Gattierungsberechnung

Metallurgy
Berechnung der Gattierungsmengen (metallischer Einsatz) unter Berücksichtigung metallurgischer Vorgänge, insbesondere für Eisengusswerkstoffe. Die Berechnungsgrundlagen sind vergleichbar mit der Chargenberechnung für Metallegierungen.

Für ein Gusseisen bestimmter Endzusammensetzung werden die einzelnen metallischen Gattierungsbestandteile nach Maßgabe der jeweils verfügbaren Rohstoffe (Roheisen, Gussbruch, Stahlschrott und Kreislaufeisen) möglichst so zusammengestellt, dass keine oder nur geringe Korrekturzusätze erforderlich sind. Analysenschwankungen der Einsatzmaterialien aus Recyclingprozessen müssen für eine enge Analysenführung ausgeglichen werden. Die erforderliche Eisenzusammensetzung (Sollanalyse) lässt sich auf Grund der Gussstückanforderungen ableiten und bildet die Basis der Berechnung.

Bei der Gattierungsberechnung wird zunächst vom Schwefel- beziehungsweise Kohlenstoffgehalt ausgegangen, wobei für das Mengenverhältnis von Roheisen zu Gussbruch und Kreislaufeisen gewisse Grenzen je nach Art des benutzten Schmelzaggregates gesetzt sind. Maßgebend ist aber in der Regel die Höhe des vom Roheisen und Gussbruch eingebrachten Schwefels. Damit lässt sich bereits eine engere Wahl der erforderlichen Roheisensorten und Mengenanteile treffen und somit auch der Kohlenstoffgehalt in der Endzusammensetzung berechnen. Aus den Prozentanteilen der zugrunde gelegten Gattierungsbestandteile können dann die resultierenden Silizium-, Mangan-, Phosphor- und Schwefelgehalte berechnet werden.

Bei Kupolofengattierungen ist außerdem der Abbrand an Silizium und Mangan mit durchschnittlich 10 bis 20 % zu berücksichtigen. Zu empfehlen ist aber, die tatsächlichen Abbrandsätze für einen gegebenen Kupolofen an Hand der Betriebsunterlagen in Abhängigkeit vom Silizium- und Mangangehalt zu bestimmen und diese Werte bei der Gattierungsberechnung zu benutzen.

Ein Beispiel zur Gattierungsberechnung zeigt die Tabelle. In der Kopfleiste ist die gewünschte Endzusammensetzung angegeben. Die verfügbaren Gattierungsbestandteile und ihre Zusammensetzung sind im linken Teil der Tabelle zusammengefasst. Der Anteil des Kreislaufeisens wird in der Regel von vornherein festgelegt und zweckmäßigerweise so bemessen, dass er ungefähr der bei der betreffenden Gussfertigung anfallenden Menge an Kreislaufeisen entspricht. Im vorliegenden Beispiel wird dieser fertigungsbedingte Anteil mit 30 % zugrunde gelegt, die Summe aller übrigen Gattierungsbestandteile beträgt dann 70 %.

Der nächste Schritt besteht in der Berechnung des Gussbruchanteiles, und zwar nach Maßgabe der Schwefelgehalte, die von allen Gattierungsbestandteilen in das flüssige Eisen eingebracht werden. Setzt man den Gussbruchanteil = G, den Kreislaufanteil = K und die Summe aus Roheisen- und Schrottanteil = E, so gilt:

G + K + E = 100 %



Da K = 30 % bereits festgelegt ist, folgt daraus:

G + 30 + E = 100 %



und

E = 70 – G



Unter der Annahme, dass mit 13 % Satzkoks geschmolzen wird, findet eine Aufschwefelung von

13 · 0,003 = 0,039 % statt (es wird hier mit 0,003 % Schwefel je % Satzkoks gerechnet). Wenn der geforderte höchstzulässige Schwefelgehalt von 0,1 % im flüssigen Eisen nicht überschritten werden soll, dürfen folglich durch die Gattierungsbestandteile maximal nur 0, 1–0,039 = 0,061 % Schwefel eingebracht werden. Außerdem wird zunächst ein mittlerer Schwefelgehalt für die unter „E“ zusammengefassten Zusatzstoffe (Roheisen + Stahlschrott) zugrunde gelegt; im vorliegenden Beispiel betragen die Schwefelgehalte des Gießereiroheisens, des Hämatits und des Stahlschrotts 0,020 + 0,016 + 0,030, so dass sich daraus ein mittlerer Schwefelgehalt von 0,022 % ergibt. Hiermit kann nun der Gussbruchanteil G, bezogen auf den Schwefelgehalt, nach der genannten Gleichung berechnet werden:
<IMAGENAME href="file:///Users/karenweirich/Documents/Weirichdaten/15_Buecher/916_GIESSEREI-LEXIKON_2018/04_Umbruch_GL_2018/03_Kapitel/02_Bilder/Formeln/Gattierungsberechnung_form1.eps" ac_imagehref="file://s:\Satz\Images\Formeln\Gattierungsberechnung_form1.eps" ac_groupseparator="/"/>Somit ist der Gussbruchanteil 23 % und die Summe der Stahlschrott- und Roheisenanteile E = 70 – 23 = 47 %. Als nächster Schritt erfolgt die Aufteilung zwischen Roheisen und Stahlschrott. Setzt man die Summe beider Roheisenanteile = R und den Stahlschrottanteil = S, so ergibt sich folgende Bedingung:

R + S = 47 %



S = 47 – R



Die Gesamtgattierung setzt sich somit wie folgt zusammen:

G + K + R + S = 100 %



wobei S = 47 – R ist. Die Werte für G = 23 % und K = 30 % liegen bereits fest. Für die unter „R“ zusammengefassten Roheisensorten wird ein mittlerer Siliziumgehalt berechnet, der im vorliegenden Fall 2,4 % ist. Außerdem ist der Siliziumabbrand beim Schmelzen zu berücksichtigen, der hier mit 10 % angenommen wird. Bei einem Sollgehalt von 2,0 % Si im flüssigen Eisen ist folglich ein Si-Gehalt von 2,22 % in der Gattierung einzustellen. Damit kann nun der Roheisenanteil nach der vorgenannten Gleichung, bezogen auf den Siliziumgehalt, berechnet werden:
<IMAGENAME href="file:///Users/karenweirich/Documents/Weirichdaten/15_Buecher/916_GIESSEREI-LEXIKON_2018/04_Umbruch_GL_2018/03_Kapitel/02_Bilder/Formeln/Gattierungsberechnung_form2.eps" ac_imagehref="file://s:\Satz\Images\Formeln\Gattierungsberechnung_form2.eps" ac_groupseparator="/"/>Daraus ergibt sich ein Stahlschrottanteil E = 47 – 43,6 = 3,4 %, der so gering ist, dass auf ihn verzichtet werden kann und R = 47 % bemessen wird. Da sich die beiden Roheisensorten hauptsächlich nur im Phosphorgehalt unterscheiden, wird folgende Aufteilung gewählt:

22 % Gießereiroheisen

25 % Hämatit

Nachdem nun die Gattierungsanteile festliegen, können die eingebrachten Kohlenstoff-, Silizium-, Mangan-, Phosphor- und Schwefelgehalte einzeln berechnet und summiert werden, wie es im rechten Teil der Tabelle zu sehen ist. Wenn bei bestimmten Komponenten die gewünschten Sollgehalte nicht ganz erreicht werden, sind entsprechende Legierungszusätze vorzunehmen. Abschließend werden noch der Abbrand und die Aufschwefelung durch den Satzkoks berücksichtigt.

Bild 1: Gattierungsboxen für metallische Einsatz© Buderus Guss GmbH
Bild 2: Gattierungshalle mit Brückenkran und Lastmagnet© Buderus Guss GmbH
Beispiel für Gattierungsberechnung (Kupolofen)