TY - THES

T1 - Untersuchung zur Klärung der Struktur von nichtmetallischen Einschlüssen im Stahl

AU - Theussl, Oliver

N1 - nicht gesperrt

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - Da die Anforderungen an Stahlproduzenten in Bezug auf den Reinheitsgrad steigen, war es Ziel dieser Arbeit ein tieferes Verständnis für diese nichtmetallischen Einschlüsse (NME) zu erarbeiten. Dabei sollte nicht nur die Phasenzusammensetzung, sondern auch deren Morphologie genauer begutachtet werden. Bei den zu untersuchenden Proben handelte es sich um polierte Stahlproben mit freigelegten Einschlüssen. Der Chemismus dieser Partikel befand sich entweder im System CaO-Al2O3-MgO oder im System CaO-Al2O3-MgO-SiO2, in Abhängigkeit der Stahlsorte in dem der Einschluss vorliegt. Weiters ist anzumerken, dass in manchen Einschlüssen auch Zirkonia vorhanden war. Zur Klärung der Morphologie der Einschlüsse und deren Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit wurden zwei unterschiedliche Herangehensweisen verfolgt. Einerseits wurden die erhaltenen Proben so präpariert, dass Versuche mit dem ¿high temperature laser scanning confocal microscope¿ (HT-LSCM) möglich waren. Dabei konnte die Probe so weit erhitzt werden, dass die vorliegenden Einschlüsse aufschmolzen und in weiterer Folge mit definierter Abkühlrate gekühlt wurden. Es wurden drei unterschiedliche Abkühlraten: 25, 250 und 1000°C/min gewählt. Mittels Mikroskop konnte das Schmelzen und Erstarren der Partikel in-situ verfolgt und beobachtet werden. Andererseits wurden mit Hilfe einer Simultanthermoanalyseapparatur (STA) Proben aus synthetischen Rohstoffen hergestellt, deren chemische Zusammensetzung jener der NME glichen. Diese Proben dienten einerseits zur Bestimmung der Transformationstemperatur der vorliegenden Mineralphasenübergänge, vor allem aber erfüllen sie den Zweck der Erzeugung ausreichend großer Proben mit einer Abkühlrate von 25°C/min. Zur Klärung der Phasenzusammensetzung der Einschlüsse vor und nach der Temperaturbehandlung, sowie der STA-Proben wurde ein Rasterelektronmikroskop mit zugehöriger energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) verwendet. Zur Analyse des eingestellten Gefüges nach dem HT-LSCM Versuches unterhalb der Oberfläche wurden die Proben geschliffen und poliert. An den STA-Proben wurde zusätzlich eie Rötgendiffraktionsanalyse (RDA) durchgeführt. Zur Identifikation der vorliegenden Phasen, insbesondere der fein verwachsenen Matrix, wurden die erhaltenen Ergebnisse der RDA und EDX-Analyse mittels thermochemischer Berechnungen evaluiert. Zur Validierung der identifizierten Phasen, wurden in weiterer Folge Phasendiagramme der vorliegenden Systeme verwendet. Als typische magnesiumhaltige Phase wurde der MA-Spinell (seltener reine Periklaskristalle) in den NME identifiziert. Für die Calciumaluminate ist CA die am häufigsten vorkommende Phase, währenddessen C12A7, C2AS und C3MA2 häufig als Zwickelphase auftreten. Im Falle eines Gehalts an Zirkonia, welches mit großer Wahrscheinlichkeit durch Erosion von feuerfesten Funktionalprodukten (Gießrohr und Schattenrohr) oder durch den Schiebersand in den Stahl gelangt, konnten die Phasen CaZrO3 und Ca13Zr2A12O35 festgestellt werden. Die Analyse der HT-LSCM zeigte, dass das Gefüge, erzeugt durch eine Abkühlgeschwindigkeit von 1000°C/min, amorph ausgebildet ist, während die Proben der Abkühlrate 25 und 250°C/min kristallin erstarten. Beim Vergleich der Gefüge der STA-Proben und der HT-LSCM Proben der gleichen Abkühlrate konnten Unterschiede festgestellt werden. Diese Unterschiede lassen sich auf eine Entmischung der teilweise flüssigen Probe durch Sedimentation bei kristallinen, magnesiumhaltigen Phasen während der Temperaturbehandlung im HT-LSCM zurückführen. Mit den Versuchen in der STA-Apparatur konnte die Phasenzusammensetzung und Morphologie der originalen Einschlüsse reproduziert werden. Des Weiteren wurde dabei dendritischer Periklas gebildet und die Ursache deren Entstehung auf die chemische Zusammensetzung der NME zurückgeführt werden.

AB - Da die Anforderungen an Stahlproduzenten in Bezug auf den Reinheitsgrad steigen, war es Ziel dieser Arbeit ein tieferes Verständnis für diese nichtmetallischen Einschlüsse (NME) zu erarbeiten. Dabei sollte nicht nur die Phasenzusammensetzung, sondern auch deren Morphologie genauer begutachtet werden. Bei den zu untersuchenden Proben handelte es sich um polierte Stahlproben mit freigelegten Einschlüssen. Der Chemismus dieser Partikel befand sich entweder im System CaO-Al2O3-MgO oder im System CaO-Al2O3-MgO-SiO2, in Abhängigkeit der Stahlsorte in dem der Einschluss vorliegt. Weiters ist anzumerken, dass in manchen Einschlüssen auch Zirkonia vorhanden war. Zur Klärung der Morphologie der Einschlüsse und deren Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit wurden zwei unterschiedliche Herangehensweisen verfolgt. Einerseits wurden die erhaltenen Proben so präpariert, dass Versuche mit dem ¿high temperature laser scanning confocal microscope¿ (HT-LSCM) möglich waren. Dabei konnte die Probe so weit erhitzt werden, dass die vorliegenden Einschlüsse aufschmolzen und in weiterer Folge mit definierter Abkühlrate gekühlt wurden. Es wurden drei unterschiedliche Abkühlraten: 25, 250 und 1000°C/min gewählt. Mittels Mikroskop konnte das Schmelzen und Erstarren der Partikel in-situ verfolgt und beobachtet werden. Andererseits wurden mit Hilfe einer Simultanthermoanalyseapparatur (STA) Proben aus synthetischen Rohstoffen hergestellt, deren chemische Zusammensetzung jener der NME glichen. Diese Proben dienten einerseits zur Bestimmung der Transformationstemperatur der vorliegenden Mineralphasenübergänge, vor allem aber erfüllen sie den Zweck der Erzeugung ausreichend großer Proben mit einer Abkühlrate von 25°C/min. Zur Klärung der Phasenzusammensetzung der Einschlüsse vor und nach der Temperaturbehandlung, sowie der STA-Proben wurde ein Rasterelektronmikroskop mit zugehöriger energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) verwendet. Zur Analyse des eingestellten Gefüges nach dem HT-LSCM Versuches unterhalb der Oberfläche wurden die Proben geschliffen und poliert. An den STA-Proben wurde zusätzlich eie Rötgendiffraktionsanalyse (RDA) durchgeführt. Zur Identifikation der vorliegenden Phasen, insbesondere der fein verwachsenen Matrix, wurden die erhaltenen Ergebnisse der RDA und EDX-Analyse mittels thermochemischer Berechnungen evaluiert. Zur Validierung der identifizierten Phasen, wurden in weiterer Folge Phasendiagramme der vorliegenden Systeme verwendet. Als typische magnesiumhaltige Phase wurde der MA-Spinell (seltener reine Periklaskristalle) in den NME identifiziert. Für die Calciumaluminate ist CA die am häufigsten vorkommende Phase, währenddessen C12A7, C2AS und C3MA2 häufig als Zwickelphase auftreten. Im Falle eines Gehalts an Zirkonia, welches mit großer Wahrscheinlichkeit durch Erosion von feuerfesten Funktionalprodukten (Gießrohr und Schattenrohr) oder durch den Schiebersand in den Stahl gelangt, konnten die Phasen CaZrO3 und Ca13Zr2A12O35 festgestellt werden. Die Analyse der HT-LSCM zeigte, dass das Gefüge, erzeugt durch eine Abkühlgeschwindigkeit von 1000°C/min, amorph ausgebildet ist, während die Proben der Abkühlrate 25 und 250°C/min kristallin erstarten. Beim Vergleich der Gefüge der STA-Proben und der HT-LSCM Proben der gleichen Abkühlrate konnten Unterschiede festgestellt werden. Diese Unterschiede lassen sich auf eine Entmischung der teilweise flüssigen Probe durch Sedimentation bei kristallinen, magnesiumhaltigen Phasen während der Temperaturbehandlung im HT-LSCM zurückführen. Mit den Versuchen in der STA-Apparatur konnte die Phasenzusammensetzung und Morphologie der originalen Einschlüsse reproduziert werden. Des Weiteren wurde dabei dendritischer Periklas gebildet und die Ursache deren Entstehung auf die chemische Zusammensetzung der NME zurückgeführt werden.

KW - NMI

KW - morphology

KW - steel

KW - non metallic inclusions

KW - NME

KW - NMI

KW - nichtmetallische Einschlüsse

KW - Morphologie

M3 - Masterarbeit

ER -