TY - THES

T1 - Charakterisierung des Kristallisationsverhaltens einer fluorfreien Gießschlacke für den Strangguss von Stahl

AU - Schützeneder, Armin

N1 - nicht gesperrt

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Beim Strangguss von Stahl werden in der Kokille Gießpulver eingesetzt, die eine Vielzahl an Aufgaben übernehmen. Gießpulver werden aus verschiedenen natürlichen und synthetischen Rohstoffen hergestellt und können sehr komplex zusammengesetzt sein. Nach aktuellem Stand der Technik enthalten Gießpulver neben sauren (z.B. SiO2, etc.) und basischen (z.B. Alkalien, CaO, etc.) Bestandteilen einen wesentlichen Anteil an Fluorträgern (z.B. CaF2). Im Einsatz entsteht dabei in fast allen Fällen die Mineralphase Cuspidin. Aufgrund seiner toxischen Wirkung soll Fluor in Zukunft in Gießschlacken ersetzt werden. Daher wurde das Kristallisationsverhalten einer Fluor-freien Gießschlacke, mit der internen Bezeichnung E-2017-005, im Rahmen dieser Arbeit mit der Single Hot Thermocouple Technique (SHTT), der Double Hot Thermocouple Technique (DHTT) und dem Auflicht- bzw. Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht. Das Ergebnis der SHTT-Versuche (900- 1200°C) ist ein Time-Temperature-Transformation-(TTT-) Diagramm, welches für die untersuchte Schlacke eine Kurve mit nur einer Nase bei ca. 970°C ergibt. Die Schlacke kristallisiert dabei für Temperaturen unter 1100°C innerhalb von maximal zehn Sekunden vollständig aus, was wesentlich schneller als bei üblich eingesetzten Gießschlacken ist. Als Hauptphase tritt im gesamten Bereich Na-Ca-Mg-Silikat auf, welches bei allen Temperaturen von Merwinit begleitet wird. Über 1070°C können die Nebenphasen Perovskit, Double-Perovskit und Akermanit beobachtet werden. Die Kristallgröße nimmt dabei mit steigender Temperatur zu. Als Hauptphase der DHTT-Proben tritt ebenfalls Na-Ca-Mg-Silikat auf, welches bei allen untersuchten Temperaturgradienten mit den Nebenphasen Perovskit, Double-Perovskit und Merwinit vorliegt. Bei beiden Untersuchungen (SHTT und DHTT) liegt das Na-Ca-Mg-Silikat sowohl flächig als auch dendritisch vor. Merwinit kommt überwiegend als nadeliger bis flächiger Kristall vor und Perovskit tritt fein verteilt in den Zwischenräumen auf. Double-Perovskit hingegen bildet einen Saum um Merwinit bzw. Na-Ca-Mg-Silikat. Nach der Bildung von zuerst Na-Ca-Mg-Silikat und anschließend Merwinit aus der Schmelze steigt der TiO2-Gehalt in dieser an und ein Double-Perovskit-Saum kann sich ausbilden. Perovskit bildet sich in jenen Bereichen, die an SiO2 verarmt sind. Die 1350/800°C-Unter- suchungen weisen im Vergleich zu den anderen DHTT-Versuchen eine Kristallwachstumsge- schwindigkeit, die tendenziell zwischen der von 1350/600°C und 1350/700°C liegt, und einen erhöhten kristallinen Anteil auf. Während die meisten Kristalle bei den anderen Untersuchungstemperaturen durch die Marangonikonvektion ans heiße Ende transportiert und dort aufgeschmolzen werden, lagern sie sich bei 1350/800°C im fortgeschrittenen Versuchsverlauf vermehrt an der von der kalten Seite ausgehenden Kristallisationsfront an. Dies kann auch bei 1350/700°C in abgeschwächter Form festgestellt werden. Der Großteil des Schlackenfilms weist bei diesen beiden Temperaturgradienten Bedingungen auf, die hinsichtlich Keimbildung und Kristallwachstum günstig sind. Weiters treten bei 1350/800°C die am größten ausgebildeten Kristalle bei den DHTT-Untersuchungen auf. Für den direkten Einsatz im Strangguss scheint die untersuchte Schlacke nur bedingt geeignet, weichen die Ergebnisse doch relativ stark von konventionell eingesetzten Schlacken ab. Durch eine Modifizierung des Alkalienanteils und des Titangehalts könnte unter Einhaltung der vorgegebenen Viskosität und Schmelztemperatur die Kristallisationsrate soweit gesenkt werden, dass diese im Bereich von F-haltigen Schlacken liegt. Die Ergebnisse und Erkenntnisse dieser Untersuchungen bilden eine gute Basis für die Weiterentwicklung von F-freien Gießschlacken und einen damit verbundenen emissionsärmeren Stranggussprozess.

AB - Beim Strangguss von Stahl werden in der Kokille Gießpulver eingesetzt, die eine Vielzahl an Aufgaben übernehmen. Gießpulver werden aus verschiedenen natürlichen und synthetischen Rohstoffen hergestellt und können sehr komplex zusammengesetzt sein. Nach aktuellem Stand der Technik enthalten Gießpulver neben sauren (z.B. SiO2, etc.) und basischen (z.B. Alkalien, CaO, etc.) Bestandteilen einen wesentlichen Anteil an Fluorträgern (z.B. CaF2). Im Einsatz entsteht dabei in fast allen Fällen die Mineralphase Cuspidin. Aufgrund seiner toxischen Wirkung soll Fluor in Zukunft in Gießschlacken ersetzt werden. Daher wurde das Kristallisationsverhalten einer Fluor-freien Gießschlacke, mit der internen Bezeichnung E-2017-005, im Rahmen dieser Arbeit mit der Single Hot Thermocouple Technique (SHTT), der Double Hot Thermocouple Technique (DHTT) und dem Auflicht- bzw. Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht. Das Ergebnis der SHTT-Versuche (900- 1200°C) ist ein Time-Temperature-Transformation-(TTT-) Diagramm, welches für die untersuchte Schlacke eine Kurve mit nur einer Nase bei ca. 970°C ergibt. Die Schlacke kristallisiert dabei für Temperaturen unter 1100°C innerhalb von maximal zehn Sekunden vollständig aus, was wesentlich schneller als bei üblich eingesetzten Gießschlacken ist. Als Hauptphase tritt im gesamten Bereich Na-Ca-Mg-Silikat auf, welches bei allen Temperaturen von Merwinit begleitet wird. Über 1070°C können die Nebenphasen Perovskit, Double-Perovskit und Akermanit beobachtet werden. Die Kristallgröße nimmt dabei mit steigender Temperatur zu. Als Hauptphase der DHTT-Proben tritt ebenfalls Na-Ca-Mg-Silikat auf, welches bei allen untersuchten Temperaturgradienten mit den Nebenphasen Perovskit, Double-Perovskit und Merwinit vorliegt. Bei beiden Untersuchungen (SHTT und DHTT) liegt das Na-Ca-Mg-Silikat sowohl flächig als auch dendritisch vor. Merwinit kommt überwiegend als nadeliger bis flächiger Kristall vor und Perovskit tritt fein verteilt in den Zwischenräumen auf. Double-Perovskit hingegen bildet einen Saum um Merwinit bzw. Na-Ca-Mg-Silikat. Nach der Bildung von zuerst Na-Ca-Mg-Silikat und anschließend Merwinit aus der Schmelze steigt der TiO2-Gehalt in dieser an und ein Double-Perovskit-Saum kann sich ausbilden. Perovskit bildet sich in jenen Bereichen, die an SiO2 verarmt sind. Die 1350/800°C-Unter- suchungen weisen im Vergleich zu den anderen DHTT-Versuchen eine Kristallwachstumsge- schwindigkeit, die tendenziell zwischen der von 1350/600°C und 1350/700°C liegt, und einen erhöhten kristallinen Anteil auf. Während die meisten Kristalle bei den anderen Untersuchungstemperaturen durch die Marangonikonvektion ans heiße Ende transportiert und dort aufgeschmolzen werden, lagern sie sich bei 1350/800°C im fortgeschrittenen Versuchsverlauf vermehrt an der von der kalten Seite ausgehenden Kristallisationsfront an. Dies kann auch bei 1350/700°C in abgeschwächter Form festgestellt werden. Der Großteil des Schlackenfilms weist bei diesen beiden Temperaturgradienten Bedingungen auf, die hinsichtlich Keimbildung und Kristallwachstum günstig sind. Weiters treten bei 1350/800°C die am größten ausgebildeten Kristalle bei den DHTT-Untersuchungen auf. Für den direkten Einsatz im Strangguss scheint die untersuchte Schlacke nur bedingt geeignet, weichen die Ergebnisse doch relativ stark von konventionell eingesetzten Schlacken ab. Durch eine Modifizierung des Alkalienanteils und des Titangehalts könnte unter Einhaltung der vorgegebenen Viskosität und Schmelztemperatur die Kristallisationsrate soweit gesenkt werden, dass diese im Bereich von F-haltigen Schlacken liegt. Die Ergebnisse und Erkenntnisse dieser Untersuchungen bilden eine gute Basis für die Weiterentwicklung von F-freien Gießschlacken und einen damit verbundenen emissionsärmeren Stranggussprozess.

KW - Mould flux

KW - Mould slag

KW - SHTT

KW - DHTT

KW - Continuous casting

KW - TTT

KW - Perovskite

KW - Double-Perovskite

KW - Double-Perovskite margin

KW - Crystal growth rate

KW - Gießpulver

KW - Gießschlacke

KW - Strangguss

KW - Kristallisationsverhalten

KW - DHTT

KW - SHTT

KW - Singel Hot Thermocouple Technique

KW - Double Hot Thermocouple Technique

KW - Perovskit

KW - Double-Perovskit

M3 - Masterarbeit

ER -