DE10065914A1 - Fülldraht zur Behandlung von Schmelzen mittels Drahtinjektion - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fülldraht zur Behandlung von Schmelzen, insbesondere Eisen- und Stahlschmelzen, mittels Drahtinjektion, mit einem äußeren Mantel aus Metall und einem Inhalt. Dieser Inhalt ist im Wesentlichen massives Magnesium. Um einen solchen Draht strörungsfrei mittels einer Injektionsmaschine in die Schmelze einspulen zukönnen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der innere Magnesiumdraht segmentiert ist und zwar, daß die einzelnen Stücke entweder kleiner als 50 mm sind, oder aber von einer Länge zwischen 790 mm und 25000 mm sind.

Description

Diese Erfindung betrifft einen Fülldraht zur Behandlung von metallischen Schmelzen, wobei der Wirkstoff einen Kochpunkt unterhalb der Anwendungstemperatur hat.

Der Einsatz von Fülldraht in der Metallurgie ist heute Stand der Technik. Der Füll­ draht besteht immer aus einem metallischen Mantel, der den eigentlichen Wirkstoff als Granulat oder Pulver einer oder mehrerer Komponenten umhüllt. In aller Regel unterstützt die große Oberfläche des Wirkstoffes das metallurgische Ziel, denn der Wirkstoff löst sich eben deswegen schnell auf.

Seit langem ist bekannt, daß die Werkstoffeigenschaften von Schmelzen, insbeson­ dere von Gußeisen, nicht nur vom Anteil des Kohlenstoffs, sondern in entscheiden­ dem Maße auch von der Ausscheidungsform des Kohlenstoffs in der Matrix bestimmt wird. Der Kohlenstoff kann laminar, vermicular oder in Kugelform vorliegen. Die Form der Ausscheidungen des Kohlenstoffes wird hauptsächlich durch Hinzufügen von Magnesium beeinflußt. Ohne Magnesium scheidet sich der Kohlenstoff in lami­ narer Form aus; abhängig von der einlegierten Menge des Magnesiums entstehen vermiculare oder bei höheren Mengen kugelförmige Ausscheidungen.

Die Zugabe von Magnesium zu flüssigem Eisen oder Stahl ist allerdings aus zwei Gründen sehr problematisch. Einerseits liegt der Siedepunkt des metallischen Mag­ nesiums schon bei knapp 1100°C und somit deutlich unter der üblichen Behand­ lungstemperatur von 1400 bis 1500°C bei Eisen und bei über 1600°C bei Stahl. Durch das Einbringen des Magnesiums in eine Eisenschmelze entsteht ein Dampf­ druck von über 1 Mpa, in der Stahlschmelze sogar über 2 Mpa. Andererseits liegt der Zündpunkt von Magnesium knapp über dem Schmelzpunkt, daher brennt flüssiges oder gasförmiges Magnesium bei Zutritt von Luft praktisch sofort. Diese Brände sind kaum zu kontrollieren und mit den üblichen Löschmitteln nicht zu löschen; im Gegen­ teil; mit Wasser entstehen schwere Explosionen. Gerade wegen des hohen Dampf­ druckes ist das Verhältnis von eingebrachter Magnesiummenge zur Wirkmenge (Ausbringen) sehr ungünstig.

Zur metallurgischen Behandlung von flüssigem Eisen und Stahl mit Magnesium ins­ besondere zur Herstellung von Sphäroguß (kugelförmige Ausscheidung des Kohlen­ stoffs) sind bereits verschiedene Verfahren bekannt. Sphäroguß wird zur Zeit über­ wiegend nach vier Verfahren hergestellt:

• 1. Bei einem ersten Verfahren (Übergießverfahren) wird eine körnige magnesi­ umhaltige Vorlegierung auf dem Boden des Behandlungsgefäßes gelegt und mit flüssigem Eisen übergossen.
• 2. Bei einem zweiten Verfahren (Georg Fischer Konverterverfahren) ist vorgese­ hen, Magnesiummakeln bei liegendem Reaktor in eine spezielle, mit Bohrun­ gen versehene Kammer am oberen hinteren Teil einzubringen und durch Auf­ stellen des Reaktors in Kontakt mit dem flüssigen Eisen zu bringen.
• 3. Bei einem dritten Verfahren (Tauchverfahren) wird eine blockförmige, magne­ siumhaltige Vorlegierung in eine spezielle Vorrichtung in Art einer Tauchglocke gebracht und mittels dieser in ein mit flüssigem Eisen gefülltem Gefäß ein­ getaucht.
• 4. Schließlich ist bekannt, einen mit einer körnigen, magnesiumhaltigen Vorlegie­ rung, Mischungen aus körnigem Magnesium mit anderen Metallen oder Legie­ rung oder reinem körnigen Magnesium gefüllten Fülldraht in das flüssige Eisen mittels einer Drahtinjektionseinrichtung einzuspulen (Fülldrahtverfahren).

Die Verfahren, bei denen Magnesium in Form von Makeln eingebracht wird, haben den Vorteil, daß die Reaktionen des Magnesiums aus kinetischen Gründen zeitlich verzögert sind, da das Magnesium hierbei nur eine vergleichsweise Meine Oberflä­ che hat. Daher kann das Magnesium tief in die Schmelze eingebracht werden, ohne daß es schon auf diesem Weg in erheblichem Maße verdampft. Das Ausbringen des Magnesiums ist daher besser als beim Einsatz von Magnesium mit körniger Struktur. Dieses hat den erheblichen Nachteil der großen Oberfläche und aufgrund dessen einer sehr schnellen Reaktion. Allerdings haben die Verfahren, bei denen das in die Schmelze eingebrachte Magnesium nur eine kleine Oberfläche hat, in der Regel den Nachteil eines großen anlagetechnischen Aufwands. Außerdem ist es aufgrund der vergleichsweise großen Magnesiumstücke schwierig, eine genau definierte Menge an Magnesium zuzugeben.

Andere übliche Verfahren zur Behandlung des flüssigen Eisens oder Stahls, wie das Einspulen von Magnesium über Fülldraht, sind technisch unproblematisch, haben aber den Nachteil, daß das Magnesium in körniger Form eingebracht werden muß, daher eine große Oberfläche hat und infolge dessen hochreaktiv ist. Allerdings ist dieses Verfahren insofern vorteilhaft, da der anlagentechnische Aufwand gering ist und die Zugabemenge des Magnesiums exakt gesteuert werden kann. Zur Herabset­ zung der Reaktivität und des Dampfdruckes ist man bei Fülldrähten daher zum Teil dazu übergegangen, als Inhalt Legierungen mit relativ niedrigem Anteil an Magnesi­ um zu verwenden.

Fülldraht mit massivem Magnesium Innendraht sind in der Literatur und Patentschrif­ ten beschrieben, sie haben sich aber bis heute nicht durchsetzten können. Wegen der hohen Reaktivität des flüssigen Magnesium kann dieser nicht analog der Alumi­ niumtechnologie trotz des vergleichbaren Schmelzpunktes ohne erheblich Probleme per Strangguß (z. B. mit dem Properzirad) vergossen werden. Auf dem Markt erhält­ liche Stäbe (z. B. als Opferanoden) werden durch Extrusion gewonnen. Die Extrusi­ onsgeschwindigkeit ist für Magnesium mit wenigen Meter pro Minute so gering, daß sich nur die Erzeugung zahlreicher Stangen gleichzeitig lohnt, die nach einer gewis­ sen Länge abgeschert werden müssen; die Erzeugung eines "endlosen" Drahtes auf diesem Weg ist nicht wirtschaftlich. Es hat sich gezeigt, daß ein Fülldraht bestehend aus Stäben von je etwa 1000 mm zwar ohne Probleme hergestellt und als Coil zu verpacken ist, aber dieser nicht betriebssicher als Freecoil eingesetzt werden kann. Da das Magnesium wegen der hexagonalen Struktur recht hart ist, das Mantelmate­ rial aber ein weicher Stahl ist, biegt sich der Fülldraht sehr unterschiedlich. Wenn dieser Fülldraht vom Freecoil abgezogen wird, so bleibt die Biegung über die Länge des Magnesiumstabes erhalten, an den Übergangsstellen ist ein scharfer Knick in anderer Richtung; man kann den Fülldraht im Bereich zwischen Coil und Injektions­ maschine als Aneinanderreihung von Halbwellen beschreiben. Das wiederum hat in der Praxis zur Folge, daß sich ein solcher Fülldraht beim Eintritt in die Injektionsma­ schine festklemmt und sehr häufig reißt. Da die Injektion mit Magnesium innerhalb weniger Minuten beendet sein muß, um ein hohes Ausbringen zu erhalten, sind die­ se Betriebsstörungen in besonderem Masse kostspielig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen Fülldraht der eingangs genann­ ten Art zur Verfügung zu stellen, bei dem einerseits sichergestellt ist, daß das Mag­ nesium im Wesentlichen als Draht mit minimaler Oberfläche eingehüllt ist, anderer­ seits aber ein betriebssicheres Einspulen erlaubt.

Diese Aufgabe ist bei einem Fülldraht der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Innendraht in Segmente geeigneter Länge geteilt wird. Ei­ nerseits haben sich kleine Segmente von der Länge zwischen dem Innendurchmes­ ser des Fülldrahtes und 50 mm bewährt, andererseits sind ebenfalls Segmente mit einer Mindestlänge von 790 mm tauglich. In beiden Fällen sind die Übergangswinkel zwischen den einzelnen gefüllten Fülldrahtstücken so gering, daß sie prozesstech­ nisch nicht mehr ins Gewicht fallen.

Durch die Erfindung ist sichergestellt, daß das Magnesium bzw. die verformbare Ma­ gnesiumlegierung tiefer in die Schmelze eingebracht werden kann, bis es verdampft. Dies hat letztlich verschiedene Ursachen. Einerseits müssen zunächst einmal der Mantel des Fülldrahtes und eventuell eine Beschichtung aufgeschmolzen werden, bis die Schmelze an den Inhalt gelangt. Andererseits liegt der Inhalt lediglich als Innen­ drahtabschnitt aus Vollmaterial vor, so daß dieser Kern eine sehr geringe Oberfläche aufweist. Aufgrund der beiden vorgenannten Merkmale wird die Verdampfung des Magnesiums bzw. der Magnesiumlegierung sehr stark verzögert, so daß dieses Ma­ terial besser in der Schmelze reagieren kann und in weit geringerem Maße ungenutzt als Gas die Pfanne verläßt und außerhalb verbrennt. Im übrigen führen das tiefe Ein­ bringen des Inhalts in die Schmelze und die aufgrund der geringen Oberfläche des Kerns resultierende verzögerte Reaktion dazu, daß die Schmelze aufgrund des ent­ stehenden Magnesium - Gases gut gerührt, vermischt und homogenisiert wird und die nicht - metallischen Abscheidungen zur Oberfläche ausgetragen werden.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Inhalt ein Füllmaterial auf das wiederum ein Inertmaterial, ein Impfmittel und/oder ein Legierungsmittel sein kann. Dabei dient das Inertmaterial im wesentlichen dazu, das Aufschmelzen des Kerns weiter zu verzögern, so daß der Fülldraht noch tiefer in die Schmelze eingebracht werden und dadurch der Kern als eigentliches Behand­ lungsmittel langsamer mit der Schmelze reagieren kann.

Bei dem Inertmaterial kann es sich grundsätzlich um körniges oder pulverförmiges Material handeln, das den Kern wie der äußere Mantel ummantelt. Die Einbringung eines solchen Materials auf den Blechabschnitt, aus dem später der äußere Mantel des Fülldrahtes hergestellt wird, ist während der Herstellung des Fülldrahtes ohne weiteres möglich.

Bei dem Füllmaterial kann es sich, wie zuvor bereits angesprochen, um Inertmaterial, keine (negativen) Wirkungen auf die Schmelze ausübt und die Reaktion des Kerns mit der Schmelze verzögert, ein Impfmaterial oder ein Legierungsmittel handeln. Be­ vorzugt handelt es sich bei dem Füllmaterial um Metalloxide, Schlacke, Eisenpulver, Stahlpulver, Salze, Graphit, Siliziumcarbit, Ferrolegierungen, wie Ferrosilizium, CeMM und/oder Mischungen aus wenigstens zwei Stoffen der vorgenannten Materialien. Auch arteigene Schlacke kann ohne weiteres als Füllmaterial an sich oder als Teil des Füllmaterials dienen.

Im übrigen ist festgestellt worden, daß günstige Ergebnisse bei der Reaktionsverzö­ gerung des Kerns dann erzielt werden, wenn die Korngröße des Füllmaterials kleiner 2 mm ist. Allerdings sollte drauf geachtet werden, daß die Korngröße des Füllmateri­ als nicht kleiner 0,1 mm ist, es sich also nicht um Staub handelt, der schlecht verar­ beitet werden kann.

Der erfindungsgemäße Fülldraht kann je nach Anwendungszweck und Behand­ lungsmenge der zur Verfügung stehenden Pfanne einen Durchmesser zwischen 5 bis 25 mm aufweisen. Vorzugsweise wird ein Draht mit einem Durchmesser von 6 bis 13 mm eingesetzt. Je nach dem, ob der Inhalt ausschließlich von dem Volldraht ge­ bildet wird oder aber ob noch Inertmaterial vorgesehen ist, wird ein Volldraht mit ei­ nem Durchmesser verwendet, der entweder den Innendurchmesser des Mantels völ­ lig ausfüllt oder aber 2 bis 4 mm geringer ist als der Innendurchmesser des Mantels.

In den Figuren wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 Abschnitt eines Fülldrahtes zwischen Coil und Injektionsmaschine mit Innen­ segmenten aus Magnesium untauglicher Länge.

Fig. 2 Abschnitt eines Fülldrahtes zwischen Coil und Injektionsmaschine mit Innen­ segmenten aus hinreichend kurzen Segmentstücken.

Fig. 3 Abschnitt eines Fülldrahtes zwischen Coil und Injektionsmaschine mit Innen­ segmenten aus hinreichend langen Segmentstücken.

In den Zeichnungen wird der Fülldraht aus dem Freecoil (1) über eine freie Strecke (2) über den Rollenbogen (3) in die Injektionsmaschine (4) gezogen. Hierbei ist bei Fig. 1 in der freien Strecke 2a zu erkennen, daß die untaugliche Länge der einzelnen Magnesiumsegmente den Fülldraht bogenförmig verformen. Zwischen den einzelnen Segmenten ist jeweils ein scharfer Knick in entgegengesetzter Richtung. Wegen die­ ses scharfen Knicks verhakt ein solch untauglicher Draht entweder schon im Rollen­ bogen oder beim Eintritt in die Injektionsmaschine. Dies führt zu Betriebsstörungen und häufig zum Abriß des Drahtes. In Fig. 2 sind die segmentierten Magnesium­ drahtstücke so klein, daß der Draht sich ähnlich einem mit Granulat oder Pulver ver­ füllten verhält, ein solcher Draht läuft in langgezogenen Schlingen vom Coil zum Rol­ lenbogen. In Fig. 3 sind die Segmente des Magnesiumdrahtes so lang, daß er auf der freien Strecke zwischen Coil und Rollenbogen entzerrt wird. Daher sind die Übergänge zwischen den einzelnen Segmenten so flach, daß hier ein Störungsfreier Transport gewährleistet ist.

Ein Fülldraht der beschriebenen neuen Art wurde in einem Betriebsversuch zur Er­ zeugung von Sphäroguß eingesetzt. Hierbei wurden etwa 20 aufeinanderfolgende Chargen betriebssicher mit den vorhanden Anlagen zur Förderung des üblichen Granulatdrahtes ohne weitere Änderungen der Anlage behandelt. Hierbei zeigte es sich, daß der erfindungsgemäße Draht - bezogen auf das Magnesium - um knapp 20% schneller eingespult werden konnte (Granulatdraht: 1,75 kg/min. Stangendraht 2,1 kg/min). Das Ausbringen an Magnesium wurde um über 50% gesteigert, bezogen auf die gleiche Anzahl unmittelbar vorausgehender Chargen (n = 19):
Wirkmaterial: 0,007% Zn, 0,009% Al, 0,03% Si, < 0,001% Cu, 0,004% Mn, 0,009% Fe, < 0,001% Ni, < 98,5% Mg, 7,9 mm Durchmesser, 8000 +/- 50 mm Länge
Mantelmaterial: Stahl ST 14, 0,5 mm Dicke
Granulatdraht: Durchmesser 13 mm, Füllgrad: 131 g Mg/m, Geschwindigkeit 13 m/min. Eisentemperatur 1456°C, Ausbringen 25,8%
Stangendraht: Durchmesser 9 mm, Füllgrad: 81 g Mg/m, Geschwindigkeit 25 m/min., Eisentemperatur 1467°C, Ausbringen 39,1%.

Claims (8)

1. Zum Einbringen von Zusätzen in Metallbäder geeigneter Fülldraht, der im Wesentlichen aus einer metallischen schützenden Hülle (Mantel) und dem umfangenen Wirkstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirkstoff aus zylindrischen Segmenten definierter Länge besteht.

2. Fülldraht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Segmente entweder eine Länge zwischen 790 mm und 25000 mm oder aber eine Länge zwischen dem Innendurchmesser des Mantels und 50 mm haben.

3. Fülldraht nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Hülle aus Stahl, Nickel, Aluminium oder einer Legierung auf Basis einer der genannten Metalle besteht.

4. Fülldraht nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus einem metallischen Band besteht, der im Wesentlichen rund oder oval um den Wirkstoff verformt ist und entweder durch verschweißen, Überlappung oder Verfalzung geschlossen ist.

5. Fülldraht nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirkstoff einen Kochpunkt hat, der unterhalb der Anwendungstemperatur liegt, insbesondere aus Magnesium bzw. einer Legierung damit oder aus Calcium bzw. einer Legierung damit.

6. Fülldraht nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ne­ ben dem zylindrischen Wirkstoff ein weiterer Wirkstoff gleicher oder ande­ rer Art als Pulver oder Granulat eingehüllt ist.

7. Fülldraht nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Mantels zwischen 4 und 17 mm liegt.

8. Fülldraht nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innensegmente an den Stirnflächen thermisch und/oder mechanisch be­ handelt sind (entgratet/abgerundet).