DE2503140A1 - PROCESS FOR GRAIN REFINEMENT OF CASTINGS - Google Patents
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GLAWE, DELFS1 MOLL & PARTNER PATENTANWÄLTEGLAWE, DELFS 1 MOLL & PARTNER PATENT LAWYERS
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Stoke Poges / EnglandFULMER RESEARCH INSTITUTE LTD.
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Verfahren zur Kornverfeinerung von GußstückenProcess for the grain refinement of castings
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kornverfeinerung von Gußstücken, wie z.B. Gußstücken wieder eingeschmolzener Verbrauchselektroden und Stranggußblocken. The invention relates to a method for refining the grain of castings, such as castings of remelted consumable electrodes and continuously cast ingots.
Um mit den heutigen Erfordernissen Schritt zu halten, werden Gußblöcke und Gußteile aller Arten in zunehmend grösseren Formen hergestellt. Jedoch wird weithin richtig eingeschätzt, daß dieser Trend den Nachteil der entsprechend zunehmenden Erstarrungszeiten mit sich bringt, als Ergebnis des zunehmend ungünstigen Volumen/Oberflächenverhältnisses der hergestellten Gußblöcke. Lange Erstarrungszeiten bewir-In order to keep up with today's demands, ingots and castings of all types are becoming increasingly larger Molds made. However, it is widely recognized that that this trend has the disadvantage of correspondingly increasing solidification times, as a result the increasingly unfavorable volume / surface ratio of the cast ingots produced. Long solidification times cause
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ken eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften und der Homogenität "solcher Gußprodukte, da zunehmende makroskopische Ausscheidung, grobe Dendriten-Astgröße (d.h. grobe mikroskopische Ausscheidung), große Korngröße und Schrumpfhöhlen oder Röhren auftreten. ken a deterioration in the mechanical properties and the homogeneity "of such cast products, since increasing macroscopic Excretion, coarse dendritic knot size (i.e., coarse microscopic exudate), large grain size, and shrink cavities or tubes occur.
Frühere "Versuche, wenigstens einen Aspekt dieses Problems zu lösen, wurden durch vorheriges Hinzufügen von fremden Kristallationskerne bildenden Mitteln zur Schmelze unternommen. Der Erfolg dieser Bemühungen war jedoch zweifelhaft und selbst, wenn feine Korngrößen erreicht wurden, brachten sie nicht notwendigerweise eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des gegossenen Metalls mit sich. Außerdem verunreinigte das Hinzufügen von solchen Kristallationskerne bildenden Mitteln oft das Gußmaterial entweder chemisch oder durch Bilden einer wuchernden Quelle von Einschließungen. Außerdem mildert die Kornverfeinerung an sich nicht die Probleme, die im Zusammenhang mit den langen Erstarrungszeiten auftreten, die eine notwendige Folge des langen Diffusionsweges sind, der zum Entweichen der Hitze aus dem Innern der großen Gußblöcke benötigt wird.Previous "attempts to solve at least one aspect of this problem have been made by adding foreign Crystallization nuclei forming means to melt undertaken. However, the success of these efforts was doubtful and even when fine grain sizes were achieved, they did not necessarily bring about an improvement in mechanical Properties of the cast metal with it. In addition, the addition of such nuclei polluted often forming the casting material either chemically or by creating a proliferating source of inclusions. In addition, grain refinement in itself does not alleviate the problems associated with long solidification times occur, which are a necessary consequence of the long diffusion path that allows the heat to escape from the interior of the large ingots is required.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur besseren Kornverfeinerung von Gußstücken der oben beschriebenen Art durch Hinzufügen von Kristallationskerne bildenden Mitteln, die im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie die Schmelze auf-The invention relates to a method for better grain refinement of castings of the type described above by adding crystallization nuclei forming agents which are im essentially the same composition as the melt
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weisen, und deshalb nicht eine Quelle der Verunreinigung darstellen. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur besseren Kornverfeinerung von Gußstücken, die durch einen kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Guß- oder Umschmelzprozeß hergestellt wurden, besteht darin, daß zu einem zu gießenden flüssigen Metall kompakte Festkörperteilchen aus Metall in der Größenordnung von 0,1 bis 150.000 mm hinzugefügt werden, wobei diese Teilchen im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung wie das flüssige Metall aufweisen und sie im flüssigen Metall so verteilt werden, daß sie als Kristallationskerne bildendes Mittel für die Erstarrung des Metalls wirken, wobei ein Teil der Festkörperteilchen Teile bzw. Bereiche aufweist, die bis zur Erstarrung des Metalls, einschließlich der Erstarrungszeit, fest bleiben. wise, and therefore not a source of pollution represent. A method according to the invention for better grain refinement of castings produced by a continuous or semi-continuous casting or remelting process were produced, consists in that compact solid particles of metal to a liquid metal to be cast in the order of 0.1 to 150,000 mm can be added, these particles having essentially the same composition as the liquid metal and being distributed in the liquid metal in such a way that they act as crystallization nuclei forming agents for the solidification of the metal act, with some of the solid particles parts or areas which remain solid until the metal solidifies, including the solidification time.
Das Gesamtgewicht der hinzugefügten Festkörperchen ist üblicherweise bei der Anwendung dieses Verfahrens ein ausreichender Bruchteil der Schmelze, so daß, um die Festkörperchen auf eine hohe Temperatur aufzuwärmen, die Schmelze den größeren Teil ihrer Temperatur durch die nur kurzen Diffusionswege zu den nahegelegenen Teilchen verliert. Damit wird die Erstarrungszeit irgendeines besonderen Gußproduktes stark reduziert, und außerdem tritt eine entsprechende Verfeinerung der Dendriten-Astgröße auf. Damit bewirkt die Verminderung sowohl der Korn- als auch der Dendriten-Astgröße eine Verfeinerung in der Struktur eines Gußproduktes. The total weight of the added solids is usually a sufficient one when using this procedure Fraction of the melt, so that in order to heat the solids to a high temperature, the melt is the larger part of their temperature due to the short diffusion paths to the nearby particles loses. So that will the setting time of any particular cast product is greatly reduced and a corresponding refinement occurs the dendrite branch size. The reduction in both the grain size and the dendrite branch size thus results in a refinement in the structure of a cast product.
Das Verfahren ist besonders geeignet für Gußprozesse, dieThe method is particularly suitable for casting processes that
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naturgemäß kontinuierlich oder halbkontinuierlich ablaufen, wie z.B. Stranggießen, Verbrauchselektroden-und damit verbundene sekundäre Wiedereinschmelzverfahren, wie z.B. Elektro-Schlackenverfeinerung, Lichtbogenvakuum-Wiedereinschmelzen und bestimmte Arten von Induktions-, Plasma- und Elektronenstrahl-Wiedereinschmelzen. Ein weiterer wichtiger Vorteil dieses auf Gußprozesse der oben beschriebenen Art angewendeten Verfahrens besteht darin, daß die Gußgeschwindigkeit des Produktes erhöht werden kann zusammen mit einer nachfolgenden höheren Produktionsrate.naturally run continuously or semi-continuously, such as continuous casting, consumable electrodes and associated secondary remelting processes, such as electro-slag refinement, Arc vacuum remelts and certain types of induction, plasma, and electron beam remelts. Another important advantage of this applied to casting processes of the type described above Method consists in that the casting speed of the product can be increased together with a subsequent one higher production rate.
Das Verfahren kann beim Metallgießen nach den bekannten kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Gußverfahren durchgeführt werden, wobei die kompakten Festkörperchen in der oben beschriebenen Größenordnung verwendet werden. Die kompakten Teilchen werden zusammen mit dem flüssigen Metall der Schmelze hinzugefügt in einem festen Verhältnis von kompakten Teilchen zum flüssigen Metall, das, im Falle des relativ schnellen Wärmetransports zwischen den festen und flüssigen Phasen, zwischen der unterstften Grenze, normalerweise zumindesten 10 Gew.-%, was durch das beinahe vollständige Schmelzen der hinzugefügten Festkörperchen bestimmt wird, und der obersten Grenze liegt, üblicherweise zwischen etwa 20 und 50 Gew.-%, was entweder durch das vollständige Erstarren der Flüssigkeit bestimmt wird, oder, im Falle einer relativ niedrigen Wärme-Transportrate zwischen den Phasen oder durch die Pakkungsdichte der hinzugefügten Festkörperchen bestimmt wird,In metal casting, the process can be carried out according to the known continuous or semi-continuous casting processes be, with the compact solids in the above described order of magnitude can be used. The compact particles are melted together with the liquid metal added in a fixed ratio of compact particles to liquid metal, which, in the case of the relatively fast Heat transport between the solid and liquid phases, between the lowest limit, usually at least 10% by weight, which is due to the almost complete melting of the added solids is determined, and the upper limit is usually between about 20 and 50 wt .-%, which is determined either by the complete solidification of the liquid, or, in the case of a relatively low one Heat transfer rate between the phases or through the packing density the added solids is determined,
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die normalerweise zwischen 50 und 90 Vol.-% liegt, wobei sich der hinzugefügte Körper in seiner Zusammensetzung nur unwe- ' sentlich von der der Flüssigkeit unterscheidet.which is normally between 50 and 90 % by volume , the added body differing only insignificantly in its composition from that of the liquid.
Kompakte Festkörperchen können die Form von Kugeln, Würfeln oder Massivzylindern annehmen, wobei solche Formen in bezug auf ein ähnliches Volumen eines Drahtes oder Bandes kompakt sind. Vorzugsweise liegt das Volumen der dem flüssigen Metall zugeführten kompakten Festkörperchen in der Grossenordnung von 40 bis 1000 mm .Compact solids can take the form of spheres, cubes or solid cylinders, such shapes in are compact with respect to a similar volume of wire or ribbon. Preferably the volume is that of the liquid Metal-fed compact solids in the order of magnitude from 40 to 1000 mm.
Bei bestimmten Schmelz- und Ersarrungsbedingungen wurde gefunden, daß nur ein kleiner Prozentsatz, manchmal etwa oder 2%f der Teilchen übrig bleiben muß, um als Kristallationskerne bildende Mittel zu wirken. Nichtsdestoweniger wurde bei diesem Verfahren festgestellt, daß sich Gußstücke mit verbesserter Struktur selbst bei einem solch geringen Prozentsatz von hinzugefügten Festkörperchen ergeben, bei dem die Festkörperchen einen Teil aufweisen, der bis zur Erstarrung des Metalls, einschließlich der Erstarrungszeit, fest bleiben, und vermutlich wurde dieses Ergebnis deshalb erreicht, weil durch das Schmelzen der Festkörperchen die nutzbringende Wirkung der zusätzlichen Wärmegewinnung erzielt wird. Natürlich liefert das Verfahren auch eine höhere Produktionsrate an gegossenem Metall. In bestimmten Fällen wird es vorgezogen, daß ein größerer Teil der dem flüssigenUnder certain melting and congealing conditions it has been found that only a small percentage, sometimes about or 2% f, of the particles need be left to act as nucleating agents. Nonetheless, in this process, it has been found that castings with improved structure can be obtained even with such a small percentage of added solids that the solids have a portion that remains solid until the metal solidifies, including the solidification time, and presumably it became The result is achieved because the melting of the solids has the beneficial effect of generating additional heat. Of course, the process also provides a higher rate of cast metal production. In certain cases it is preferred that a greater part of the liquid
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Metall hinzugefügten Festkörperchen einen Teil aufweist t der bis zur Erstarrung des Metalls, einschließlich der Erstarrungszeit, fest bleibt, und in anderen Fällen mag der Anteil bei etwa 10 oder 20% liegen. ■Solids added to metal have a portion t which remains solid until the metal solidifies, including the solidification time, and in other cases the proportion may be around 10 or 20%. ■
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu gießende . Metall kann Stahl oder eine Legierung auf Nickel- oder Kobaltbasis sein.That to be cast according to the method of the invention. Metal can be steel or a nickel or cobalt based alloy be.
Vorzugsweise werden die dem flüssigen Metall zugefügten kompakten Festkörperchen annähernd gleichmäßig über die Erstarrungsfront verteilt, wobei dies durch elektromagnetisches Rühren der Schmelze erreicht werden kann.The compact solids added to the liquid metal are preferably approximately uniform over the solidification front distributed, this being done by electromagnetic Stirring the melt can be achieved.
Bei praktisch allen Arten von kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Gußprozessen, werden Vorsichtsmaßnahmen getroffen, um die Oberfläche des flüssigen Metalls vor Oxidationsfeu schützen durch die Verwendung eines Schutzgases, Vakuums, Schutzgas-Plasmas, oder einer Schlacke, oder im Falle von Strangguß stählen, oft durch die Benutzung einer Reduktionsgasflamme und einer dünnen Schlackenbedeckung. Normalerweise With virtually all types of continuous or semi-continuous casting processes, precautions are taken taken to the surface of the molten metal from oxidizing fire protect by using a protective gas, vacuum, protective gas plasma, or a slag, or in the case from continuous cast steels, often through the use of a reducing gas flame and a thin slag cover. Normally
weise ergibt sich kein Problem aus der Oxidation des hinzugefügten Körpers oder aus dem Hineinbringen eines Oxidfilms von der flüssigen Oberfläche in die Schmelze. Die Tendenz, Schlacke in das flüssige Metall zu bringen, wird bei diesem Verfahren, die eine auf dem flüssigen Metall schwimmendewisely, no problem arises from the oxidation of the added Body or from the introduction of an oxide film from the liquid surface into the melt. The tendency, Bringing slag into the liquid metal in this process becomes the one floating on the liquid metal
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Schlacken-Oberflächenschicht verwenden, relativ einfach durch Rühren des flüssigen Metallbades durch elektromagnetische oder andere Mittel überwunden werden, um die eingeschlossene Schlacke entweichen zu lassen. Die zum Beispiel durch eine elektromagnetische Rührtechnik hervorgerufene Rotation der Schmelze unterstützt die gleichmäßigere Verteilung der hinzugefügten Festkörperchen. Dies ist vorteilhaft, weil es nicht immer einfach ist, die Teilchen so hinzuzufügen, daß sie gleichmäßig über die ganze Fläche des Schmelzbades des zu gießenden Metalls verteilt werden. Tatsächlich ist es im allgemeinen möglich, die kompakten Festkörperchen nur auf ■;. einer Seite hinzuzufügen. Eine gewisse Wiederverteilung der Körperchen tritt auf, insbesondere wenn die Körperchen ziemlich klein sind, durch natürliche Übertragung und Turbulenz der Flüssigkeit, Jedoch wird die Verteilung von solchen Festkörperchen normalerweise durch die Erzeugung einer erzwungenen Übertragung oder durch Rühren zu einem gewissen Grade verbessert.Use slag surface layer, relatively easy through Agitation of the liquid metal bath by electromagnetic or other means can be overcome to the trapped To let the slag escape. The rotation of the Melt supports the more even distribution of the added solids. This is beneficial because it isn't it is always easy to add the particles so that they are evenly distributed over the entire surface of the molten pool casting metal are distributed. In fact, it is generally possible to use the compact solids only on ■ ;. to add to a page. Some redistribution of the corpuscles occurs, especially when the corpuscles are quite small, by natural transmission and turbulence of the liquid, however, the distribution of such solids is normally forced by the creation of a Transfer or agitation improved to some extent.
Das Verfahren wird anhand des folgenden Beispiels näher " erläutert. Die Prozentangaben beziehen sich auf Gewichtsprozente. The process is explained in more detail using the following example. The percentages relate to percentages by weight.
Ein kornverfeinertes Gußstück aus 18% Chrom und 8% Nickeledelstahl wurde nach dem Elektroschlacken-Wiedereinschmelzungs-A grain-refined casting made of 18% chrome and 8% nickel stainless steel after the electroslag remelting
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verfahren erzeugt. Das Elektroschlacken-Wiedereinschmelzungsverfahren ist eine bekannte Technik, in der eine stromführende Elektrode langsam geschmolzen wird in einem Schlackenschmelzbad, das durch den Stromdurchgang zum Gußstück aufgeheizt wird. Das Gußstück wird langsam durch die Tröpfchen des durch die Schlacke fallenden flüssigen Metalls aufgebaut. Die ganze Operation findet in einer wassergekühlten Kupfergußform statt.process generated. The electroslag remelting process is a well-known technique in which a current-carrying electrode is slowly melted in a molten slag bath, which is heated by the passage of current to the casting. The casting is slowly pulled through by the droplets the slag built up by falling liquid metal. The whole operation takes place in a water-cooled copper mold.
Die Elektrode wies einen Durchmesser von 32 mm auf und wurde in einer Gußform mit einem inneren Durchmesser von 75 mm geschmolzen. Das Schlackengemisch, 80% CaFp, 10% CaO und 10% AIpO7, wurde in einem Graphitschmelztiegel in einem gesonderten Muffelofen geschmolzen. Nach Erreichen einer Temperatur von annähernd 14OO°C wurde der Schmelztiegel umtransportiert und die Schlacke ergoß sich in die Lücke zwischen der Gußform und der Elektrode. Die Lücke zwischen der Bodenplatte und der Elektrode betrug 12 mm. Elektrische Energie wurde sofort in Höhe von annähernd 1200 bis 1300 As bei 20 bis 25 V aufgebracht (Gleichstrom, Elektrode positiv). Nach völligem Einschmelzen der Schlacke wurde zerhacktes, drahtform!ges Rundeisen von 2 mm χ 2 mm mit derselben nominellen Beschaffenheit wie die Elektrode ständig in einem solchen Ausmaß hinzugefügt, daß etwa 25% des sich ergebenden Eingusses aus den hinzugefügten Kompaktkörperchen bestand. Die Schmelze wurde während dieser Zeit durch eine Spulenwindung an der Außenseite der Gußform im Drehsinne gerührt, wobei die Spulenwindung ein konstantesThe electrode had a diameter of 32 mm and was melted in a mold with an inner diameter of 75 mm. The slag mixture, 80% CaFp, 10% CaO and 10% AlpO 7 , was melted in a graphite crucible in a separate muffle furnace. After a temperature of approximately 1400 ° C. was reached, the crucible was transported around and the slag poured into the gap between the casting mold and the electrode. The gap between the bottom plate and the electrode was 12 mm. Electrical energy was applied immediately in the amount of approximately 1200 to 1300 As at 20 to 25 V (direct current, electrode positive). After the slag was completely melted down, chopped wire-shaped rods of 2mm 2mm of the same nominal nature as the electrode were continuously added to such an extent that about 25% of the resulting sprue consisted of the added compacts. During this time, the melt was stirred in the direction of rotation by a coil turn on the outside of the casting mold, the coil turn being a constant
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Feld von etwa 5OOO A-Windungen/m erzeugte. Es wurde ein Gußblock von 72 mm Durchmesser und 250 mm Höhe erzeugt, der aus gleichgerichteten Körnern statt der üblichen langen Säulenstruktur bestand. Keine Teilchen der eingeschlossenen Schlacke noch andere schädliche Merkmale der MikroStruktur wurden entdeckt. Es wurde beobachtet, daß das elektromagnetische Rühren den zusätzlichen Nutzen bewirkte, daß die Oberfläche des Gußstückes wesentlich verbessert wurde.Field of about 5OOO A-turns / m generated. It became an ingot of 72 mm in diameter and 250 mm in height, made from grains aligned in the same direction instead of the usual long columnar structure duration. No particles of the entrapped slag nor other deleterious features of the microstructure were detected. It was observed that the electromagnetic stirring provided the added benefit that the surface of the casting has been significantly improved.
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