Nickeloxid in Gießpulvern und deren Schlacken ¿ Auswirkung auf Aufschmelz- und Kristallisationsverhalten

Gießpulver spielen beim Strangguss in der Stahlindustrie eine wesentliche Rolle. Sie werden in der Kokille auf das flüssige Stahlbad aufgegeben, schmelzen auf und bilden eine flüssige Schlackenschicht, die in den Spalt zwischen Strang und Kokillenwand eingezogen wird. Dabei erfüllen Gießpulver mehrere wichtige Funktionen. Sie verhindern die Oxidation des Stahls und reduzieren den Wärmeverlust an die Atmosphäre. Zusätzlich wirkt der flüssige Schlackenfilm schmierend zwischen Strang und Kokille, während die Schlacke aus dem Stahl aufsteigende Verunreinigungen aufnehmen kann. Der an der Kokillenwand erstarrte Schlackenfilm reguliert die Wärmeabfuhr, wobei insbesondere der kristalline Anteil und die Morphologie der gebildeten Kristalle von Bedeutung sind. Auch in der Stahlindustrie gewinnt Nachhaltigkeit zunehmend an Bedeutung. Künftig sollen Stähle verstärkt aus sekundären Rohstoffen wie Stahlschrott durch Einschmelzen in Elektrolichtbogenöfen hergestellt werden. Die Verwendung von Schrott bringt jedoch Herausforderungen mit sich. Unterschiedliche Schrottqualitäten führen zu erhöhten Kupfergehalten, welche Heißrissbildung beim Vergießen fördern. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, kann der Stahl mit Nickel legiert werden, was jedoch mit hohen Kosten verbunden ist. Daher soll eine Nickellegierung nur oberflächennah über die Gießschlacke während des Stranggusses erfolgen. In Voruntersuchungen wurden verschiedenen Gießpulvern unterschiedliche Mengen an Nickeloxid zugesetzt, um dessen Einfluss auf das Erstarrungsverhalten zu untersuchen. Simultanthermoanalysen zeigten, dass Nickeloxid abhängig von der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung auch das Aufschmelzverhalten der Gießpulver beeinflusst. Diese Masterarbeit beschäftigt sich daher mit dem Aufschmelzverhalten von zwei Gießpulversorten mit unterschiedlichen CaO/SiO¿-Verhältnissen. Die erste Probe weist ein Verhältnis von 0,7 auf, die zweite ein Verhältnis von 1,36. Zur Untersuchung wurden Proben nach Temperaturbehandlungen in einem auf definierte Temperaturen vorgeheizten Ofen mineralogisch charakterisiert. Die nach den Stufenglühungen erhaltenen Proben wurden mittels Auflichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Röntgendiffraktometrie (RDA) analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Nickeloxid nicht an Phasenreaktionen oder Phasenneubildungen beteiligt ist. Die einzige beobachtete Reaktion ist die Reduktion zu metallischem Nickel im Temperaturbereich von 900¿1100 °C durch die Oxidation des im Gießpulver enthaltenen Kohlenstoffs. Bei höheren Temperaturen sammelt sich das metallische Nickel in Form von Tropfen an Schmelzphasenbereiche an. Allgemein treten bei niedrigen Temperaturen nur wenige Reaktionen auf, während die meisten Reaktionen im mittleren Temperaturbereich von 700¿1000 °C stattfinden. Dazu zählt unter anderem die Entsäuerung der Karbonate. Einige größere Körner bleiben auch bei hohen Temperaturen als Residuen in der Schmelze erhalten. Dabei handelt es sich vor allem um Fluorit und Wollastonit sowie um entsäuerte Karbonate, die noch nicht vollständig in der Schlacke gelöst wurden. Eine der wichtigsten Reaktionen im mittleren Temperaturbereich ist die Bildung von Cuspidin. Dieses entsteht hauptsächlich durch die Reaktion von Wollastonit mit Fluorit, wobei auch die Diffusion von Na¿O in Wollastonit eine wichtige Rolle spielt. Dadurch bildet sich ein charakteristischer Drei-Zonen-Aufbau mit Wollastonit im Zentrum, umgeben von Natriumsilikat und Cuspidin an den Randbereichen. Cuspidin ist außerdem die einzige feste Phase, die neben metallischem Nickel bei hohen Temperaturen bestehen bleibt. Anschließend wurde der Einfluss von Nickel auf das Erstarrungsverhalten mittels der Single Hot Thermocouple Technique (SHTT) untersucht. Die hergestellten Proben wurden im Auflichtmikroskop und REM analysiert. Als Referenz dienten Standardgießpulver ohne Nickeloxidz