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Dokumentenidentifikation DE10004910B4 15.07.2004
Titel Verfahren zur Bestimmung des Gehalts an Kohlenstoff und Silizium in geschmolzenem Eisen
Anmelder Metal Science Ltd., Shizuoka, JP;
Yuwa Co. Ltd., Akune, Kagoshima, JP
Erfinder Morinaka, Mayuki, Iwatagun, Shizuoka, JP;
Okuzono, Tsuyoshi, Akune, Kagoshima, JP
Vertreter Pöhner, W., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 97070 Würzburg
DE-Anmeldedatum 04.02.2000
DE-Aktenzeichen 10004910
Offenlegungstag 10.08.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.07.2004
IPC-Hauptklasse G01N 25/02

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Gehalts an Kohlenstoff und Silizium in geschmolzenem Eisen mit einer Thermoanalyse, insbesondere ein Verfahren zur Vorhersage des Kohlenstoff- und Siliziumgehalts in geschmolzenem Guß- oder Roheisen mit Hilfe der Thermoanalyse.

Im weiteren werden, wenn es keiner näheren Unterscheidung bedarf, Gußeisen und Roheisen beide als Gußeisen bezeichnet. Außerdem sind Angaben wie Fe-75% Si als Angaben in Gewichtsprozent zu verstehen, das heißt die Legierung enthält 75 Gewichtsprozent Eisen und 25 Gew.% Silizium.

Geschmolzenes Eisen aus einem Kupolofen oder geschmolzenes Roheisen in einem Hochofen sind als eutektische Systeme bekannt. Der Kohlenstoffgehalt im eutektischen System des geschmolzenen Metalls bestimmt, ob hypoeutektisches oder hypereutektisches Eisen nach der Aufbereitung erhalten wird, in Abhängigkeit von den Verarbeitungsbedingungen, wie der Menge an zugegebenem Koks oder der Sauerstoffmenge, mit der der Ofen gefrischt wird.

In einigen Fällen können Additive, z. B. Silizium, zum geschmolzenen Gußeisen hinzugegeben werden, um eine gewünschte Legierung zu erhalten. Im Falle des Roheisens wird es in einen Konverter verbracht, um Kohlenstoff und Silizium zu entfernen, und in Stahl umzuwandeln. Um Stahl aus geschmolzenem Roheisen zu erhalten muß die Luftqualität, d. h. der Sauerstoffgehalt der in den Konverter eingeblasenen Luft, auf den Gehalt an Kohlenstoff und Silizium abgestimmt sein.

Üblicherweise wird eine emissionsspektroskopische Analyse durchgeführt, um den Gehalt an Kohlenstoff und Silizium in geschmolzenem Guß- oder Roheisen zu messen. Dabei wird eine Probe des geschmolzenen Metalls in ein Probengefäß geschöpft und zur Erstarrung gebracht. Die Oberfläche der erstarrten. Probe wird mit einem extrem feinen Schleifmittel poliert und untersucht.

In der Vergangenheit wurde auch die Thermoanalyse zur Bestimmung des Kohlenstoff- und Siliziumgehalts in geschmolzenem Gußeisen angewandt. Trotz der Tatsache, daß der Kohlenstoffäquivalentwert (CE) einer hypoeutektischen Legierung geschmolzenen Gußeisens sich von dem der hypereutektischen unterscheidet, wird bei den Abkühlkurven, die mit der thermischen Analyse erhalten werden, die erstmalige Kristallisationstemperatur beider Zusammensetzungen oft am selben Punkt des Phasendiagramms registriert. Dementsprechend ist die Thermoanalyse zur Bestimmung des Kohlenstoff- und Siliziumgehalts in geschmolzenem Gußeisen auf einige wenige hypoeutekti- sche oder hypereutektische Gußeisen beschränkt.

In einem exakt hyperutektischen Gußeisen kristallisiert entweder Graphit oder Eisencarbid (Fe3C) aus dem geschmolzenem Gußeisen aus, obwohl die erstmalige Kristallisationstemperatur des Graphits und des Eisencarbids sich voneinander unterscheiden, wie aus dem Phasendiagramm in 1 ersichtlich. Auch der Gehalt an Kohlenstoff in Graphit und Eisencarbid ist unterschiedlich.

Die erstmalige Kristallisation aus der hypoeutektischen Legierung findet nur in Form austenitischen Gußeisens statt, dessen Kohlenstoffgehalt aus der hypoeutektischen Temperatur des Austenits bestimmbar ist.

Wie aus dem Phasendiagramm für geschmolzenes Gußeisen mit Kohlenstoffverunreinigungen (Fe-C) ersichtlich, existieren in der hypereutektischen Region zwei Liquiduskurven (AB und BE). Der Kohlenstoffgehalt im geschmolzenem Gußeisen kann dabei aus der Temperatur bestimmt werden, bei der die erstmalige Kristallisation aus der Legierung auftritt. Falls aber die Anzahl an Kristallisations- oder Nukleationskeimen, wie z. B. Graphitkerne, in der Schmelze nicht ausreichen sollte, wird die Liquiduskurve des Eisencarbids im Diagramm nicht erreicht. Darum wird eine tatsächliche Kristallisationstemperatur zwischen den beiden Liquiduskurven angenommen.

Wenn das geschmolzene Gußeisen hypoeutektisch ist, kristallisiert entweder Graphit oder Eisencarbid aus. Falls genügend Nukleationskeime für Graphit im geschmolzenen Gußeisen enthalten sind, wird die Liquiduskurve von Graphit im FE-C Phasendiagramm geschmolzenen Gußeisens erreicht. Andererseits, falls nicht ausreichend Nukleationskeime im geschmolzenem Gußeisen vorhanden sind, wird es in einen unterkühltn Zustand abgekühlt, und die erstmalige Kristallisationstemperatur liegt unterhalb der Liqiduskurve.

Falls keine Nukleationskeime im geschmolzenem Gußeisen vorhanden sind, kristallisiert es zu Eisencarbid aus. Da jedoch unter tatsächlichen Verhältnissen in geschmolzenem Gußeisen immer ausreichend Keime vorhanden sind, wird die Liquiduslinie des Eisencarbids nicht erreicht.

Demnach ist es zur Bestimmung des Kohlenstoffgehalts in geschmolzenem Gußeisen notwendig, eine ausreichende Menge an Nukleationskeimen, wie z.B. Graphitkerne, hinzuzugeben oder vollständig aus der Schmelze zu entfernen.

Im Lichte dieser Ausführungen ist es unmöglich, den Kohlenstoff- oder Siliziumgehalt in geschmolzenem Gußeisen oder Roheisen mit der gewöhnlichen Methode der Thermoanalyse zu messen oder zu bestimmen, wenn sich das geschmolzene Metall im hypereutektischem Zustand befindet.

Aus der DE 199 18 087 A1 ist ein Verfahren zur thermischen Analyse von Kugelgraphitguß bekannt, bei dem unter ausdrücklichem Verzicht auf das Element Tellur nur Elemente der seltenen Erden beigemischt werden. Ausdrücklich erwähnt wird die Beigabe von kleinen Mengen an Tellur in der DE 44 37 066 A1, wobei die Abkühlungskurven des reinen Gußeisens mit dem der mit Tellur versetzten Probe in Vergleich gesetzt wird. Ein Gerät zur Messung des Temperaturverlaufes einer abkühlenden Probe einer Gußeisenschmelze und die Aktivierung einer Auswerteschaltung ist der DE 27 42 576 C3 entnehmbar.

Die Erfindung hat sich, ausgehend vom Stand der Technik, zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Bestimmung des Kohlenstoff- und Siliziumgehalts in geschmolzenem Guß- oder Roheisen zur Verfügung zu stellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, in ein erstes Probengefäß, das für die thermische Analyse von geschmolzenem Gusseisen geeignet ist, eine kleine Menge an Tellur oder einer tellurhaltigen Verbindung zugegeben wird, in ein zweites Probengefäß eine kleine Menge an Silizium oder einer siliziumhaltige Verbindung zugegeben wird, gleichzeitig Gußeisen in das erste und zweite Gefäß geschöpft wird, die Thermoanalyse für das Gußeisen in ersten Gefäß durchgeführt wird, die Thermoanalyse für das Gußeisen im zweiten Gefäß durchgeführt wird, die Kristallisationstemperatur für das erstmalige Auskristallisieren des Gußeisens im ersten Gefäß mit der des zweiten Gefäßes verglichen wird.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Thermoanalyse an geschmolzenem Gußeisen durchgeführt, wobei in einem ersten Probegefäß eine kleine Menge Tellur zugegeben ist und in einem zweiten Probegefäß eine kleine Menge an Silizium. Danach werden die erstmaligen Kristallisationstemperaturen des geschmolzenen Gußeisens in den beiden Probengefäßen miteinander verglichen.

Wenn die erstmalige Kristallisationstemperatur geschmolzenen Gußeisens im ersten Gefäß höher ist als die im zweiten Gefäß, kann, als Ergebnis des obigen Vergleichs, festgestellt werden, daß das geschmolzene Gußeisen sich im hypoeutektischen Zustand befindet. Im Gegensatz dazu kann bei einer erstmaligen Kristallisationstemperatur geschmolzenen Gußeisens, die im zweiten Gefäß höher liegt als die im ersten, geschlossen werden, daß das geschmolzene Gußeisen sich im hypereutektischen Zustand befindet.

Außerdem fallen, da das erste Probengefäß eine kleine Menge Tellur enthält, hier die erstmalig gebildeten Kristalle im geschmolzenen Gußeisen als Eisencarbid aus. Folglich kann der Kohlenstoffgehalt in der Probe, deren Zustand als hypoeutektisch bestimmt wurde, in einfacher Weise aus der Abkühlkurve bestimmt werden.

Andererseits, wenn die Probe geschmolzenen Gußeisens in das zweite Gefäß mit Silizium geschöpft wird, erhöht sich das Kohlenstoffäquivalent im geschmolzenen Gußeisen aufgrund der Anwesenheit des Siliziums Dementsprechend, wie im Phasendiagramm dargestellt, ist die erstmalige Kristallisationstemperatur des geschmolzenen Gußeisens an die Temperatur des Eutektikums angenähert, welche niedriger ist als die erstmalige Kristallisationstemperatur geschmolzenen Gußeisens im ersten Gefäß.

Wenn die Proben sich im hypereutektischen Zustand befinden, ist die erstmalige Kristallisationstemperatur der Probe im zweiten Gefäß höher als die der Probe im ersten.

Nach der Bestimmung, ob es sich entweder um hyper- oder hypoeutektisches Gußeisen handelt, kann der Kohlenstoffgehalt im ersten Gefäß über die Abkühlkurve bestimmt werden.

Da im ersten Probengefäß Tellur enthalten ist, erstarrt das geschmolzene Gußeisen im ersten Gefäß, selbst wenn es sich im hypereutektischen Zustand befindet, zu weißem Roheisen und man erhält eine exakte Temperatur des Eutektikums zur Bestimmung des Kohlenstoff- und Siliziumgehalts.

Die Erfindung soll an einem Experiment näher erläutert werden.

Mehrere Proben (Nr. 1 – 5) geschmolzenen Gußeisens wurden hinsichtlich ihres Kohlenstoff- und Siliziumgehalts sowie des Kohlenstoffäquivalentwertes (CE) chemisch analysiert, wie in Tabelle 1 dargestellt, und auf eine Temperatur von 1500° erhitzt.

Tabelle 1

Die Proben wurden in ein erstes Probengefäß geschöpft, dem eine kleine Menge Tellur zugegeben war, sowie in ein zweites Gefäß, dem eine kleine Menge Silizium, wie ein Ferrosilizium, z. B. FE-75% Si oder FE-40% Si-10% Ca zugegeben war. Vorzugsweise werden 0,2 Gew.% Tellur und/oder 0,2 Gew.% Si zu den jeweiligen Probengefäßen zugegeben, um die Abkühlung durch das kalte Additiv nicht zu stark zu beeinflussen und dennoch hinreichende Abweichungen in den Kristallisationstemperaturen zu erreichen. In einem dritten Probengefäß sind keine Additive zugegeben. Danach werden die Proben einer Thermoanalyse unterzogen, um mit Hilfe der Abkühlkurven die erstmalige Kristallisationstemperatur sowie die Temperatur des Eutektikums, Kohlenstoff- und Siliziumgehalte bzw. das Kohlenstoffäquivalent zu bestimmen.

Die Ergebnisse der Thermoanalyse der Proben Nr. 1 bis 5 sind in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 3 zeigt die Kohlenstoff- und Siliziumgehalte der Proben.

Tabelle 2 (Ergebnisse der Thermoanalyse)
Tabelle 3

Der Vergleich der Tabellen 1 und 3 zeigt, daß die Ergebnisse der Thermoanalyse ungefähr mit den Ergebnissen der chemischen Analyse übereinstimmen.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Probe geschmolzenen Gußeisens in einem ersten Probengefäß, dem eine kleine Menge Tellur zugegeben wurde, einer Thermoanalyse unterzogen, ebenso in einem zweiten Probengefäß, dem eine kleine Menge an Silizium zugegeben wurde. Die erstmaligen Kristallisationstemperaturen geschmolzenen Gußeisens im ersten und zweiten Probengefäß werden anschließend miteinander verglichen.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Bestimmung des Kohlenstoff- und Siliziumgehaltes in geschmolzenem Gußeisen mit einer Thermoanalyse, dadurch gekennzeichnet, dass

    – in ein erstes Probengefäß, das für die thermische Analyse von geschmolzenem Gusseisen geeignet ist, eine kleine Menge an Tellur oder einer tellurhaltigen Verbindung zugegeben wird,

    – in ein zweites Probengefäß eine kleine Menge an Silizium oder einer siliziumhaltign Verbindung zugegeben wird,

    – gleichzeitig Gußeisen in das erste und zweite Gefäß geschöpft wird,

    – die Thermoanalyse für das Gußeisen im ersten Gefäß durchgeführt wird,

    – die Thermoanalyse für das Gußeisen im zweiten Gefäß durchgeführt wird,

    – die Kristallisationstemperatur für das erstmalige Auskristallisieren des Gußeisens im ersten Gefäß mit der des zweiten Gefäßes verglichen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Silizium ein Ferrosilizium ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Silizium Fe-75% Si ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Silizium Fe-40% Si-10% Ca ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 0,2 Gew.% Tellur in das erste und/oder 0,2 Gew.% Silizium in das zweite Gefäß zugegeben werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Abkühlkurven, die mit den Thermoanalysen erhalten werden, die Temperatur des Eutektikums des Gußeisens bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Abkühlkurven, insbesondere der Lage des Eutektikums, der Kohlenstoff- und Siliziumgehalt im geschmolzenen Gußeisen bestimmt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Kohlenstoff- und Siliziumgehalt des geschmolzenen Gußeisens die Bedienungen und/oder Zuschlagstoffe für die Weiterverarbeitung des Gußeisens zu Stahl bestimmt werden.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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