Methoden zum Schmelzen von Metall
Das Konverterschmelzen von Edelstahl erfolgt mit Luftstoß von unten (Bessemer- und Thomas-Methode) sowie mit Sauerstoffeinblasung von oben und unten. Sauerstoff in der Luft oxidiert die Verunreinigungen, wodurch das Gusseisen zu Stahl wird. Die bei der Oxidation freigesetzte Wärme erhitzt die Schmelze auf eine Temperatur von 1600 °C.
1. Bessemer-Methode
Konverter-Säureauskleidung, entworfen von einem englischen Ingenieur. Bessemer ermöglichte Mitte des 19. Jahrhunderts das Schmelzen von mit Silizium angereichertem Gusseisen mit einem minimalen Gehalt an Phosphor und Schwefel. Die Auskleidung des Bessemer-Konverters besteht aus sauren Dinas-Ziegeln. Auf 1250−1300 °C erhitztes Gusseisen (0,7−1,2% Si) wird in den Konverter gegossen und mit Luft eingeblasen. Es kommt zur Oxidation von Silizium, Kohlenstoff und Mangan, und aus Oxiden entsteht saure Schlacke. Danach ist die Bereinigung abgeschlossen. Das Metall wird in die Pfanne gegossen und dabei desoxidiert. Da die Schlacke sauer ist, werden Schwefel und Phosphor nicht entfernt.
2. Thomas-Methode
Die Thomas-Methode wurde Ende des 19. Jahrhunderts von S. Thomas für die Verarbeitung von mit Phosphor angereichertem Gusseisen vorgeschlagen. Intern. Die Auskleidung des Thomas-Konverters ist die Hauptauskleidung (Harz-Dolomit). Am Wandlergehäuse ist von unten eine Airbox befestigt. Der Windstoß gelangt durch die Blasdüsen (Düsen) in den Konverter. In den Konverter wird Kalk geladen, der die Hauptschlacke bildet. Anschließend wird Gusseisen gegossen (0,3 — 0,5% Si, 1,6 — 2,0% P; <0,08 % S;), auf 1250 °C erhitzt und mit Luft angeblasen. Silizium, Kohlenstoff und Mangan werden oxidiert. Schwefel und Phosphor werden in die entstehende Schlacke entfernt. Die Spülung ist abgeschlossen, wenn der Phosphorgehalt im Metall um das 30-fache abnimmt.
Diese Methoden haben einen gemeinsamen Nachteil — die Sättigung des Stahls mit Stickstoff, der beim Metallblasen aus der Luft in die Schmelze gelangt. Daher sind Thomas und Bessemer sowie Stahl spröder und anfälliger für Alterung. Daher wurden diese Methoden derzeit durch das BOF-Schmelzen mit Ober- und Unterblasen ersetzt.
3. Sauerstoffkonverter
Es wird ein Konverter mit Hauptauskleidung und Sauerstoffspülung durch eine wassergekühlte Düse verwendet. Folgende Einsatzstoffe werden verwendet:
- flüssiges Roheisen;
- Altmetall;
- Schlackenbildend (Kalk, Feldspat, Eisenerz, Bauxit).
Vor dem Schmelzen wird Altmetall (Schrott) in den Konverter geladen und auf 1300−1400 °C erhitztes Gusseisen gegossen. Anschließend wird eine wassergekühlte Düse in den Konverter eingeführt und durch diese Sauerstoff zugeführt. Zu Beginn des Einblasens werden Kalk, Bauxit und Eisenerz in den Konverter eingefüllt. Sauerstoff bewirkt die Zirkulation und Vermischung von Metall mit Schlacke, oxidiert Mangan, Silizium und Kohlenstoff. Durch intensive Oxidation wird die Mischung erhitzt. Phosphor bindet FeO und CaO. Wenn der Phosphorgehalt mehr als 0,15% beträgt, ist es zur Entfernung erforderlich, die Schlacke abzulassen und eine neue einzuführen. Der Schwefelaustrag in die Schlacke erfolgt während des gesamten Schmelzvorgangs. Die Sauerstoffzufuhr wird beendet, wenn der Kohlenstoffgehalt im Metall dem vorgegebenen Wert entspricht. Anschließend werden Desoxidationsmittel und Legierungszusätze in die Pfanne eingebracht. Die Schmelzdauer in einem Konverter mit einer Kapazität von 50 — 350 Tonnen beträgt weniger als eine Stunde.
4. Schmelzen in einem von unten geblasenen Konverter.
In den Konverter wird Stahlschrott geladen und flüssiges Eisen eingegossen. Während des Gießens liegt der Konverter nahezu horizontal, damit flüssiges Eisen nicht die Lanzen überschwemmt, durch die Stickstoff oder Luft geblasen wird. Zu diesem Zeitpunkt wird pulverförmiger Kalk eingeblasen, manchmal unter Zugabe von Flussspat. Dann wird Sauerstoff eingeschaltet und der Konverter in eine vertikale Position gebracht. Beim Spülen werden Silizium, Kohlenstoff und Mangan oxidiert. Es entsteht eine Schlacke, in die Phosphor und Schwefel übergehen. Die Spülung ist bei einem bestimmten Kohlenstoffgehalt im Metall abgeschlossen. Durch die Durchmischung des Bades und eine vollständigere Sauerstoffaufnahme verläuft die Entkohlung intensiver.
Herstellung von rostfreiem und hitzebeständigem Stahl durch Umschmelzen. Sauerstoffschmelzen
Heutzutage basiert die Herstellung von austenitischen rostfreien und hitzebeständigen Stählen auf dem Sauerstoffspül-Umschmelzverfahren. Dadurch wird eine optimale Auflösung der in der Mischung enthaltenen Legierungselemente gewährleistet. Es ist zu berücksichtigen, dass in Lichtbogenöfen das Schmelzen ohne Oxidation zu einer Aufkohlung des Metalls durch Elektroden führt, was einen minimalen anfänglichen Kohlenstoffgehalt erfordert. Dies schränkt die Verwendung hochlegierter Abfälle ein und erzwingt die Einbeziehung von kohlenstoffarmem sowie phosphor- und schwefelfreiem Weicheisen in die Chargenzusammensetzung, was die Kosten des Endprodukts erhöht.
Beim Sauerstoffschmelzen entfällt die Verwendung von Abfällen mit hohem Chromgehalt, da es bei einer ähnlichen Affinität von Chrom und Kohlenstoff zu Sauerstoff schwierig ist, Kohlenstoff zu oxidieren, ohne gleichzeitig Chrom zu oxidieren. Die Affinität von Kohlenstoff und Chrom zu Sauerstoff ändert sich jedoch mit der Temperatur unterschiedlich: Mit steigender Temperatur nimmt die Affinität von Chrom zu Sauerstoff ab und die Affinität von Kohlenstoff zu. Je höher die Temperatur, desto aktiver wird Kohlenstoff oxidiert und mit Ofengas bei konstantem Chromgehalt entfernt.
Die Rolle von Sauerstoff
Durch die Verwendung von gasförmigem Sauerstoff ist es möglich, die Temperatur des Metalls effektiv zu erhöhen und Kohlenstoff zu oxidieren. Aus der Praxis ist bekannt, dass bei der üblichen Schmelztemperatur von Stahl ein Kohlenstoffgehalt von 0,1% nur dann erreicht werden kann, wenn das Metall weniger als 3% Chrom enthält. Liegt die Temperatur jedoch bei 1800 °C, dann wird die angestrebte Kohlenstoffkonzentration bei einem Chromgehalt von 15% erreicht. Die Oxidation von Kohlenstoff mit gasförmigem Sauerstoff bei erhöhter Temperatur ermöglicht es, seine optimale Konzentration in der chemischen Zusammensetzung von Stahl zu erreichen und eine unbegrenzte Menge an Abfällen mit hohem Chromgehalt beim Füllen zu verwenden. Ein erhöhter Kohlenstoffgehalt in der Charge verhindert nicht die Produktion von kohlenstoffarmes Metall. Und der Chromgehalt in der Charge bestimmt nur den Kohlenstoffanteil im fertigen Stahl und die Schmelztemperatur am Ende des Blasens.
Füllfüllung. Chrom, Nickel, Molybdän
Um 13−14% Cr zu erhalten, kann die Charge bis zu 70% Stahlabfall enthalten. Um das Chrom vor Oxidation zu schützen und die Badtemperatur beim Blasen schneller zu erhöhen, ist es wichtig, dass die Charge 0,7−0,9% Si enthält. Die fehlende Menge an Silizium wird in Form von Ferrosilizium, Silicochrom oder Abfall-Siliziumstahlsorten eingebracht. Der fehlende Teil des Molybdäns wird in Form von Ferromolybdän in die Füllung eingearbeitet. Und die benötigte Menge Nickel wird in Form von Nickellegierungen, metallischem Nickel oder Nickeloxid in die Füllung eingebracht.
Silizium und Phosphor
Transformatorstahl enthält 3−4% Si, daher ist es wünschenswert, 20−25% Abfall an Transformatorstahl in die Charge einzubringen. Dadurch wird die erforderliche Menge Silizium in die Füllung eingebracht, wodurch auf den Einsatz teurerer Siliziumlegierungen verzichtet werden kann. Darüber hinaus enthält Transformatorenstahl sehr wenig Phosphor, was eine optimale Phosphorzusammensetzung garantiert. Wenn keine Transformatorstahlabfälle vorhanden sind, ist es notwendig, Abfälle aus Kohlenstoffstählen mit niedrigem Phosphorgehalt in die Füllung einzubringen, um Phosphor zu verdünnen.
Kohlenstoff
Für eine gute Entgasung des Metalls beim Sieden muss die Charge mindestens 0,3% Kohlenstoff enthalten. Bei Bedarf wird zur Aufkohlung Elektrodenstrahl oder Koks eingesetzt. Darüber hinaus wird dem Herd Kalk zugesetzt (0,5−1,0%) und manchmal, um Chromabfälle zu reduzieren — 0,5% Chromerz
Spülen
Das Anblasen des Bades mit Sauerstoff beginnt nach dem Schmelzen von ¾ der Ladung. Dies beschleunigt das Schmelzen und reduziert den Stromverbrauch. Eine frühere Reinigung ist mit einer großen Chromverschwendung verbunden. Die Spülung erfolgt im mitgelieferten Ofen, um die Erwärmung des Bades zu beschleunigen. Aufgrund der Wärme der exothermen Oxidationsreaktionen von Silizium und Chrom steigt die Temperatur des Bades schnell an. Bei einer bestimmten Temperatur beginnt die Oxidation von Kohlenstoff — aus dem Ofen erscheint eine kräuselnde Flamme. Danach wird der Ofen abgeschaltet, eine Probe zur chemischen Analyse entnommen und das Bad weiter geblasen, bis der erforderliche Kohlenstoffgehalt erreicht ist.
Temperatur
Beim Abblasen kann die Temperatur des Bades 1800 °C überschreiten. Diese hohe Temperatur zerstört die Haltbarkeit der Ofenauskleidung. Daher wird das Bad nach Beendigung der Spülung schnell mit Ferromangan desoxidiert und die berechnete Menge an glühendem Ferrochrom zugegeben. Zur schnelleren Abkühlung des Metalls werden teilweise zusätzlich bis zu 5% reiner Stahlabfall der zu erschmelzenden Güteklasse zugesetzt.
Schlacke
Am Ende des Blasens enthält die Schlacke üblicherweise bis zu 30% Chrom- und Manganoxide, bis zu 20% Silizium-, Eisen- und Kalziumoxide, bis zu 10% Mangan- und Aluminiumoxide. Der hohe Gehalt an feuerfesten Chromoxiden macht die Schlacke heterogen. Um Chrom aus der Schlacke wiederherzustellen, wird diese mit Siliziumchrom oder Ferrosiliziumpulver behandelt. Eine Desoxidation mit Siliziumchrom ist vorzuziehen, da der Stahl mit Chrom legiert ist. Wenn bei der Desoxidation zur Schlacke kein zusätzlicher Kalk zugeführt wird, entsteht im Ofen saure Schlacke mit einem pH-Wert von 0,6−0,8. Die Anreicherung von Siliziumoxid in der Schlacke verlangsamt die Reduktion von Chrom durch Silizium.
Sauerstoff
Mit Kalkzusätzen können Sie Sauerstoff in Chromoxiden binden. Ca trägt zur Reduktion von Chrom durch Silizium bei. Kalkzusätze erhöhen jedoch die Schlackenmenge, was selbst bei einem geringen Gehalt an Chromoxiden in der Schlacke zu großen Chromverlusten mit der Schlacke führen kann. Daher ist es nicht ratsam, dass der pH-Wert der Schlacke mehr als 1,5−1,6 beträgt.
Testergebnisse
Nach dem Schmelzen und der Metallverarbeitung werden verschiedene Arten mechanischer Tests durchgeführt, um die Qualität des resultierenden Produkts und seine Übereinstimmung mit den Anforderungen nationaler und internationaler Standards zu bestimmen. Somit ermöglichen die Ergebnisse der Zugprüfung von Metallen die Bestimmung ihrer Elastizitätsgrenze. Dieser Parameter bezieht sich auf die mechanischen Eigenschaften und ist ein sehr wichtiges Element bei den Berechnungen für den Bau von Bauwerken unterschiedlicher Komplexität. Der Anwendungsbereich hängt davon ab, wie hoch die Zugfestigkeit des Metalls ist.
Härte
Eine andere Art der Kontrolle des resultierenden Stahls ist die Methode der Härteprüfung von Metallen durch Drücken des «Eindringkörpers». Die im Rahmen der Studie erzielten Ergebnisse werden auf die physikalischen Eigenschaften von Stahl zurückgeführt und in der Regel werden Rockwell- oder Brinell-Skalen verwendet.
Mietinformationen
Darüber hinaus gibt es chemische Tests von Metallen, um die Zusammensetzung der Legierung im Hinblick auf Menge und Qualität der vorhandenen Elemente zu bestimmen. Sowie zyklische Tests von Metallen unter Anwendung unterschiedlicher Belastungen zur Feststellung ihrer Haltbarkeit. Darüber hinaus legen allgemeine Informationen zum Metallwalzen nahe, dass zusätzlich zu den oben genannten Methoden zur Untersuchung der Eigenschaften von geschmolzenem Metall in der Produktion Tests verwendet werden für:
Schlagfestigkeit;
Tiefziehen;
·Kompression;
·schleichen;
Fraktur.
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