Einleitung
Nichtmetallische Einschlüsse haben einen wesentlichen Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften, speziell von dynamisch beanspruchten Werkzeug- und Maschinenbaustählen sowie von korrosionsbeständigen Stählen. Die limitierenden Faktoren bei den Stählen sind Ermüdung, Umformbarkeit, Lochkorrosionspotential, Oberflächenqualität und Polierbarkeit. Die gängige Praxis zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften sind, für höchste Materialanforderungen, Umschmelzprozesse wie das Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren (ESU). Während dieses Refining-Prozesses werden vorrangig größere Einschlüsse erfolgreich entfernt.
Umschmelzprozesse sind jedoch durch einen hohen Energiebedarf gekennzeichnet, welcher im Fall des ESU-Verfahrens stark von der Zusammensetzung und den Eigenschaften der beteiligten Schlacke abhängt. Prozessparameter (wie Schlackenmenge und Schmelzrate) und Stoffkennwerte (elektrische Leitfähigkeit, Viskosität, Erstarrungsverhalten) beeinflussen den Gesamtenergiebedarf. Die genauen Zusammenhänge sind jedoch noch kaum bis gar nicht untersucht.
Ziele und Motivation
- Bestimmung des Zusammenhangs zwischen ausgewählten Schlackeneigenschaften und dem spezifischen Energiebedarf beim Elektro-Schlacke-Umschmelzen
- Betrachtung des Einflusses der Schlackenparameter auf die Bildung der Mantelschlacke und die Oberflächenqualität der ESU-Blöcke
- Detaillierte Analyse der Zusammenhänge der Umschmelzversuche mit den physikalischen und chemischen Stoffdaten sowie der Veränderung der nichtmetallischen Einschlüsse
Vorgehensweise
Die geplante Methodik des gegenständlichen Projektes umfasst drei Blöcke. Zunächst werden unterschiedliche Elektrodenwerkstoffe und Schlacken hergestellt sowie zugehörige Materialkennwerte aus der verfügbaren Literatur generiert. Das Elektrodenmaterial wird von den beteiligten Industriepartnern aus Block- und Stranggussprodukten unter industriellen Bedingungen mit teilweise typischen Anteilen und Zusammensetzungen nichtmetallischer Einschlüsse gefertigt. Dies soll als Basis für die weiteren Untersuchungen dienen, um letztendlich Korrelationen zum Energiebedarf anstellen zu können.
Der zweite Teil der Forschungsarbeit umfasst Umschmelzversuche an einer ESU-Pilotanlage am Standort des wissenschaftlichen Partners, der Fachhochschule Oberösterreich (Campus Wels, siehe Abbildung 1). Dabei wird unter anderem die Schlackenzusammensetzung variiert. Standardisierte sowie, im weiteren Projektverlauf, spezifische (neue) Schlackentypen werden betrachtet für einen Vergleich ausgewählter Schmelzparameter. Während der Umschmelzversuche werden die Schlackentemperatur gemessen und das Strömungsmuster an der Oberfläche dokumentiert.
Im Anschluss an die Versuche erfolgt im dritten Teil des Projektes die Analyse der Umschmelzversuche und die Erstellung von Zusammenhängen mit den physikalischen und chemischen Stoffdaten sowie der Veränderung der nichtmetallischen Einschlüsse (siehe Abbildung 2).
Ergebnisse und Anwendung
Am Ende des Projektes werden umfassende Aussagen darüber erwartet, welche Prozessparameter und Stoffdaten den Energieverbrauch beim ESU-Verfahren wesentlich beeinflussen. Darauf basierend sollen Schlackenzusammensetzungen mit verbesserter Kombination von Energieverbrauch und Reinheitsgrad abgeleitet werden.
Durch die umfangreiche Analyse der Prozesskenngrößen sowie deren Korrelation mit den spezifischen Stoffdaten soll das Verständnis über die Beeinflussungsmöglichkeiten des Energieverbrauches und der Stahlqualität beim ESU-Prozess nachhaltig erweitert und für die praktische Umsetzung zugänglich gemacht werden.