden.
  • Mit steigenden Qualitätsanforderungen auch an im Untergussverfahren vergossenem Stahl musste deshalb im Rahmen der Weiterentwicklung von Hohlware zunächst der Gehalt an freiem SiO2 möglichst reduziert werden. Das gelang durch
    • – Einsatz eines Al2O3- reicheren Grobkorns (beispielsweise Sinterbauxit),
    • – in den 1990er Jahren durch Herstellung bestimmter Formate im Halbtrockenverfahren an hydraulischen Pressen durch Reduzierung des Tonanteils und
    • – durch Optimierung des Bindekonzepts in den vergangenen Jahren.
  • Durch diese Maßnahmen konnte bereits die Gefahr durch nichtmetallische Einschlüsse (Lunker) im Stahlblock weitgehend minimiert werden. Als gebranntes keramisches Material verblieben für die Hohlware aber immer noch die Nachteile einer nur mäßigen Temperaturwechselbeständigkeit. Dies führt zur Rissbildung bei Gießbeginn und zum Ankleben der Keramik an den verbleibenden Metallresten (sog. „Gießknochen”) nach dem Gießen. Dadurch werden die Trennung und Wiederverwertung der Stahlteile erschwert.
  • Es ist auch bereits vorgeschlagen worden ( DE 101 40 019 C1 ), das Verteilersystem mit aus hochreinem Aluminiumoxid bestehenden Elementen zu versehen, welche mit der Strömung der Schmelze in Kontakt gebracht werden, um daran Verunreinigungen abzuscheiden.
  • Die Vorteile kohlenstoffhaltiger und kohlenstoffgebundener feuerfester Materialien in Anwendungen der Eisen- und Stahlindustrie sind für sich seit langem bekannt. Dabei werden die Eigenschaften von Kohlenstoffmaterialien ausgenutzt, dass sie von Stahl schlechter benetzbar sind als Keramik und meist noch flüchtige Bestandteile enthalten, die bei Temperatureinwirkung ein Dampfpolster bilden und dadurch Thermoschock mildern und Infiltration verhindern. Sekundär wird dadurch die Erosion des Feuerfestmaterials verhindert, nichtmetallische Einschlüsse im Stahl werden vermieden und die Stahlqualität wird verbessert. Die Wiederverwendung der Gießknochen wird deutlich erleichtert.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, das eingangs genannte Feuerfestmaterial und daraus hergestellte Formkörper vorzuschlagen, bei denen nichtmetallische Einschlüsse im Stahl zuverlässig verhindert werden, um die Stahlqualität zu erhöhen.
  • Ein entsprechendes erfindungsgemäßes Feuerfestmaterial zeichnet sich dadurch aus, dass das Feuerfestmaterial mindestens stahlseitig kohlenstoffhaltige Komponenten enthält, mit diesen Komponenten gebunden ist und/oder beschichtet und/oder getränkt ist.
  • Ein aus dem erfindungsgemäßen Feuerfestmaterial hergestellter Formkörper ist dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper als Hohlware stranggezogen oder, alternativ, trockengepresst kohlenstoffgebunden ist.
  • Gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung ist Bindekomponente und/oder die Tränk- und/oder Beschichtungskomponente ein Kunstharz, Teer, Pech, Teer- oder Pechersatz oder ein sonstiges für feuerfeste Zwecke geeignetes kohlenstoffhaltiges Binde-, Tränk- oder Imprägniermittel.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können in dem Feuerfestmaterial weitere kohlenstoffhaltige Feststoffkomponenten wie Ruß, Graphit, Harzpulver, feingemahlene Kohle oder dergleichen enthalten sein.
  • Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass das Feuerfestmaterial vor dem Beschichten, Tränken oder Imprägnieren ein keramisch gebundenes gebranntes Feuerfestmaterial ist. Dies ist besonders dann von Interesse, wenn das Feuerfestmaterial für Formkörper mit aufwändigeren Geometrien handelt.
  • Nach dem Beschichten, Tränken oder Imprägnieren kann das Feuerfestmaterial einer geeigneten Temperaturbehandlung unterzogen werden.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass Feuerfestmaterial weitere nicht kohlenstoffhaltige Bestandteile aufweist, wie beispielsweise Schamotte, Andalusit, Sinterbauxit, Tabular, Tonerde, Schmelkorunde, Magnesia und ähnliche Füllstoffe.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Feuerfestmaterial lassen sich neben Rohr- und Kanalsteinen auch „besondere” Formkörper herstellen, wie Einlauftrichter, König- oder Steigersteine.
  • Bei stranggezogenen Formkörpern erfolgt nach einer weiteren Lehre der Erfindung das Beschichten und/oder Tränken Stahl- oder allseitig, je nach spezifischem Einbauort und gewünschter Standzeit.
  • Die Erkenntnisse wurden in praktischen Versuchen in Stahlwerken erprobt und bestätigt. Dabei brachten Sorten mit Kohlenstoffbindung vergleichbare Ergebnisse wie keramisch gebundene und gebrannte Hohlware mit einseitiger (stahlseitiger) oder allseitiger Beschichtung und Tränkung mit kohlenstoffhaltigen Komponenten. Die Gefahr des Aufkohlens des Stahls („carbon pick up”) wurde in den bisher untersuchten Fällen als vernachlässigbar beurteilt.
  • Die Erfindung beruht hauptsächlich auf der Tatsache, dass kohlenstoffhaltige Bauteile im Stahlunterguss bisher nicht verwendet werden. Erfindungsgemäß ist erreicht worden, derartige Materialien für die Herstellung von Hohlware anzupassen und anzuwenden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein schematisches Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
  • 1 ein Gießsystem für den Stahlunterguss im Vertikalschnitt,
  • 2 eine Gegenüberstellung von Gießknochen und aufgetrennter Hohlware mit und ohne Kohlenstoffeinsatz und
  • 3 Schnitte von Gießknochen aus unterschiedlichen Untergussgespannen.
  • In 1 ist ein Untergussgespann 1 für Blockguss mit zwei Gießkokillen 2, 3 dargestellt. Zwischen den Gießkokillen 2, 3 befindet sich ein Gießtrichter 4 mit einem Einlauftrichter 5, in den schmelzflüssige Stahlschmelze mittels einem nicht gezeigten Gießgefäß eingefüllt werden kann. Unterhalb des Einlauftrichters 5 befindet sich eine Mehrzahl von Rohrsteinen 6. Unterhalb des untersten Rohrsteins 6 sorgt ein Königstein 7 für eine gleichmäßige Verteilung der nicht dargestellten Stahlschmelze in Richtung der Pfeile entlang von Kanalsteinen 8. Steigersteine 9 am Ende des Kanals sind so angeordnet, dass die nicht näher bezeichnete Öffnungen in der Mitte der darüber angeordneten Gießkokillen 2 bzw. 3 enden.
  • Erfindungsgemäß bestehen sämtliche mit der flüssigen Stahlschmelze in Kontakt tretenden Steine des Untergussgespanns, nämlich Einlauftrichter 5, Rohrsteine 6, Königstein 7, Kanalsteine 8 und Steigersteine 9 aus einem feuerfesten Material, dass wenigstens stahlseitig kohlenstoffhaltige Komponenten enthält bzw. mit diesen Komponenten gebunden ist und/oder beschichtet/getränkt ist. Durch den verwendeten Kohlenstoff in den dargestellten Formkörpern 5 bis 9 werden diese nur geringfügig von der Stahlschmelze benetzt, so dass ein Mitreißen von nichtmetallischen Ausbrüchen der Formkörper weitgehend äußert zuverlässig verhindert werden kann, wodurch sich die Stahlqualität deutlich verbessert. Auch wird die Wiederverwendung der Gießknochen deutlich erleichtert, da sie relativ glatte Oberflächen haben, die nicht mit Fremdkörpern behaftet sind.
  • In 2 ist ein Gießknochen 10 dargestellt, dessen linke Hälfte in einem Formstein ohne Kohlenstoff und die rechte Hälfte in einem erfindungsgemäßen Formkörper erstarrt ist. Man erkennt deutlich, dass der linke Bereich mit einer „Kruste” von nichtmetallischen Einschlüssen bedeckt ist. Gleiches gilt für die Formkörper selbst, der im linken Teil dargestellte Teil eines Kanalsteins 11A ist deutlich stärker beansprucht als der rechts dargestellte Teil eines Kanalsteins 11B mit Kohlenstoff.
  • Noch deutlicher wird dies in 3, wo vier Schnitte eines Stahlgießknochens verwendet werden, wobei die Schnitte 12A bis 12C von Gießknochen stammen, die in einem kohlenstoffgebundenen Formkörper erkaltet sind und man am Schnitt 13 durch einen Gießknochen aus einem Formkörper ohne Kohlenstoff deutlich eine den Stahlkern umgebende Kruste 14 erkennt. Es ist klar, dass die Gießknochen 12A, 12B, 12C ohne nichtmetallische Ablagerungen deutlich besser wiederverwendbar sind als ein Gießknochen 13 mit einer Kruste 14 aus nichtmetallischen Anbackungen, welche vor der Wiederverwendung zunächst entfernt werden muss.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10140019 C1 [0007]

Claims (15)

  1. Feuerfestmaterial zur Auskleidung des Verteilungssystems einer Stahlschmelze beim Gießen von Stahl im Untergussverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass das Feuerfestmaterial mindestens stahlseitig kohlenstoffhaltige Komponenten enthält, mit diesen Komponenten gebunden ist und/oder beschichtet und/oder getränkt ist.
  2. Feuerfestmaterial nach Anspruch 1, in dem die Bindekomponente ein Kunstharz, Teer, Pech, Teer- oder Pechersatz oder ein sonstiges für feuerfeste Zwecke geeignetes kohlenstoffhaltiges Bindemittel ist.
  3. Feuerfestmaterial nach Anspruch 1 oder 2, in dem die Tränk- oder Beschichtungskomponente ein Kunstharz, Teer, Pech, Teer- oder Pechersatz oder ein sonstiges für feuerfeste Zwecke geeignetes kohlenstoffhaltiges Tränk- oder Imprägniermittel ist.
  4. Feuerfestmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem weitere kohlenstoffhaltige Feststoffkomponenten wie Ruß, Graphit, Harzpulver, feingemahlene Kohle usw. enthalten sein können.
  5. Feuerfestmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Feuerfestmaterial vor dem Beschichten, Tränken oder Imprägnieren ein keramisch gebundenes gebranntes Feuerfestmaterial ist.
  6. Feuerfestmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es einer geeigneten Temperaturbehandlung unterzogen wurde.
  7. Feuerfestmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht kohlenstoffhaltigen Bestandteile übliche keramische Komponenten wie Schamotte, Andalusit, Sinterbauxit, Tabular- Tonerde, Schmelzkorunde, Magnesia und ähnliche Füllstoffe sind.
  8. Formkörper, hergestellt aus einem Feuerfestmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper als Hohlware stranggezogen ist.
  9. Formkörper, hergestellt aus einem Feuerfestmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper trockengepresst kohlenstoffgebunden ist.
  10. Formkörper, hergestellt aus einem Feuerfestmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper als Einlauftrichter (5) ausgebildet ist.
  11. Formkörper, hergestellt aus einem Feuerfestmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper als Rohrstein (6) ausgebildet ist.
  12. Formkörper, hergestellt aus einem Feuerfestmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper als Königstein (7) ausgebildet ist.
  13. Formkörper, hergestellt aus einem Feuerfestmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper als Kanalstein (8) ausgebildet ist.
  14. Formkörper, hergestellt aus einem Feuerfestmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper als Steigerstein (9) ausgebildet ist.
  15. Formkörper nach Anspruch 8 und einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten und/oder Tränken stahl- oder allseitig erfolgt ist.
DE102009052279A 2009-11-09 2009-11-09 Kohlenstoffhaltiges feuerfestes Material zur Verwendung beim Vergießen von Stahl im Untergussverfahren und daraus hergestellte Formkörper Ceased DE102009052279A1 (de)

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