Kapitel 3: Herstellung der Rohre, Formstücke und Armaturen

Der Grundstoff des Eisengusses ist das Roheisen; es wird mit Hilfe von Koks aus Eisenerzen im Hochofen reduziert (Eisen erster Schmelzung). In den meisten Fällen wird dieses Eisen in fester Form (Roheisenmasseln) in den Eisengießereien weiterverarbeitet. Vereinzelt wird das flüssige Roheisen auch direkt zu Rohren und Formstücken weiterverarbeitet.

Herstellung eines duktilen Gussrohres

Üblicherweise erschmelzen die Gießereien ihr Eisen im Kupol- oder Elektroofen aus Recyclingmaterial und Roheisen. Dabei ist Koks, Erdöl oder Erdgas der Brennstoff; Reduktionsarbeit wird nicht geleistet. Die Kristallisation des im flüssigen Eisen gelösten Kohlenstoffes in Form von Grafitkugeln wird durch Zugabe von Magnesium in die Schmelze bewirkt. Rohre werden heute ausschließlich im Schleudergießverfahren erzeugt, bei welchem die Zentrifugalkräfte die Rohrwand erzeugen. Die dabei angewandte Schnellkühlung macht eine Wärmebehandlung der Rohre erforderlich, damit sie das verformbare Grundgefüge erhalten. Formstücke, Armaturengehäuse und Zubehörteile werden in Sandformen gegossen, hier ist die Abkühlgeschwindigkeit gering genug, sodass keine thermische Nachbehandlung erforderlich wird.

Im Stofffluss der Fertigung schließt sich i. d. R. die Applikation der Auskleidungen und Schutzüberzüge an. Rohre und Formstücke mit Flanschen, sowie die meisten Bauteile der Armaturen werden nach dem Gießen zunächst einer mechanischen Bearbeitung unterzogen. Erst danach werden sie beschichtet. Über dem gesamten Fertigungsablauf liegt ein definiertes System von Kontrollen und Prüfungen zur Sicherung der vorgegebenen Produkteigenschaften einschließlich der Kennzeichnung. 

3.1 Erschmelzen des Eisens

Eisen zur Herstellung von Rohren, Formstücken, Armaturen und Zubehörteilen wird in den meisten Fällen als Recyclingwerkstoff aus Stahlschrott, Gussbruch, und Gießereiroheisen im Kupolofen oder im Elektroofen erzeugt.

3.1.1 Das Schmelzen im Kupolofen

Der Kupolofen ist das typische Schmelzaggregat der Eisengießerei; es ist ein aufrecht stehender Schachtofen, der von oben mit den Rohstoffen Stahlschrott, Gussbruch, Kreislaufmaterial und Koks als Brennstoff beschickt wird.

Von unten wird erwärmte Luft eingeblasen, mit der der Koks verbrennt. In der damit erzeugten Hitze schmilzt der metallische Einsatz und tropft im unteren Teil des Schachtes zur Eisenschmelze zusammen. Sie fließt kontinuierlich mit etwa 1.450 °C über eine Rinne in ein Sammelgefäß, den Mischer, aus dem das Eisen chargenweise entnommen und entschwefelt wird.

Der Kupolofenprozess zeichnet sich durch eine sehr gute Ökobilanz aus, weil hier der metallische Einsatz bis zu 100 % aus Schrott bestehen kann.

Schnittbild und Betrieb eines Kupolofens

Eisenentnahme aus dem Mischer

Der Kupolofen ist ein Allesfresser, selbst Autoschrottpakete, verrostete Stahlträger oder ausgegrabene Graugussrohre werden problemlos wiederverwertet, wobei organische Verunreinigungen verbrannt werden und somit zur Energiebilanz beitragen. Zink aus den heutzutage immer häufiger verwendeten verzinkten Karosserieblechen verdampft, verbrennt zu Zinkoxid, welches mit den anderen Stäuben aus dem Abgasstrom des Ofens herausgefiltert und der Wiederverwertung zugeführt wird.

Der im Kupolofen verwendete Koks enthält immer einen geringen Anteil an Schwefel, der sich im flüssigen Eisen löst und die mechanischen Eigenschaften des Eisens negativ beeinflussen kann. Somit muss sich an die Erzeugung des flüssigen Eisens ein Schritt anschließen, in welchem der Schwefel entfernt wird. Dies geschieht mit Hilfe geeigneter Rohstoffe, z. B. Kalziumkarbid, an die der Schwefel chemisch gebunden wird. Die Reaktionsprodukte schwimmen als Schlacke auf der Eisenschmelze und können so abgetrennt werden.

3.1.2 Der Elektroofen

Ein ebenfalls gebräuchliches Schmelzaggregat in Eisengießereien ist der elektrische Induktionsofen. Sein feuerfest ausgekleidetes zylindrisches Gefäß ist mit einer Spule umgeben, durch die ein Wechselstrom fließt, der im Kern des metallischen Einsatzes einen Sekundärstrom induziert. Damit wird der rein metallische Einsatz erhitzt und aufgeschmolzen. Andere Energieträger, z. B. Koks, werden nicht benötigt. Energiezufuhr und Temperatur lassen sich leichter und schneller regulieren als im Kupolofen.

Elektrischer Induktionsofen

3.2 Magnesium-Behandlung

Das im Kupol- oder Elektroofen erschmolzene Eisen würde ohne zusätzliche Behandlung eine überwiegend lamellare Grafitausbildung bekommen. Erwünscht ist aber die typische, kugelige Grafitausbildung des duktilen Gusseisens. Diese erreicht man überwiegend durch Zugabe von Magnesium. Entscheidend ist dabei die hohe Affinität des Magnesiums zu Sauerstoff und Schwefel. Das Magnesium reduziert fast alle in der Schmelze vorhandenen Oxide und bindet den Schwefel als Magnesiumsulfid.

Die spezifisch sehr leichten Magnesiumoxide und erhebliche Mengen des Magnesiumsulfides steigen im flüssigen Eisen an die Oberfläche und werden dort als Schlacke abgezogen. Es ist trotz umfangreicher Forschung auch heute noch nicht eindeutig geklärt, über welchen Mechanismus die Magnesiumbehandlung letztlich zur Ausbildung der Grafitkugeln führt. Favorisiert wird die Modellvorstellung, wonach durch die Entfernung des Schwefels bis auf wenige ppm die Grenzflächenspannung zwischen der Oberfläche der sich bildenden Grafitkristallkeime und dem flüssigen Eisen erhöht wird, was die Grafitkristalle zu einem kugelförmigen Wachstum mit kleinster Grenzfläche zwingt. Es existieren verschiedene Verfahren, z. B. wird Magnesium rein oder legiert in keramischen Tauchglocken auf den Boden einer mit flüssigem Eisen gefüllten Pfanne gedrückt, oder Magnesium wird in sogenannten Konvertern in eine Kammer gegeben und durch Kippen im abgedeckten Konverter unter das flüssige Eisen gebracht. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz eines mit Magnesium gefüllten Drahtes.

Magnesium-Behandlung im Konverter

Reaktion des flüssigen Eisens während der Magnesium-Behandlung

Bei der Herstellung von Formstücken und Armaturengehäusen im Sandguss-Verfahren hat sich die Magnesium-Behandlung in der Gießform (Inmold-Verfahren) bewährt. Bei allen Verfahren verdampft das Magnesium im Eisenbad, durchwirbelt dieses und reagiert so optimal mit Sauerstoff und Schwefel und wird in geringen Mengen im Eisen gelöst.

3.3 Gießverfahren

3.3.1 Rohrherstellung nach dem Schleuderguss-Verfahren

Der Gedanke, Rohre durch Schleudern von Gusseisen in Metallformen herzustellen, geht auf ein Patent des Ingenieurs Eckhardt im Jahre 1809 zurück. Diese Erfindung konnte sich aber wegen des fehlenden Bedarfs und unzureichender technischer Voraussetzungen nicht durchsetzen. Eine besondere Schwierigkeit bestand in der Zuteilung des flüssigen Eisens in die um ihre waagerechte Drehachse rotierende Gießform.

1910 erfand Otto Briede aus Benrath die bewegliche Gießmaschine. Seine Idee wurde von dem Brasilianer de Lavaud verwirklicht, nach dem das heute in aller Welt verbreitete Rohrschleuderverfahren „De-Lavaud-Verfahren“ genannt wird. Geschleuderte Gussrohre wurden in Deutschland erstmalig 1926 hergestellt.

Es haben sich im Wesentlichen zwei Arbeitsweisen durchgesetzt:

1) Schleudern in Metallformen (Kokillen) nach dem De-Lavaud-Verfahren und

2) Schleudern in Metallformen mit Auskleidung nach dem WetsprayVerfahren.

Die Rohraußenkontur wird bei beiden Verfahren durch eine metallische Form (Kokille) vorgegeben. Die Kokille befindet sich in einem längsverfahrbaren Maschinengehäuse. Sie ruht an mehreren Stellen auf Laufrollen und wird durch obere Andruckrollen in ihrer Lage gehalten. Wasser sorgt für die Kühlung von außen. Durch einen Elektromotor angetrieben, rotiert die Kokille um ihre Längsachse. Die Kokilleninnenform bestimmt die Außenform des Rohres. In die muffenseitige Aufweitung der Kokille wird ein entsprechend der Muffeninnenform des Rohres ausgebildeter Kern, der aus Sand und Bindemittel gefertigt ist, eingesetzt. Dieser Kern schließt gleichzeitig die Kokille ab.

Schleudergießmaschine – Rohrschleuderverfahren in Metallformen nach de Lavaud

Zurückgezogene Gießrinne aus der Kokille

An der Seite des Einsteckendes der Kokille ist ein etwa der Wanddicke des Rohres entsprechender Kragen angebracht. Die so ausgerüstete Gießmaschine ist zur Muffenseite hin geneigt und auf Laufschienen längs verfahrbar angeordnet. Am oberen Ende des Rahmens befindet sich die Gießeinrichtung mit der Zuteilungspfanne, die die Flüssigeisenmenge für ein oder mehrere Rohre aufnehmen kann. Durch eine geregelte gleichmäßige Kippgeschwindigkeit wird erreicht, dass während des Gießvorganges eine konstante Eisenmenge pro Zeiteinheit über die Gießlippe der Zuteilungspfanne in das Gießhorn und von da aus in die Gießrinne fließt. Die Rinne ragt bei Gießbeginn fast bis zum Muffenende in die Kokille hinein. Vor dem Einfließen des Eisens wird die Kokille in Rotation versetzt. Das an der Gießrinnenspitze ausfließende Eisen wird von der sich drehenden Kokille erfasst, füllt zunächst den Raum zwischen Muffenkern und Kokille aus und bildet anschließend beim Längsverfahren der Gießmaschine infolge der Zentrifugalkraft den Rohrschaft. Das Eisen legt sich durch die Überlagerung der Bewegungen wendelförmig an die Kokillenwand und verläuft im flüssigen Zustand zu einem homogenen Rohr. Eine dickere oder dünnere Rohrwand ergibt sich durch Änderung der Eisenmenge für den Gießvorgang.

Die Umdrehungszahl der Kokille wird so gewählt, dass eine Zentrifugalkraft von 15 g bis 30 g auf das flüssige Eisen einwirkt. Durch die Zentrifugalkraft und durch die gerichtete Erstarrung der Rohrwand von der Kokillenseite zur Rohrinnenseite hin bildet sich ein besonders dichtes Gefüge aus. Die Zentrifugalkraft bewirkt ferner, dass die während des Gießvorganges entstehenden Oxidationsprodukte und eventuell mitgerissene Schlacke aufgrund ihrer Wichte nach innen abgedrängt werden und beim späteren Putzen leicht zu entfernen sind. Durch die Abkühlungsgeschwindigkeit und die bei der Verfestigung auftretende Volumenverminderung des flüssigen Eisens löst sich das Rohr von der Kokillenwand und kann zur Muffenseite aus der Kokille herausgezogen werden.

Gussrohr wird mit der Muffe voran aus der Gießmaschine gezogen

3.3.2 De-Lavaud-Verfahren

Zwischen zwei Gießvorgängen kann die Innentemperatur auf 200 °C und tiefer absinken. Die Beanspruchung der Kokille durch diese ungedämpften Temperaturwechsel ist demgemäß hoch, wodurch ihre Standzeit begrenzt wird.