Behandlung der Einschmelzproblematik von hochmanganhaltigen Stählen bei erhöhtem Aluminiumgehalt

Peymandar, Mohammad; Senk, Dieter Georg (Thesis advisor); Bannenberg, Norbert (Thesis advisor); Friedrich, Karl Bernhard (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Kurzfassung

Mit fortschreitender Technologie bezüglich der Notwendigkeit für sichere und leichtere Werkstoffe für den Automobilbau wurden in den letzten Jahrzenten neue Stahlsorten, unter anderem hochmanganhaltige Stähle, entwickelt. Diese Stahlsorten finden Anwendungen in der Automobilindustrie aufgrund der dadurch gewonnenen Gewichtsersparnis, guter Verformbarkeit und hoher Festigkeit. Der SFB 761 "Stahl - ab initio" setzt sich mit dem Werkstoffsystem Fe-Mn-C(-Al) auseinander. Ein damit einhergehender Aspekt ist die Herstellung und Rückführung dieser Werkstoffe.Die Herstellung hochmanganhaltiger Stähle geschieht in unterschiedlichen Öfen je nach Verfahrensroute und anschließenden sekundärmetallurgischen Behandlungen. Das Recycling hochmanganhaltiger Stähle führt bei Schrottaufbereitungen sowie beim Erschmelzen zu Schwierigkeiten. Beim Schreddern werden die Komponenten aus HMnS nicht zerkleinert, jedoch verformt. Beim Einschmelzen führen der Mangandampfdruck und die [Mn]-Affinität zu Sauerstoff zu [Mn]-Verlust aus der Schmelze, der zu vermeiden ist. In der vorliegenden Arbeit wurde der Recyclingprozess hochmangan-haltiger Stähle und damit verbundenen metallurgischen Konzepte durch die Labor-experimente am IEHK untersucht. Im Fokus stehen [Mn]-Verlust durch Mangan-oxidation und Manganverdampfung, Manganphasenverteilung beim Erschmelzen von HMn(Al)S, Reaktionen sowie [Al]- und [Si]-Stoffübergänge an der Schmelze/Schlacke-Grenzfläche und damit verbundenen Mechanismen an der Phasengrenze, Schäumfähigkeit und Schaumbildungsindex der hoch (MnO)-haltigen Schlacken.Der Manganverlust kann bei hoher Schlackenbasizität, niedriger Schmelztemperatur und geringem atmosphärischen Druck verringert werden. Dies hat eine kleinere Manganphasenverteilung (LMn) zur Folge. Steigen der [Mn]- und [Al]-Gehalt in der Schmelze an, wird der Manganverlust zum großen Teil durch Manganverdampfung verursacht. Im Gegenzug erfolgt es bei niedrigen [Mn]- und [Al]-Gehalten hauptsächlich durch Manganoxidation in der Schlacke. Geringer [Al]-Gehalt steht aber im Widerspruch zu Reduzierung der [Al]-Übergangskoeffizienten (β[Al]). Bei konstantem [Mn]-Gehalt der Schmelze nimmt β[Al] mit steigendem [Al] ab. Hierzu verringert β[Al] mit zunehmender Schlackenbasizität aufgrund niedriger [Mn]-Verschlackung und dadurch geringer Anzahl der O2--Ionen in der Schlacke.Es gibt zwei Mechanismen an der Grenzfläche der HMnAl-Schmelze und der Schlacke, die β[Al] sowie β[Si] an der Phasengrenze steuern: Viskosität und Oberflächenspannung der Schlacke. Die Entstehung der festen kristallinen Phasen unter anderem Al-Spinell in der Form (Mg, Mn)Al2O4 spielen bedeutende Rolle in dem Fall. Erhöht sich der [Al]-Gehalt, nimmt die Anzahl dieser Ausscheidungen in der Schlacke zu. Bei großer Anzahl der festen Phasen an der Grenze wird die Schlackenbasizität als der Einflussfaktor auf β[Al] und β[Si] betrachtet. Im Gegenzug nimmt die Anzahl der festen Phasen aufgrund der hohen Schlackenbasizität ab, führt zu erhöhten Grenzflächenspannung, dementsprechend einer schlechteren Durchmischung der Schlacke und der Schmelze an der Grenze, und somit nimmt β[Al] ab.Die Kenntnisse der Schmelztemperatur (Tliq. sl) und der Phasengleichgewicht der Schlacke dienen vor allem zur Berechnung der scheinbaren Viskosität und zu einem idealen Schaumbildungsindex. Es sollte eine hohe Temperatur zur Stabilisierung des Schlackenschaums der hoch (MnO)-haltigen Schlacke vermieden werden. Hohe Schlackenbasizität sowie (MnO)-Konzentration der Schlacke führen zu schlechter Schaumentwicklung. Es ist zu betonen, dass der Schaumbildungsindex der Schlacke bei der Herstellung von HMnS höher ist als der bei der Kohlenstoffstahlherstellung. Das schlechte Schäumvermögen beim Einschmelzen von HMnS liegt an der sehr niedrigen Reduktionsrate des (MnO) durch Kohlenstoff verglichen mit (FeO) durch Kohlenstoff bei der Kohlenstoffstahl-herstellung. Als Alternative zur {CO}-Gasbildung kann die Schlacke durch {Ar}-Einblasen aufgeschäumt werden. Hierzu ist kein großer Einfluss von (MnO)-Gehalt der Schlacke auf die Schäumfähigkeit festzustellen. Es ist jedoch zu beachten, dass {Ar}-Einblasen in die Schlacke zu höherer Badbewegung führt. Das entspricht dem größeren Manganverlust.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Metallurgie von Eisen und Stahl [522310]
  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]

Identifikationsnummern