Verfahren zur Entfernung von Gasen aus Metallschmelzen Wie bekannt, ist man in der modernen 1Ietallurgie bestrebt, Metalle und Legierun gen mit höchstmöglichem Reinheitsgrad her zustellen, auch mit Hinblick auf die in den Metallen gelösten Gase. Es hat sich gezeigt, dass ein Metall gasfrei sein muss bzw. nur einen geringen Gasgehalt aufweisen darf, wenn die besten Eigenschaften erhalten blei ben sollen.
Beim Erstarren gashaltiger Schmel zen können nämlich freie Hohlräume ent stellen, wodurch das :Material diskontinnier- lieh wird, und die Kohäsion und Festigkeit infolgedessen herabgesetzt ist.
Solche Hohlräume können hinsichtlich ihrer Wirkung mit Rissen gleichgestellt wer den. Mancherlei Mittel und<U>W</U>ege wurden schon vorgeschlagen, um Metallschmelzen zu entgasen, z. B. die chemische Bindung der Gase in fester Form, beispielsweise mit einer Sehlacke, oder die Entfernung der Gase durch mechanische Evakuierung. Eine dritte Me thode, die sieh in ihrer Wirkungsweise der mechanischen Evakuierung nähert, ist das Auswaschen der gelösten Gase, indem die Schmelze mit einem andern Gas, dem soge- nannten Waschgas, durchgeblasen wird.
Wendet man die chemische Bindung der Gase mittels Schlacke an, so ist für eine wirk same Reinigung eine wiederholte Behandlung mit neuer Sehlacke notwendig, da sich ja immer ein Gleiclrgewiehtszustand zwischen den Gasgehalten der Schlacke und der Schmelze einstellt. Bei einem solchen Verfah ren ist es ferner schwierig, eine weitere Auf nahme von Sauerstoff oder Stickstoff aus der Luft zu verhindern, teils bei dem Schlacken wechsel und hauptsäehlieh beim Abgiessen der Schmelze. Entsprechende Nachteile sind mit dem Waschen der Schmelze mit einem Gas verbunden.
Bei diesem Verfahren bildet sich stets ein gewisser Partialdruek des ausgewa schenen Gases oberhalb der Schmelze, was zu zwangläufiger Rückdiffusion führt. Ebenso hat man in diesem Falle beim Abgiessen der Schmelze dieselben Übelstände wie oben an gegeben, nur in noch höherem Masse, weil ja in der Schmelze ein Unterdruck des entfern ten Gases, z. B. des Sauerstoffes, Stickstoffes und Wasserstoffes, gegenüber der umgeben den Atmosphäre zustandegekommen ist.
Dies hat. nicht nur eine neuerliche Auflösung der nicht erwünschten Gase zur Folge, sondern gleichzeitig eine kräftige chemische Reaktion der Gase mit der Schmelze auf ihrer beim Ab giessen stark vergrösserten Oberfläche. Die da bei gebildeten Verunreinigungen treten als dünne Häutchen aut, die beim Erstarren der Schmelze trennende Schichten in der Metall struktur bilden und dadurch die Festigkeits eigenschaften herabsetzen.
Die mechanische Evakuierung hat, vergli chen mit den übrigen Methoden, den Vorteil, dass in diesem Fall auch das Abgiessen im Vakuum vor sich gehen kann, so dass eine Rückdiffusion vermieden wird. Die mechani sche Ecakuierungsmethode hat jedoch auch bedeutende Nachteile. Der auffallendste Nach teil ist. die komplizierte und kostspielige Evakuierungsanlage und die Notwendigkeit, die Schmelze unter gasdichtem Abschluss zu behandeln. Dies bringt besonders grosse Schwierigkeiten mit sieh, wenn man nicht in sehr kleinem Massstab arbeitet. Ausserdem kommt noch ein Faktor hinzu, der bisher un beachtet geblieben ist.
Er besteht in der grundsätzlichen Verschiebung der kritischen Werte einer Schmelze, vor allem hinsichtlich des Schmelzpunktes und Verdampfungspunk- tes. Bei einem sehr weit getriebenen Vakuum gehen die in der Schmelze enthaltenen Metalle in höherem Grade in die Gasphase über. Diese Verdampfung steht in einem gewissen Ver hältnis zu den natürlichen Verdampfungs- punkten der am Aufbau beteiligten Metalle, was eine Änderung der chemischen Zusam inensetzung zur Folge haben muss.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Entfernung von Gasen aus Schmelzen von Metallen oder Legierun gen, das die oben beschriebenen Übelstände nicht aufweist. Die Erfindung stützt sich auf den (Irundgedanken, dass ein von den in der Schmelze gelösten Gasen verschiedenes Gas sich wie ein Valium gegenüber den gelösten Gasen verhält. Die Entfernung eines Gases mit Hilfe eines andern Gases wird. in der Folge als Gasevaluierung bezeichnet und das zugeführte Gas als Ecakuierungsgas.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist da durch gekennzeichnet, dass in den Raum, der sich über der Schmelze eines Metalles oder einer Legierung befindet, ein Gas eingeleitet wird, das der Schmelze die in ihr enthaltenen Gase mindestens teilweise entzieht, und zwar in der Weise, dass die Gasschicht unmittelbar über der Schmelze kontinuierlich entfernt und durch das eingeleitete Gas ersetzt wird und dass die Schmelze bis zum Erstarren in einer Atmosphäre des eingeleiteten Gases verbleibt.
Man kann z. B. eine gashaltige Schmelze mit einem Gas in Berührung bringen, das frei von den in der Schmelze enthaltenen Gasen ist. Soll dagegen z. B. der Stickstoffgehalt. einer Stahlschmelze beibehalten, andere Gase aber entfernt werden, kann die Gasevakuie rung erfindungsgemäss so ausgeführt werden, dass man die Schmelze mit, einem Gas in Be rührung bringt, das Stickstoff enthält, aber frei von den aus der Sehinelze zu entfernen den Gasen ist,
wobei der Partialclruek des Stickstoffes mit dem gewiinschteii Stickstoff gehalt der Stahlschmelze ungefähr im Gleich gewicht steht. Neben Stickstoff kann ein sol- ehes Gas noch ein anderes Gas enthalten, das in der Schmelze zugelassen ist, oder eventuell ein Edelgas, wie Helium, Argon, Krypton ttsw., welche Gase in --#letallsehinelzen unlös lich sind. -Wünscht man alle in der Schmelze gelösten Gase zu entfernen oder ihren Gehalt zu vermindern, so kann auch dies durch Gas evakuierung geschehen, z. B. mit Edelgasen.
Das neue Verfahren ist besonders für Schmelzen geeignet. die stark nitridbildende Metalle, wie z. B. Titan, Niob, Tautal und Vanadin, enthalten. Legierungen, die solche Metalle enthalten, können erfindungsgemäss in einer stickstofffreien Atmosphäre geschmol zen, vergossen und abgekühlt. werden, wobei zweckentsprechend ein Edelgas, z. B. Argon oder Helium, oder eventuell Wasserstoff ver wendet wird.
Bei der Durchführung der Gasevakuierung ist es @-on besonderer Bedeutung, class man die Evakuierungsgase nicht, nur zuführt, sondern auch wegführt, und zwar zusammen mit den ausgewaschenen Gasen. Man würde nämlich andernfalls nur bis zu einer Gleichgewichts lage kommen, bei welcher die ausgewaschenen Gasmengen mit den in der Schmelze zurück gebliebenen. Gasmengen im (deichgewieht stehen.
Die Zuführung der Evakuierun;-sgase geschieht dabei zweckmässig so, dass diese in 1- möglichst enge Berflirung mit der Oberfläche der Schmelze kommen, womit erreicht wird, dass das Gleieligewieht in der Grenzsehieht zwischen Gasatmosphäre und Schmelze gestört wird.
Dadurch wird eine vollständige Ent gasung ermöglicht. Auch wenn man sich der bekannten Methode bedient, ein W asehgas durch die Schmelze zu blasen oder dieses in der Schmelze zu erzeugen, so kann man nun- mehr dadurch eine beträehtlielie Verbesserung crzieleii, wenn man zusätzlich über die Ober fläelie der Schmelze dasselbe Gas bläst, wo durch die Reaktion in der Grenzsehieht zwi schen Schmelze und Gasatmosphäre irrever sibel wird.
Die Erfindung- ist nicht bloss für Stahl lind andere, für Konstruktions- zwe eke geei--riete Le-,ierungen verwendbar, sondern kann auch bei der Herstellung ver- schiedener Zusatz- und Legierungsmetalle, z.13. Ferrolegierunren, die zur Herstellung der verschiedenen le-Jerten Konstruktions- werkstoffe dienen, angewendet werden.
Das Ferrot.itan ist unter den Ferrolegie- rungen besonders interessant. Es konnte näm- lieli festgestellt werden, dass alles Ferrotitan, das sieh zur Zeit auf dein Markt befindet, ohie sehr inhomoaene Zusammensetzung auf weist und tatsächlich aus einer Mischung ver- schieden zusanimengeset.zter Ferrotitantypen besteht.
Schon mit blossem Auge kann man drei Hauptbestandteile unterscheiden, die auf (rund ihrer Färbung als blaues, gelbes und weisses Ferrotitan bezeichnet werden können. Ein am Markt @,ekauftes Ferrotitan mit einem Titan;-ehalt von 31,50/a und 3,1% Silizium, wurde in gelbe, blaue Lind weisse Stücke sor tiert.
Jede dieser Sorten wurde gesondert ana lysiert, wobei es sich zeigte, dass die weisse Sorte 28,80/0 Titan und 5,4% Silizium, die "elbe Sorte 60,4% Titan und 0,8% Silizi-Liin und die blaue Sorte 56,
1% Titan und 0,9% Silizium enthielten.
Beim Schmelzen zeigte es sieh ferner, dass sieh das weisse Ferrotitan in der Stahlschmelze bei 1550 C vollständig auflöst. Das gelbe und blaue Ferrotitan dagegen ging nicht einmal bei 7750 ' C -Lind ? Stunden Schmelzdauer in Lösung.
Dieses Verhalten bedingt nicht nur den Übelstand, dass die mit solchem Ferro- titan hergestellten Legierungen eine grosse 11en\-e ungelöster Ferrotitaneinschlüsse auf weisen, die die Eigenschaften des Werkstoffes stark verschlechtern, sondern es ist darüber hinaus unmöglich, die erforderlichen Zusatz mengen für den gewünschten Titan- und Siliziumgehalt im voraus zu berechnen, wo durch die Reproduktion einer Analyse un möglich gemacht wird.
Unter Anwendung der Erfindung bei der Herstellung von Ferrotitan, d. h. Schmelzen, Giessen und Erkalten unter Gasevakuierung, z. B. mit einem Edelgas oder eventuell mit Wasserstoffgas, ist es möglich, ein homogenes Ferrotitan des weissen, lösungsfähigen Typs zu erhalten. Bei dessen Anwendung ist es dann leicht, die Schmelzführung im voraus zii berechnen.
Das setzt zwar voraus, dass auch das Legieren einer Schmelze mit Hilfe eines solchen Ferrotitans unter Gasevaluierung ausgeführt wird, weil das weisse Ferrotitan bei der Temperatur der Schmelze in Gegen bart von auch nur geringen Luftmengen in die gelbe oder blaue Modifikation umgewan delt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann in beliebigen schon gebräuchlichen Öfen, Pfan nen oder Kokillen durchgeführt werden. Falls diese nicht geschlossen sind, ist es am besten, sie mit einem Deckel oder einer Haube zu versehen, die nur in einem solchen Grade ab- zudieliten brauchen, dass die Aufrechterhal tung eines schwachen Überdruckes des Eva kuierungsgases ohne unökonomische Gasver luste ermöglicht wird. Die vorhandenen Un- diehtigkeiten dienen dann zur Ableitung des Evakuierungsgases.