DE2011724A1

DE2011724A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Behandeln von geschmolzenem Metall

Info

Publication number: DE2011724A1
Application number: DE19702011724
Authority: DE
Inventors: James Lindsay; Dunks Clifford Matthew; Reigate Surrey McCaulay (Großbritannien)
Original assignee: Materials And Methods Ltd., Reigate, Surrey (Grossbritannien)
Priority date: 1969-03-13
Filing date: 1970-03-12
Publication date: 1970-10-08
Also published as: US3819365A; DE2011724B2; FR2034907A1; GB1311093A; NL7003579A; SE387367B; FR2034907B1

Description

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Haterisüs and Methods Limited, ■ Meerion House, England " .

Verfahren und Vorrichtung zum Behandeln you " !■!stall .■"■". \

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zum Behandeln.von geschmolzenem Metall und insbesondere zum Zugehen eines Reaktionsmittels zürn geschmolzenem Metall. Außerdem betriff t die Erfindung eines Vorrichtung zum Durchfahren dieses Verfahrens.

Es sind viele Verfahren entwickelt worden, um zum Behandeln von geschmolzenem Metall demselben legierungen oder Zuschlagstoffe aller Art zuzugeben, um die Eigenschaften der geschmolzenen Metalle zu verbessern oder zu verändern. Alle diese Vorschläge waren dazu bestimmt, die" Zuverlässigkeit dei Behandlung und / oder die Wirksamkeit des Verfahrens zu verbessern. Wenn hochgradig reagierende Metalle, legierungen oder Zuschlagstoffe in geschmolzene Metalle eingegeben werden sollen, werden hierdurch häufig akute Verfahrensprobleme hervorgerufen, welche die Zuverlässigkeit des Verfahrens ungünstig beeinflussen und zu einer ungenügenden Behandlung

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der Metalle und dementsprechend zu einem nicht rechten Endprodukt führen.

Derartige Probleme sind insbesondere bei der I'ora teilung von Gußeisen mit sogenanntem Knötchen- oder Kugelgraphit bzw. einer entsprechenden Struktur vorherrschend. Es ist bekannt, daß derartiges Gußeisen durch Behandlung eines Gußeisengemisches mit geeigneten Kugelbildungsinitteln wie Metallen, Legierungen oder Zuschlagstoffen von Mg, Ca, ITa, Li, Srj Ba, Ce, Di, La und Yt hergestellt wird. Diese Behandlungsmaterialien sind entweder bei der Temperatur des geschmolzenen Gußeisens leicht oxydierbar oder leicht flüchtig und bereiten daher Schwierigkeiten bei der Wiedergewinnung. Sie zeigen häufig einen geringeren l/iedergewinmmgsgrad, was unvermeidbar zu einer übermäßigen Bearbeitung bzw. Überbehandlung und unsicheren Endkosten des Verfahrens führt.

Es wurden viele Verfahren zum Hingeben dieser Kugelbildungsmittel in geschmolzenes Gußeisen vorgeschlagen, von denen einige als Hilfsmittel eine durch Gas hervorgerufene Bewegung des geschmolzenen Gußeisens, einige das Fallenlassen des Kugelbildun;;smittels in das geschmolzene Metall und andere ein Einspritzen der Kugelbildungsmittel unterhalb der Oberfläche der MeiäLlschmelze durch ein Graphitrohr oder ein feuerfestes Rohr bzw. einer entsprechenden Lanze vorsehen. Alle diese Verfahren unterliegen jedoch gewissen Beschränkungen, so daß in einigen Fällen die Verläßügkeit der Behandlung schlecht ist, was zu einer natürlichen Tendenz zur "Überbehandlung" führt.

Neben den dadurch hervorgerufenen unnötigen Kosten für die Legierungen oder Zuschlugmittol sind die Kugelbildungsmittel auoh Carbid-Stabilisierer, welche harte und brüchige Guß-

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stüke bedingen und die Bearbeitbarkeit und Verformbarkeit der Endprodukte verschlechtern* Für andere Verfahren, mit denen eine bestimmte Zuverlässigkeit erreicht werden kann, sind komplizierte und kostspielige Anlagen oder Vorrichtungen erforderlich, jedoch können auch hierbei kaum mehr als 4o$ der Kugelbildungsmittel rüokgewonnen werden, wodurch natürlich die Herstellungskosten beachtlich erhöht werden, weil die Kugelbildungsmittel sehr kostspielig sind. Außerdem führt die Anwesenheit großer Mengen Kugelt) ildungamitt el ader Kugelbildungslegierungen dazu, daß die Bildung von Oxyden oder Silikaten häufig erhöht wird, welche in der Schmelze eingeschlossen werden und unsaubere bzw. Unreine Gußprodukte und Schaumfehler hervorrufen. Außerdem erzeugen sie unter der Oberfläche liegende Lunker und eine sogenannte Elefantenhaut und verstärken das Schrumpfen des geschmolzenen Eisens während des Verfestigungsvorganges, wodurch der Schwund und andere Fehler vergrößert werden, was wiederum zu einem Verlust sowohl der physikalischen Eigenschaften des Gußeisens als auch der Formtreue des Endproduktes führt* .

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die geschilderten Probleme zu überwinden und gleichzeitig die Herstellungskosten des so verbesserten Gußeisens zu senken.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Eingeben eines Reaktionsmittels in geschmolzenes Metall vorgeschlagen, wobei der Zuschlagstoff in ear er Kammer enthalten ist, durch welche das geschmolzene Meuall strömen muß, und wobei die Abmessungen der Kammer und die Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsmenge des geschmolzenen Metalles durch die Kammer so aufeinander abgest-i;amt werden, daß sich in der Kammer stets wenigstens so viel geschmolzenes Metall befindet, daß v/enigstens das in der Kammer befindliche Zuschlagmittel von geschmolzenem Metall über-

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deckt ist.

Das die Kugelbildung bewirkende Zuschlagmittel wird in einer vorgeformten Vertiefung entweder im Ausguß des Ofens oder einer Gießrinne untergebracht, was von den Produktionsgegebenheiten der jeweils verwendeten Behandlungsvorrichtung abhängt. Diese vorgeformte Vertiefung, in v/elcher das Kugelbildungsmittel untergebracht wird, wird als " Reaktionskammer " bezeichnet.

Gemäß der Erfindung wird außerdem eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, die einen Behälter oder eine Pfanne für das zu behandelnde Metall, einen für das geschmolzene Metall bestimmten Auslaß aus dem Behälter, Einrichtungen zum leiten des Metallstromes an eine bestimmte Stelle und zwischen dem Behälter und der gewünschten Stelle eine Reaktionskammer auf v/eist, die ein Reaktionsmittel oder ein sonstiges reagierendes Zuschlagmittel aufnehmen soll und so angeordnet und dimensioniert ist, daß das aus dem Behälter kommende Metall durch die Reaktionskammer mit einer solchen Geschwindigkeit bzw. in einer solchen Menge strämt, daß die Kammer stets soweit gefüllt ist, daß das in ihr befindliche Zuschlagmittel auf jeden Fall mit geschmolzenem Metall überdeckt ist.

iiie Reaktionskammer besitzt einen geeigneten Einlaß für das ankommende flüssige Metall und eine Auslaßöffnung derartiger Abmessungen, daß sichergestellt ist, daß das in der Reaktionskammer befindliche Kugelbildungsmittel praktisch sofort bei Beginn des Arbeitsvorganges vollständig mit Metall überdeckt ist. In einigen Fällen kann es vorzuziehen sein, in der AusLaßö'ffnung einen entfernbaren

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Stopfen vorzusehen,, so daß sich die Reaktionskammer erst mit geschmolzenem Metall füllt, bevor der 8-tqfen aus der Auslaßöffnung herausgezogen wird und das geschmolzene Metall abfließen kann. Der Zustrom von geschmolzenem Metall in die Reaktionskammer muß so bemessen sein, daß während des gesamten Verfahrens die Kammer gefüllt bleibt oder wenigstens das Kugelbildungsmittel stets mit Metall "bedeckt ist.

Die Reaktionskammer kann aus jedem feuerfesten Material hergestellt oder aufgebaut werden oder auch aus einem mit feuerfestem Material ausgekleideten Metallgehäuse bestehen.

Wenn das geschmolzene Metall mit dem Kugelbildungsmittelin Kontakt kommt, beginnt die Reaktion gleichförmig. Die Reaktion schreitet dann fort _?bis das gesamte Kugelbildungsmittel aufgelöst -worden ist. Da die Reaktion sofort beginnt, wenn das geschmolzene Metall das Kugelbildungsmittel überdeckt, findet die Auflösung dieses KugelbildungsmittelB ohno Kontakt mit Luft statt, so daß eine Verdunstung oder Oxydation während des gesaraten Verfahrens vollständig ver~ hindert wird. -

in einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Reaktionskammer mit einem gasdichten Deckel und einem Einlaß für inertes Gas zu versehen, so daß in der Reaktionskammer eine inerte Atmosphäre erzeugt und aufrechterhalten werden kann. Außerdem vermeidet man mit der "Erfindung ,.die; übliche Flammen- und Rauchbildung und ein Spritzen von Metall, was normalerweise beim Eingeben von Kugelbildurigsmitteln auftritt, und zwar vermutlich teilweise deshalb, weil die . Auflösung des Kugelbildungsmittels im geschmolzenen Metall

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in Abwesenheit von Luft stattfindet und teilweino, weil die Auflösung des Kugelbildungsmittels nach und nach "beim Laufon des geschmolzenen Metalles über das Kugelbildungsmittel stattfindet, so daß eine kontrollierte oder gesteuerte Auflösung gegeben ist. Daher ist es jetzt möglich, die zum Verbessern der physikalischen Eigenschaften und der Veränderung der Makrostruktur des Gußeisens genau erforderliche Menge Zuschlagstoff kontrolliert zuzugeben. Hierdurch vermeidet man die bei den bisher bekannten Verfahren gegebene Gefahr von Schaumeinschlüssen und einer Überbehandlung.

So wurde beispielsweise eine vollständige Umwandlung von flockenförmigem Graphit in perfekten Kugelgraphit mit nur o,15$ Kugelbildungs-Legierung durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielt. Bei allen bekannten Verfahren wäro es notwendig,wenigstens o,5 Ά derselben Zuschlagstoffe für dieses Ergebnis zu verwenden.

Für die Erfindung können, alle bekannten Kugelbildungsmotalle, Kugelbildungslegierungen und sonstigen Kugelbildungsmittel und Gemische derselben in Klumpenform, als zerkleinerte Aggregate, in Pulverform oder als extrudierto oder verdichtete baw, miteinander verbundene Materialien verwendet werden. Die Größe und Form der Kugolbildungsmittel hängt von der Art der Reaktion und der gewünschten Steuerung der Auflösungsgeschwindigkoit ab.

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In der Zeichnung ist ein AusführungsTDeispiel der e rf indungs gemäßen "Vorrichtung schematise]! schaubildlich dargestellt.

Das geschmolzene Metall gelangt aus einem Behälter oder einer Pfanne in eine Gdeßzone 1, welche als Sammelbehälter für geschmolzenes Metall dient. Die Schmelze verläßt diese Gießzone 1 durch einen Ausguß 2_: und gelangt in eine Rinne 3, die zu einer.Reaktionskamrae.r 4- führt. Die Reaktionskammer 4 ist mit einem Deckel 5 versehen.

Nachdem die Schmelze mit dem Kugerbildungsmittel in Kontakt gekommen ist, verläßt das so behandelte geschmolzene Metall die Reak'tionskammer 4 durch eine Auslaßöffnung 6 und strömt durch eine Ausgußrinne 7 direkt zu einem gewünschten Ort. ,

Die folgenden Beispiele dienen zu weiteren Erläuterung der Erfindung.

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Beispiel I

In diesem Falle war die Reaktionskammer in einem Stück mit der Ausgußrinne eines Kupolofens hergestellt. Die verwendete Menge von Kugelbildungsmittel, das aus 55$ Si, 5^ Mg und Rest Fe "bestand, war auf der Grundlage von o,35 °ß> für eine Tonne geschmolzenes Gußeisen berechnet, d.h. es wurden 3,5 β Kilo Kugelbildungsmittel verwendet, das in Form von 12,7 x 6,4mm großen Klumpen vorlag.

Das Kugelbildungsmittel wurde in die Reaktionskammer eingegeben,und anschließend wurde an der Reaktionskammer der entfernbare Deckel befestigt. Die Abstichöffnung des Kupolofens wurde dann geöffnet, so daß geschmolzenes Metall in die Reaktionskammer durch deren Einlaßöffnung einströmte. Die Auslaßöffnung war zunächst durch einen Stopfen verschlossen, jedoch wurde dieser Stopfen entfernt,sobald feststand, daß sich in der Reaktionskammer ein geeigneter "Kopf" aus geschmolzenem Hetall gebildet hatte, so daß behandeltes Metall durch die Auslaßoffnung aus der Reaktionskammer ausströmte und schließlich in eine Sammelpfanne gelangte.

Bei dieser Behandlung waren die Abmessungen der Einlaß- und Auslaßöffnung der Reaktionskammer direkt auf die vom Kupolofen kommende durchströmende Metallmenge abgestellt, 3Q/&aß ein konstanter "Kopf" aus Metall während des gesammten Abstichvorganges in der Reaktionskammer vorblieb.

Eine anschließende Untersuchung und Überprüfung des be handelten Gußeisens zeigte, daß das gesarate in ihm

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haltene -Graphit in Kugelform überführt worden war und daß die Qualität des Gußeisens von einer nominalen Zugfestigkeit des Grundmaterials von 1.263>5 kg/cm auf 7.327,75 kg/cm "bei einer Eängung von ψ/ο erhöht war.

Beispiel II

Das geschmolzene Metall wurde von einem Elektroofen mit einer Kapazität von 3ooo kg geliefert. Die Reaktionskammer "befand sich in einer-getrennten Vorrichtung, die aus Flußeisenblech bestand, das mit feuerfestem Material ausgekleidet war. Die Vorrichtung war sozusagen eine kurze sekundäre Gießrinne, die auf vier Füßen stand. Die Auskleidung bildete einen Gießbehälter zur Aufnahme des geschmolzenen Metalles aus dem Schmelzofen, wobei dieser.Gießbehälter kanalartig in die Einlaßöffnung der Reaktionskammer mündete. Der Auslaß der Reaktionskammer stand mit einem vorgeformten n'allithr in Verbindung^ welches das behandelte Metall in eine direkt unterhalb angeordnete Sammelpfanne leitete. In die Reaktionskammer wurden 7,5kg eines Kugelbildungsgemiahes eingegeben, das zu 2o$ aus metallischem Magnesium, zu 5o$ aus Oalciumsilioid und zu 2o$ aus Ferrosilicium, Rest Eisen, bestand, woraufhin man den lösbaren-Deckel an der Reaktionskammer befestigte.

Das geschmolzene Gußeisen wurde dann aus dem Ofen in die sekundäre Gießrinne gegossen und strömte in die Reaktionskaramer. Die ZufUhrgeschwindigkeit oder die Zufuhrmenge des

Metalles wurde so gesteuert, daß die Reaktions-

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kammer während des gesamten Verfahrens stets gefüllt war. Die Auflösung des Kugelbildungsmittels und die Behandlung des Metalles erfolgte wie in Beispiel I beschrieben.

Eine Untersuchung des behandelten Metalles zeigte, daß das in ihm enthaltene Graphit vollständig in die Kugelform überführt worden war. Das fertige G-ußeisen besaß eine Zugfestigkeit von 5»355 kg bei 19 f<> Längung. Das G-efüge besaß in diesem Falle eine weitgehend ferritische Struktur, was von der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials im Verhältnis zur Querschnittsgröße der fertigen Gußstücke abhing.

Das behandelte Metall besaß einen Restgehalt an Magnesium von o,o48 °/ο, was einer Rückgewinnung dieses Materials von 96 °/o entspricht.

Im Laufe der Entwicklung und Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung hat es sich unter gewissen Umständen als vorteilhaft erwiesen, die Reaktionskammer mit kohlenstoffhaltigem feuerfestem Material zu bauen, wodurch man eine reduzierende Atmosphäre in der Reaktionskammer erzeugt. Auch kann zweckmäßig ein inertes oder reduzierendes Gas verwendet werden, um die Luft aus der Reaktionskammer vor und während der Durchführung des Verfahrens herauszudrücken, wobei dieses Gas vorzugsweise durch eine Düse oder eine poröse Membrane eingegeben wird, die im entfernbaren Deckel der Reaktionskammer untergebracht sind. Eine andere Möglichkeit besteht; darin, eine kleine Menge eines geeigneten Reakl.ionsmitte.Ld in der Reaktionskammer unterzubringen, das sich in Kontakt mit geschmolzenem Metall schnell und leicht Korlegt und eine

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inerte oder reduzierende Atmosphäre schafft. Beispiele hierfür sind Carbonate, feste Kohlenwasserstoffe, Pech und Kohleteer. Diese zusätzlichen Vorschläge Meten eine Sicherheit gegen Oxydation des Kugelbildungsmittels und sind "besonders dann nützlich, wenn Schwierigkeiten bestehen, um das Kugelbildungsmittel stets sicher mit geschmolzenem Metall abzudecken.

Die Erfindung wurde anhand der Zugabe von Kugelbildungsmittel zu flüssigem Gußeisen beschrieben, jedoch ist die Erfindung ebenso auf die Zugabe anderer Metalle, Legierungen oder Zuschlagstoffe zu geschmolzenem Metall anwendbar. Die Erfindung ist besonders dann vorteilhaft, wenn das zuzugebende Zuschlagmittel hochgradig reaktionsfähig bei der Temperatur des geschmolzenen Metalles ist. Die Erfindung ist aber auch für das andere Extrem sehr vorteilhaft, nämlich wenn es schwierig ist, das Zuschlagmittel im geschmolzenen Metall aufzulösen. Schließlich ist die Erfindung auch besonders vorteilhaft dann anwendbar, wenn es schwierig erscheint, eine gleichmäßige Auflösung der Zuschlagstoffe und eine homogene Behandlung des flüssigen Metalles zu erzielen.

Patentansprüche:

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Patentansprüche:

1.) Verfaliren zum Behandeln von geschmolzenem He tall, insbesondere von geschmolzenem Gußeisen, durch Zugabe von Zuschlagstoffen in das geschmolzene Metall, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschlagstoffe in einer Reaktionskammer gehalten werden, durch welche das zu behandelnde Hetall nach dem Austritt aus einem 3ammeIbehälter für die Schmelze hindurchströmen muß, wobei di~ Abmessungen der Reaktionskammer und der Durchsatz des geschmolzenen Metalles durch dieselbe so aufeinander abgestimmt sind, daß sich in der Reaktionskammer stets wenigstens so viel geschmolzenes Hetall befindet, daß die dort befindlichen Zuschlagstoffe abgedeckt sind.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausströmen des geschmolzenen Metalles aus der Reaktionskammer solange verhindert wird, bis sich in derselben genügend geschmolzenes Hetall angesammelt hat, um die in der Kammer untergebrachten Zuschlagstoffe zu überdecken, woraufhin das geschmolzene HetäLl durch die Reaktionskamm r in einer Henge und / oder Geschwindigkeit liindurchströmen kann, daß die Zuschlagstoffe in der Reaktionskamuer stets ron Metall Ubex-deokt bleiben.

3.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Eisen und der Zuschlagstoff (Reaktionsinittel) ein Kugelbildungsmittel zum Erzeugen von Kugelgraphit in Eisen ist.

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Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet _t daß das Kugelbildungsmittel in,einer Menge von ο ,15 bis o,5 Gew. ^ ies Gewichtes des geschmolzenen Metalles verwendet wird. . . ■

Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer gasdicht abgekapselt und in ihr eine nichtozydierende Atmosphäre aufrechterhalten,wird.

Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem ' oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Behälter für das zu behandelnde geschmolzene Metall, einen Auslaß aus dem Behälter für das geschmolzene Metall, Einrichtungen zum Leiten des geschmolzenen Metalles zu einer gewünschten Stelle und zwischen dem Behälter und der gewünschten Stelle eine Reaktionskammer (4) aufweist, die reagierende Zuschlagstoffe aufnehmen -^soll und so angeordnet und dimensioniert ist, daß Metall von dem Behälter durch die Reaktionskammer in einer derartigen Menge und / oder Geschwindigkeit strömt, daß-die Reaktionskammer stets so/weit mit flüssigem Metall gefüllt ist, daß die in der Reaktiom kammer befindlichen Zuschlagstoffe von flüssigem Metall vollständig überdeckt sind.

Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dio ileaktionskammer (4) ein fester Bestandteil der Au fließrinne eines Schmelzofens wie eines Küpoloi'ons iat.

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3.) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaiitionskammer (4) mit dem Ausguß (1,2) des die Schmelze sammelnden Behälters verbunden ist.

9.) Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Reaktionskammer (4) ein ieil einer an den die Schmelze sammelnden Behälter angeschlossen nen Gießrinne (1,2,3,7) ist.

lo.) Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (7) eine getrennte Behandlungsvorrichtung ist,die im Strömungsweg des geschmolzenen Metalles zwischen dem die Schmelze sammelnden Behälter und einem gewünschten Verwendunjs ort für das geschmolzene Metall angeordnet ist.

11.) Vorrichtung nach einem odeymehreren der Ansprüche 9 "bis Io, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (4) mit einem im wesentlichen gasdichten Deckel (5) der einen Einlaß für Gas aufweist, vorsehen ist.

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