Vergleich experimenteller Ergebnisse und theoretischer Ansätze zur Verdampfung von Begleitelementen aus Stahlschmelzen

Auswertung von Schmelzversuchen im Vakuuminduktionsofen zur Verdampfung der Begleitelemente Kupfer, Mangan und Chrom aus Schmelzen des Stahles X 5 CrNi 18 9 bei Temperaturen von 1550 bis 1650 °C, Drücken von 10^?4 bis 50 Torr und Schmelzgewichten von 5 und 25 kg. Beschreibung des Verdampfungsvorganges anhand eines Teilschrittmodells, das Ansätze für die Diffusion durch die Grenzschicht in der Schmelze an die freie Oberfläche, die Verdampfung an der freien Oberfläche und die Diffusion durch die Gasgrenzschicht über der Schmelze vorsieht.     

Neuere Untersuchungen über das Aluminium-Sauerstoff-Gleichgewicht in Eisenschmelzen

Laboratoriumsuntersuchungen zur Ermittlung des Gleichgewichtes für die Desoxydation von sauerstoffhaltigen Eisenschmelzen mit Aluminium unter Anwendung einer Kalk-Tonerde-Schlacke zur Raffination der Schmelze und bei Spülen der Schmelze mit hochreinem Argon. Erörterung der Einflüsse von nicht abgeschiedenen feinen Oxidsuspensionen und von metastabilen Übersättigungserscheinungen auf die in früheren Arbeiten gefundenen Abweichungen der Versuchswerte von thermodynamisch berechneten Gleichgewichtswerten. Bestimmung der Wirkungsparameter e₀^Al für die Wirkung von Aluminium auf Sauerstoff bei 1600, 1650 und 1700 °C und Berechnung der Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten für die Reaktion zwischen Aluminium und Sauerstoff im flüssigen Eisen. Ermittlung der Wirkung von Mangan und Silicium auf die Gleichgewichtslage der Desoxydationsreaktion mit Aluminium. Aus Abschätzungen der Einschlußgrößen und der Wachstumszeiten durch Diffusion sowie aus elektronenmikroskopischen Untersuchungen der Oxidsuspensionen Folgerungen über in der Schmelze verbleibende Oxidpartikel als Grund für Abweichungen vom berechneten Gleichgewicht. Anhang mit der Berechnung der freien Grenzflächenenergien für die Tonerdeabscheidung unter neutraler Gasatmosphäre sowie unter Kalk-Tonerde-Schlacken.     

Elektrolytische Desoxidation von Eisenschmelzen

Übersichtsbericht zur elektrolytischen Desoxidation von Eisenschmelzen mit Hilfe von Festelektrolytzellen aus dotiertem ZrO₂ oder ThO₂. Laborversuche zur elektrolytischen Desoxidation von Eisenschmelzen bei Gehalten an gelöstem Sauerstoff zwischen 0,050 und 0,00002%. Einfluß der Stromstärke, des Rührens der Schmelze, der Reoxidation der Schmelze über die Gasphase und die Auflösung feuerfester Oxide sowie der Elektronenteilleitfähigkeit der Festelektrolyte auf die Desoxidationsgeschwindigkeit und die erzielbaren Endsauerstoffgehalte der Eisenschmelzen.     

Vorstellungen über Entstehung,Wachstum und Abscheidung von Desoxidationsprodukten in Stahlschmelzen

Erörterungen zur homogenen Keimbildung und zur Berechnung der kritischen Übersättigung bei der Desoxidation von Eisenschmelzen mit Mangan. Behandlung des Wachstums der Desoxidationsprodukte durch Diffusion und Kollision. Aussagen über die zeitliche Verteilung der Desoxidationsprodukte unter Berücksichtigung von Stokes- und Gradient-Kollision. Angaben über die Bedeutung der Grenzflächenspannung zwischen Schmelze und Einschluß für die Abscheidung der Desoxidationsprodukte.     

Die Verdampfung des Eisens und seiner Begleitelemente Kupfer und Mangan beim Schwebeschmelzen unter vermindertem Druck

Beschreibung einer Schwebeschmelzanlage für das tiegelfreie Schmelzen von Metallen unter kontrollierter Gasatmosphäre. Untersuchung der Verdampfung des Eisens und der Begleitelemente Kupfer und Mangan aus Proben des Stahles X 5 CrNi 18 9 in eine Argonatmosphäre bei Drücken zwischen 760 und 5 · 10^?2 Torr und Schmelztemperaturen zwischen 1760 und 1930 °C. Deutung der Versuchsergebnisse anhand eines Ansatzes von E. T. Turkdogan für die Diffusion von Metalldampf durch eine laminare Strömungsgrenzschicht. Vergleich der Ergebnisse für die Verdampfung unter vermindertem Druck in der Schwebeschmelzanlage und im Vakuuminduktionsofen und Schlußfolgerungen für die Einstellung optimaler Bedingungen zur Entfernung von Kupfer aus Stahlschmelzen.     

Einfluß von Temperatur und Haltedauer beim Spannungsarmglühen auf den Abbau innerer Spannungen und die mechanisch-technologischen Eigenschaften von Stahl 22 NiMoCr 3 7

An einer Bramme aus einer Schmelze des Stahles 22 NiMoCr 3 7 mit rd. 0,2% C, 0,6% Mn, 0,45% Cr, 0,6% Mo und 0,95% Ni Durchführung von Untersuchungen über den Einfluß der Temperatur und der Haltedauer beim Spannungsarmglühen auf die mechanischen Eigenschaften und den Abbau von inneren Spannungen durch Ermittlung der Kennwerte im Zugversuch bei 20 und 350 °C, der Übergangstemperatur im Kerbschlagbiegeversuch für Kerbschlagzähigkeiten von 27 J und 41 J und 50% Anteil an kristallinem Bruchgefüge sowie der Übergangstemperatur im Fallgewichtsversuch (NDT-Temperatur) an bei Temperaturen im Bereich von 450 bis 730 °C jeweils bis zu 100 h geglühten, der Bramme in Querrichtung entnommenen Proben. Härtemessungen in der Wärmeeinflußzone von IIW-Aufschweißproben nach entsprechenden Glühungen. Zeitstand-Zugversuche bei Temperaturen von 450 bis 730 °C mit unterschiedlicher Beanspruchungshöhe und -dauer bis zum Erreichen einer bleibenden Dehnung von wenigstens 0,2%. Erörterung der Ergebnisse mit Folgerungen, besonders für den durch die Verringerung der Härte und die Parameter im Zeitstandversuch mittelbar gekennzeichneten Abbau von inneren Spannungen sowie (hieraus resultierend) für eine vereinfachte Glühbehandlung von Schweißverbindungen.     

Untersuchungen über den Einfluβ einer elektrischen Anregung der Gasphase auf die Stickstofflöslichkeit in flüssigem Eisen bei 1600°C

Untersuchung der Änderung der Stickstofflöslichkeit in flüssigem Eisen durch elektrische Anregung der Gasphase bei 1600°C und Stickstoffdrücken von 5 bis 100 Torr. Einfluβ von elektrischer Leistung und Sauerstoffgehalt der Schmelze auf die Stickstoffendgehalte. Reaktionsschemen für die Stickstofflöslichkeit.     

Calciumzirkonat als Festelektrolyt bei Temperaturen um 1600 °C

Messungen der elektrischen Leitfähigkeit von Calciumzirkonat bei Stoffmengengehalten an CaO zwischen 40 und 55%, Temperaturen zwischen 1200 und 1600 °C und Sauerstoffpartialdrücken der Gasphase zwischen 0,2 und 10^?16 atm. Ermittlung einer überwiegenden lonenleitfähigkeit in Calciumzirkonat mit ZrO₂- oder CaO-Überschuß durch EMK-Messungen an Sauerstoffkonzentrationszellen. Nachweis einer im Vergleich zu stabilisiertem Zirkonoxid erheblich geringeren Sauerstoffpermeabilität, die das Calciumzirkonat als Festelektrolyt in Zellen zur korrekturfreien Messung kleinster Sauerstoffaktivitäten in Metallschmelzen besonders geeignet erscheinen läßt.     

Einfluß von Schwefel und Mangan sowie der Abkühlbedingungen auf die Gefügestruktur und die Zähigkeitseigenschaften von Baustählen nach der Erstarrung aus der Schmelze

Einfluß der Mangan- und Schwefelgehalte auf die Zugfestigkeit, Brucheinschnürung sowie die Gefügestruktur von Baustählen mit 0,1 und 0,2 % C im Temperaturbereich von Liquidustemperatur bis 900 °C. Einfluß der Abkühlbedingungen aus der Schmelze auf die Kenngrößen zur Beurteilung der Innenrißanfälligkeit beim Stranggießen.     

Untersuchung der ausscheidungsinduzierten magnetischen Nachwirkung in Fe-N-Legierungen mit verschiedenen Ausscheidungsstrukturen

Es wurde eine Fe-80 Gew.ppm-N-Legierung nach verschiedenen Anlaßbehandlungen mit Hilfe der magnetischen Nachwirkung untersucht, um den Effekt der Ausscheidungsstruktur auf die schon früher gefundenen Relaxationsprozesse⁶) ^{bis 8}) zu bestimmen. Es wurden zwei Prozesse gefunden: I. Diffusion im Spannungsfeld der Ausscheidung mit den mittleren Aktivierungsparametern Die Atome im Spannungsfeld erreichen ihre Gleichgewichtslage durch weitreichende Diffusion. Da dieser Effekt – ähnlich der hydrostatischen Relaxation bei Koiwa²⁶) – nur bei bestimmten geometrischen Konfigurationen der Blochwände und der spontanen Magnetisierung stattfindet und außerdem die Diffusion durch Versetzungen behindert werden kann, verschwindet diese Relaxation bei zunehmender Ausscheidungsgröße. Sie geht dann über in einen zweiten Reorientierungsprozeß, der im Spannungsfeld abläuft. Dieser hat wegen der Wechselwirkung mit den Versetzungen eine im Vergleich zur Richter-Nachwirkung erhöhte Aktivierungsenergie (1,10 eV). Für die Bindungsenergie der Stickstoffatome an die Oberfläche der Ausscheidungen findet man Werte im Bereich 0,3 … 0,5 eV, wobei die Stärke der Bindung mit wachsender Ausscheidungsgröße zunimmt. Dies weist darauf hin, daß die Versetzungen die Ausscheidungsoberfläche stabilisieren. II. Reorientierung der Stickstoffatome in der Randzone der Ausscheidung mit den mittleren Aktivierungsparametern Die Aktivierungsparameter werden von der Ausscheidungsstruktur kaum beeinflußt, ihre Verteilungen werden jedoch bei stabilisierten Ausscheidungen schärfer.     

Zur Kinetik der Cr23C6-Ausscheidung in rostfreiem Stahl mit 18% Cr und 8% Ni

Die vorliegende Arbeit stellt eine neue Hypothese zur Karbidausscheidung in rostfreien, austenitischen Stählen auf. Diese Karbidbildung verursacht die Anfälligkeit für interkristalline Korrosion. Im Gegensatz zu der verbreiteten Vorstellung, daß die Chromdiffusion der bestimmende Vorgang für die Kinetik ist, wird hier von der Annahme ausgegangen, daß es die Kohlenstoffdiffusion sei. Da die Chromatome substitutionell eingelagert sind, läuft die Chromdiffusion sehr langsam ab; die Diffusion der interstitiell eingelagerten Kohlenstoffatome erfolgt über die Gitterlücken und ist damit um 5 Größenordnungen schneller. Die Hypothese wird gestützt durch die Tatsachen, daß die Kohlenstoffkonzentration in der Legierung viel kleiner als die des Chroms ist, daß die Diffusionswege für Kohlenstoff viel größer sind, der Kohlenstoffübersättigungsgrad jedoch viel kleiner ist und schließlich, daß die Chromdiffusion entlang der Korngrenzen abläuft, wo sie 10⁶ mal schneller abläuft als im Korninneren. Ein Stahl mit 0,08% C wird unterschiedlich lang bei 3 Sensibilisierungstemperaturen angelassen. Der bei der Temperatur flüssiger Luft gemessene elektrische Widerstand der Proben ist – nach einer Oxalsäure-Behandlung – ein Maß für die ausgeschiedene Karbidmenge. Unter Voraussetzung des bekannten Mechanismus’ der Zementitbildung erhält man theoretische Vorstellungen, die auch bei der Chromkarbidbildung Voraussagen ermöglichen, die sich in guter Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Daten befinden.     

Stoffaustausch zwischen flüssigem Eisen und Schlacke beim Sprühraffinationsverfahren

Erläuterung des Sprühraffinationsverfahrens, bei dem eine Schmelze mit inertem Gas verdüst wird und die entstehenden Metalltropfen durch eine Raffinationsschlacke fallen. Erörterung der Gesetzmäßigkeiten für die Stoffaustauschvorgänge zwischen Metalltropfen und Schlacke. Bestimmung der mittleren Tropfengröße beim Versprühen von kohlenstoffgesättigtem Roheisen. Untersuchung der Wirkung der Sprühraffination am Beispiel der Entschwefelung des Roheisens mit Schlacken des Systems CaO–CaF₂–Al₂O₃ bei 1600 °C. Ermittlung des Stoffübergangskoeffizienten des Schwefels für den umgekehrt transitorischen Phasenkontakt und Vergleich mit Werten bei anderen Techniken des Phasenkontaktes Metall-Schlacke.     

Spülentgasung von Stahlschmelzen mit Kohlenmonoxid oder Argon

Vergleich der Spülentgasung durch eine Kohlenmonoxid- oder Argonblase bei unterschiedlichen Übersättigungsverhältnissen zur Festlegung günstiger Verfahrensbedingungen an Hand von Rechnungen mit einem bereits früher abgeleiteten mathematischen Modell für den Stoffaustausch zwischen aufsteigenden Gasblasen und flüssigem Stahl. Ergebnisse zur Spülwirkung für eine Anfangsblasengröße von 10^–7 mol, eine Badhöhe von 50 cm, eine Badtemperatur von 1600 °C, einen Außendruck von 0,987 atm und eine Zusammensetzung der Schmelze mit 0,20% C, 0,015% S, 0,0010% N und 0,0006% H bei Sauerstoffgehalten zwischen 0,0066 und 0,0320%. Erörterung des Mechanismus für das Verschwinden und Wachsen von Kohlenmonoxidblasen.     

Kriechrißverhalten typischer Kraftwerksbaustähle

Zur Auslegung und Überwachung von Hochtemperaturbauteilen für Kraftwerke und thermische Anlagen werden Kenntnisse über das Kriechrißverhalten unter langzeitiger Beanspruchung benötigt. Auf der Basis von Kriechrißversuchen sind für wichtige Kraftwerksbaustähle geometrie- und beanspruchungsunabhängige Beschreibungen zur Kriechrißeinleitung und zum Kriechrißfortschritt zu gewinnen. An vier Kraftwerksbaustählen wurden mit Proben unterschiedlicher Form und Größe Kriechrißversuche in einem weiten Beanspruchungsbereich durchgeführt. Dabei wurden Kriechrißgeschwindigkeiten bis herab zu 5 · 10^?5 mm/h bei Versuchsdauern bis zu 14 000 h erreicht. Die Kriechrißgeschwindigkeit der bei 550°C untersuchten Stähle 30 CrMoNiV 4 11, X 22 CrMoV 12 1 und X 20 CrMoV 12 1 läßt sich mit dem Parameter C₂^* in deutlich engeren Streubändern beschreiben als mit den Parametern C₁^* und K_l. Nur für den bei 450°C untersuchten Stahl X 12 CrNiMo 12 2 eignet sich der Parameter K_l besser zur Beschreibung der Kriechrißgeschwindigkeit. Die Kriechrißeinleitung läßt sich mit einem Zwei-Kriterien-Diagramm abschätzen, das für größere Proben und damit vermutlich auch für größere Bauteile eher überkonservativ ist.     

Einfluß der Wärmebehandlung auf die Zeitstandfestigkeit eines Molybdän-Vanadin-Stahles

Zeitstandversuche bei 575°C an einem Stahl mit 0,16% C, 0,82% Mo und 0,27% V mit unterschiedlicher Wärmebehandlung und Werten der Zugfestigkeit bei Raumtemperatur von 750 bis 970 N/mm². Einfluß der Zähigkeitswerte auf die Kriechkurven, die Dehngrenzen und Zeitstandfestigkeiten für 10³ und 10⁴ h.     

Metallurgische Wirkungsweise,zweckmäßige Frequenz und Polpaarzahl der azimutalen Rührer im Kokillenbereich

Von einem Überblick über die metallurgische Wirkungsweise ausgehend, werden für verschiedene Frequenzen und Polpaarzahlen die beim elektromagnetischen Rühren mit Drehfeldern in der Schmelze induzierten Kraftdichten und Verlustleistungen unter Einbeziehung der Abschirmwirkung der Kokille und der Rückwirkung der rotierenden leitenden Schmelze berechnet. Über 90% der vom Rührmotor aufgebrachten Leistung werden in der Kokille in Wärme umgewandelt. Bei gleichem Strombelag weist die Kraftdichte als Funktion der Frequenz ein Maximum auf. Doch ändert sich in diesem Frequenzbereich die Kraftdichte deutlich mit der Rotation der Schmelze. Die zweckmäßige Wahl von Frequenz und Polpaarzahl wird erörtert.     

Wärmeübertragung bei der Stranggußkühlung durch Spritzwasser

Bei der Stranggußkühlung sind Kenntnisse über den Wärmeübergangskoeffizienten für eine anlagentechnische Auslegung wichtig. Es wird gezeigt, daß bei der Spritzwasserkühlung der Wärmeübergangskoeffizient α_ges im industriell genutzten Parameterbereich nur von der Wasserbeaufschlagungsdichte ?_s^* und von der Spritzwassertemperatur ?_W abhängig ist, d. h. α_ges = f (?_s^*, ?_W). Dieser Zusammenhang gilt auch für die zweiphasige Wasser-Luft-Kühlung.     

Über den Einfluß von Wärme- und Stoffübergang bei heterogenen Reaktionen zwischen Gasen und dichten Festkörpern

Allgemeine Betrachtung über heterogene Reaktionen zwischen Gasen und Feststoffen und Erörterung der maßgebenden Gleichungen für den Abbau von festen Ausgangsstoffen: Darstellung der Bedeutung von Stoffübergang, Porendiffusion, chemischer Kinetik, Wärmeübergang und Wärmeleitung für den Reaktionsablauf. Definition einer neuen Beziehung für die Reaktionsgeschwindigkeit für geringe Gleichgewichtsabweichungen in der Gasphase zur Beschreibung des Einflusses der einzelnen Teilschritte. Als Beispiel Darstellung des Einflusses von Wärme- und Stoffübergang auf den Reaktionsablauf.     

Die Einflüsse der Schmelzenzusammensetzungen,der Temperaturgradienten an der Erstarrungsfront und der Erstarrungsgeschwindigkeit auf die Stabilität der ebenen Phasengrenze gerichtet erstarrender Legierungen

Erörterung der im Schrifttum aufgeführten Stabilitätskriterien für eine ebene Phasengrenze bei einer gerichteten Erstarrung von Metallschmelzen. Metallographische Untersuchung über den Einfluß der Erstarrungsgeschwindigkeit und des Temperaturgradienten in der Schmelze auf die Morphologie der Erstarrungsfront bei Kristallziehversuchen nach dem Czochralski-Verfahren und bei der Kristallisation von Schmelzen nach dem Bridgeman-Verfahren an Kupfer-Mangan-Nickel-Legierungen. Aussagen über die Stabilitätsbedingungen einer ebenen Phasengrenze bei Vorliegen kleiner und sehr großer Temperaturgradienten an der Erstarrungsfront.     

Diffusion von Silizium in schmelzflüssigen Kalk-Kieselsäure-Tonerde-Schlacken

Ermittlung der Diffusionskoeffizienten von Silizium in flüssigen Schlacken in Abhängigkeit vom Kalk-Kieselsäure-Verhältnis und vom Tonerdegehalt für 15 bis 60% SiO₂ und 15 bis 40% Al₂O₃ in der Schlacke und Temperaturen von 1500 bis 1600°C. Aus der Aktivierungsenergie der Diffusion Rückschlüsse auf den Aufbau der Schlacken und auf den Diffusionsmechanismus. Aussagen zum Einfluβ von Kalk und Tonerde auf die Beständigkeit des Kieselsäuregitters. Vergleich der Diffusionskoeffizienten von Silizium und Kalzium in der flüssigen Schlacke.