Stahlguss - Konstruieren und Gießen - Bundesverband der ...

4 Erschmelzen von Stahlguss
Bereits das Erschmelzen des Stahls aus
den Rohstoffen beeinflusst entscheidend
die Qualität des Gussstücks. Von Bedeutung
sind nicht nur das Einhalten von Analysen-
und Temperaturvorschriften, sondern
es lassen sich hier bereits die
Fehler erzeugenden Einflussgrößen auf ein
Minimum reduzieren. Dies ist Voraussetzung
für das Ziel eines fehlerfreien gegossenen
Bauteils mit besten Werkstoffeigenschaften,
wozu der Stahlgießer mit
dem ihm zur Verfügung stehenden Schmelzaggregaten
die nötigen Vorkehrungen und
metallurgischen Schritte zu treffen hat.
Die Wahl des Schmelzverfahrens für die
Herstellung von Flüssigstahl richtet sich
nach folgenden Merkmalen:
• dem Stahlsortenprogramm der Gießerei,
• den geforderten Verarbeitungseigenschaften,
• den für die Stückmassen (Einzelguss)
bzw. Losgrößen (Serienguss) erforderlichen
Flüssigstahlmengen,
• der Rohguss-Produktionsrate der
Gießerei,
• der Beschaffbarkeit (und damit den
Kosten) von Hilfs- und Betriebsstoffen,
z. B. Schrott.
4.1 Schmelzverfahren
In Stahlgießereien wird Stahl vorwiegend im
Induktions- oder Lichtbogenofen elektrisch
erschmolzen.
Mittelfrequenz-Induktionsöfen mit Einsätzen
von 10 kg bis zu 10 t und mehr werden zum
Umschmelzen von Stahl aus “kalten” Einsätzen
ohne “Sumpf” verwendet. Der frequenzveränderte
Strom erzeugt in den
Kupferspulen ein elektromagnetisches
Wechselfeld, welches im metallischen Einsatzmaterial
zum Entstehen von Induktionsströmen
(Wirbel- oder Kurzschlussströme)
führt. Diese wiederum erzeugen
die benötigte Schmelzwärme. Der Stromfluss
bewirkt gleichzeitig eine elektromagnetische
Krafteinwirkung. Dadurch
entsteht beim Einschmelzen und Aufheizen
eine frequenz- und leistungsabhängige
Badbewegung, die die Legierungsstoffe
schnell und homogen im Stahlbad auflöst.
Durch diese Vorzüge ist eine hoheAnalysentreffsicherheit
gegeben.
Aufgrund der kleinen Badoberfläche, die
induktiv nicht beheizt werden kann, ist mit
dem Induktionsofen eine metallurgische Arbeit
in der Regel nicht möglich. Gasreaktionen
zum Senken des Kohlenstoff-,
Stickstoff- und Wasserstoffgehalts sowie
Schlackenreaktionen zum Verringern des
Phosphor- und Schwefelgehalts werden in
der betrieblichen Praxis nicht nennenswert
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Tabelle 1: DurchschnittlicheEndgehalte
der Begleitelemente
von
Stahlguss in der
Abstichpfanne in
Abhängigkeit
vom Schmelzaggregat
angewendet. Um die in Tabelle 1 genannten
durchschnittlichen Analysenendgehalte
der Begleitelemente zu erreichen, muss
ein entsprechend hochwertiger Schrottund
Legierungseinsatz verwendet werden.
Beim Lichtbogenofen wird die elektrische
Energie zum Schmelzen von Schrott und
Heizen des flüssigen Einsatzes durch direkte
Lichtbogenerwärmung eingebracht.
Die Energieübertragung an das Einsatzgut
erfolgt durch die intensive Lichtbogenstrahlung
bei Temperaturen von etwa 4000
bis 6000 K. Der als Drehstrom-Lichtbogenofen
gebaute Herdofen mit einem relativ
großen Speicherenergiebedarf und dadurch
erhöhtem spezifischem Energieverbrauch
bei Ein- oder Mehr-Chargen-
Betrieb pro Tag kommt überwiegend als
Halbportalofen mit Schwenkdeckel und
Korbbeschickung zum Einsatz. Zunehmend
werden Lichtbogenöfen als Einschmelzaggregat
mit nachfolgender Sekundärmetallurgie
betrieben.
Für Stahlguss sind Nenngrößen ab 2 t im
Einsatz. Die Mehrzahl der Öfen liegt bei 5
bis 10 t Nenngröße. Seltener sind wesentlich
größere Ofeneinheiten. Unter bestimmten
Einsatzbedingungen sind heute selbst
mit kleinen Ofengrößen sehr gute Betriebsergebnisse
erreichbar.
Aufgrund der direkten, großflächigen Badbeheizung
ist eine metallurgische Arbeit
sowohl über gaskinetische als auch über
schlacken-chemische Reaktionen möglich.
Das Einsatzgut Schrott ist wesentlich
kostengünstiger, bezüglich Schrottdichte,
Stückigkeit und Beschaffenheit
sowie wesentlich anspruchsloser und in
seiner analytischen Zusammensetzung
variabler als der Induktionsofen. Diese
Gründe machten den Lichtbogenofen für
größere Stahlmengen zum Hauptschmelzaggregat
in den Stahlgießereien.
Wie die metallurgischen Möglichkeiten des
Lichbogenofens für das Erschmelzen eines
qualitativ sauberen Stahlgusses voll
genutzt werden können, ist in Tabelle 2 an
einem detaillierten Verfahrensablauf nach
dem Zwei-Schlacke-Verfahren dargestellt.
Die mit dieser Schmelzführung zu erreichenden
durchschnittlichen Analysenendwerte
für Begleitelemente enthält Tabelle 1.
4.2 Sekundärmetallurgie
Steigende Qualitätsanforderungen hinsichtlich
• besserer mechanischer Eigenschaften
bei ungeänderter Stahlgusssorte,
• erhöhten Reinheitsgrades und
• sehr enger Analysengrenzen
beeinflussten die schmelzmetallurgischen
Überlegungen für die Stahlgussherstellung.
Die in den Großstahlwerken bewährten
Nachbehandlungsanlagen wurden auf die
für Stahlguss spezifischen Bedingungen
modifiziert. Dabei wird im Induktions- und
Lichbogenofen nur noch der Schrott geschmolzen
sowie die metallurgische Arbeit
des Entphosphorens durchgeführt. Die
weiteren Prozessschritte des Entkohlens,
des Entgasens, der Desoxidation und des
Entschwefelns übernehmen die Nachbehandlungsanlagen.
In der betrieblichen
Praxis haben sich für die Stahlgussherstellung
durchgesetzt:
• für kleinere Schmelzeinheiten der
Vakuum-Induktionsofen (VIO),
• für größere Abstichmassen der AOD-
Bild 27: Nahezu ausschließlich aus Schrott
und Kreislaufmaterial wird Stahlguss erschmolzen.
Da die Gussteile nach Gebrauch
vollständig dem Stoffkreislauf durch Erschmelzen
wieder zugeführt werden, ist
Guss Rohstoffe und Umwelt schonend.
konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 1