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Verfahren zur Herstellung von Gusseisen mit niedrigem Eohlenstoifgehalt und hohen Festigkeitseigenschaften.
Es ist bereits bekannt, dass man durch Zusatz von Stahl- und Schmiedeeisenabfällen zur Kupolofengattierung den Kohlenstoff im Gusseisen bis zu einem gewissen Grade herunterdrücken kann. Es ist auch bekannt, dass es bisher erhebliche Schwierigkeiten machte, aus dem mit grösseren Mengen kohlenstoffarmen Eisens erschmolzenen Material poren-, lunker-und spannungsfreie sowie dünnwandige hochwertige Gussteile herzustellen. Der Grund für diese Schwierigkeiten wurde wohl darin vermutet, dass die Gattierung infolge des höheren Schmelzpunktes ihrer kohlenstoffarmen Anteile nicht gründlich durchgeschmolzen und auch das Bad nicht gleichmässig durchmischt war.
Ausserdem entsprach die Erniedrigung des Kohlenstoffgehaltes meistens nicht regelmässig den Anforderungen, die man mit Rücksicht auf das Verhältnis zwischen kohlenstoffarmem und kohlenstoffreicherem Eisen hätte erwarten können. Ferner ging man nur sehr selten mit den kohlenstoffarmen Zusätzen (Stahl und Schmiedeeisen) über eine grössere Menge als 20% hinaus, weil man eben die mit der Zusatzmenge dieser Stoffe wachsenden Schwierigkeiten bei der Herstellung hochbeanspruchter Gussstücke kannte und mit Recht fürchtete. Vor allen Dingen glaubte man, wegen des hohen Schmelzpunktes der Stahl- und Schmiedeeisenzusätze einen erheblich grösseren Wärjneaufwand als bisher nötig zu haben.
Man arbeitete daher darauf hin, möglichst auch grössere Koksmengen mit erhöhter Windmenge bzw. mit erhöhter Windpressung zu verbrennen, sobald man wesentliche Stahl-oder Schmiedeeisenzusätze in den Kupolofen einführt. Damit wurde aber teilweise das Gegenteil dessen erreicht, was erstrebenswert war, indem man nämlich nicht das erwünschte niedrige Mass an Kohlenstoff erhielt und ausserdem zu einer den grösseren Koksmengen entsprechenden Erhöhung des Schwefelgehaltes im Erzeugnis gelangte.
Selbst anerkannte Fachleute der Praxis und hochstehende Forscher der allerletzten Jahre halten aus den angegebenen Gründen heute noch grössere Zugaben an Stahl-und Sehmiedeeisenabfällen in den Kupolofen sowohl für bedenklich für die Gleichmässigkeit der Eigenschaften des fertigen Gussstückes als auch für unzuverlässig in bezug auf die Treffsicherheit eines ganz bestimmten Kohlenstoffgehaltes.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, kohlenstoffarmes Roheisen durch Herunterschmelzen von grossen Mengen von Stahl oder Schmiedeeisen im Kupolofen herzustellen, jedoch unter Verwendung aussergewöhnlich hoher Koksmengen und entsprechend gesteigertem Windverbrauch. Zur Aufnahme besonders grosser Koksmengen ist nach einem weiteren Vorschlag eine Vergrösserung des Ofensumpfes auf das Vielfache des bei gewöhnlichen Kupolöfen üblichen Masses vorgesehen worden. Dadurch werden aber besonders starke Kohlung und Schwefelung der Schmelze verursacht und ausserdem noch besondere Massnahmen gegen das Einfrieren des Stichloches notwendig.
Das den Gegenstand vorliegender Erfindung bildende Verfahren zur Herstellung von Gusseisen, insbesondere auch von Grauguss mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (etwa von 3% und darunter) und hohen Festigkeitseigenschaften eignet sich insbesondere dazu, Gussstücke beliebiger Abmessungen und beliebiger Wandstärken herzustellen, deren Gefüge nicht ausschliesslich perlitisch ist, sondern immer Ferrit enthält, wobei aber der Graphit äusserst fein ausgeschieden ist infolge der graphitkeimzerstörenden Wirkung der Überhitzung der Schmelze, wodurch die hohen Festigkeitseigenschaften bedingt werden, ohne dass besondere Massnahmen erforderlich sind, um beispielsweise eine nachträgliche Beeinflussung der Gefügebildung durch umständliche Anwärmung der Formen oder Verzögerung der Abkühlungsgeschwindigkeit hervorzurufen,
wie es schon empfohlen worden ist.
Ferner lässt sich mittels des vorliegenden Verfahrens auch in wirtschaftlicherer Weise als bisher sogenanntes synthetisches Roheisen mit niedrigem, bestimmten Kohlenstoffgehalt beispielsweise aus Gussbruch, Stahl-und Schmiedeeisenschrott im Kupolofen erschmelzen, das dann in bekannter Weise weiterverarbeitet werden kann oder aber unmittelbar Schmelzen anderer Zusammensetzung, beispielsweise anderen Kohlenstoffgehaltes, sich zumischen lässt.
Dieses Verfahren besteht nun darin, dass in einem mit festem Brennstoff betriebenen und zweckmässig mit Vorherd ausgerüsteten Schachtofen (Kupolofen) mindestens 50% kohlenstoffarmes Eisen (Stahl-oder Sehmiedeeisen) mit kohlenstoffreicherem Eisen (Roh-oder Brucheisen) oder ausschliesslich kohlenstoffarmes Eisen mit den für normale Roheisengattierung üblichen Satz-und Füllkoksmengen und unter diesen normalen Koksmengen entsprechenden Windverhältnissen geschmolzen werden.
Ganz besonders wirtschaftlich gestaltet sich das Verfahren, wenn man das kohlenstoffarme Eisen ganz oder zum grösseren Teil in brikettierter Form (Spänebriketts) verwendet.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform dieses Verfahrens besteht darin, dass man ohne Änderung der Gattierung lediglich durch Veränderung des Verhältnisses von Windmenge bzw. Winddruck zur Brennstoffmenge die Höhe des Kohlenstoffgehaltes im Erzeugnis während des Sehmelzvor- ganges auf das jeweils erwünschte Mass einstellt.
Das vorliegende Verfahren erbringt durch verhältnismässig einfache Massnahmen ohne bauliche Änderungen der üblichen Kupolofenbauart zu gleicher Zeit folgende Vorteile :
1. Man kann einen bisher im Kupolofen für gewöhnlich nicht erreichbaren niedrigen Kohlenstoffgehalt erhalten.
2. Man kann während des Schmelzvorganges ohne Änderung der Gattierung den Kohlenstoffgehalt innerhalb gewisser Grenzen regeln und auf einen ganz bestimmten Betrag einstellen.
3. Man kann ohne Bedenken den Stahlzusatz bis auf 50% und mehr, selbst bis zu 100% des Gesamt- einsatzes steigern, wodurch wegen des billigeren Marktpreises für Stahlabfälle eine erhebliche Verbilligung
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4. Es ergibt sich eine beträchtliche Verbesserung der physikalischen Eigenschaften der Erzeugnisse sowie auch eine grössere Widerstandsfähigkeit derselben gegen chemische Einflüsse.
5. Die die Festigkeitseigenschaften nachteilig vermindernden Schwefel-und Phosphorgehalte können sehr niedrig gehalten werden.
6. Man kommt infolge der niedrig gekohlten Gusserzeugnisse einer praktisch brauchbaren Einheitsgattierung sehr nahe, bei der auf Grund des niedrigen Kohlenstoffgehaltes Schwankungen im Siliziumgehalt von etwa 1'5-2'5 g ihre bisherige Bedeutung für das Gefüge und die physikalischen Eigenschaften des Gusseisens sowie für die Gefügebildung für die verschiedensten Wandstärken verlieren. Beispielsweise kann man nach dem vorliegenden Verfahren planmässig einen Kohlenstoffgehalt von etwa 2'6 bis
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zu beobachten wären.
Die Ausführung des Verfahrens wird wesentlich erleichtert, wenn man in die zum Kupolofen führende Windleitung an geeigneter Stelle selbsttätige Druckminder- bzw. Druckregelventile einbaut, die sich auf verschiedenen Winddruck einstellen lassen. Man kann durch Änderung der Ventileinstellung den Kohlenstoffgehalt des Gusseisens beeinflussen. Zweckmässig wird man die Einrichtung so treffen, dass man die Einstellung der Druckminder-bzw.-regelventile nach einer Einteilurg vornimmt, deren Einheiten bestimmten Kohlenstoffgehalten entsprechen.
Menge und Druck oder auch nur die Menge oder nur der Druck des den Ofen durchstreichenden Windes können auch beispielsweise dadurch verändert oder geregelt werden, dass man einen mit oberem Abschluss versehenen Ofen verwendet und nun die Menge oder den Druck der abziehenden Gichtgase, z. B. durch Drosselung oder Veränderung von Drosselwirkungen, regelt. Auch hiebei können selbsttätige Regelorgane verwendet werden. Diese lassen sich auch so ausbilden und einrichten, dass sie in Abhängigkeit vom vor den Düsen herrschenden Winddruck ein bestimmtes, für das Verfahren günstigstes Gesamtwindgefälle im Ofen einstellen. Diese Massnahmen ermöglichen das Durchführen des Verfahrens bei erhöhtem absoluten Winddruck im Ofen selbst, aber mit den erforderlichen verhältnismässig geringen Windmengen bzw. dem erforderlichen geringen Windgefälle.
Zur Erläuterung des Verfahrens seien nachfolgend einige Ergebnisse angeführt, die sich bei Versuchen und anschliessend daran auch im laufenden Betriebe ergeben haben :
Es wurde eine grössere Anzahl von Versuchsreihen mit Sätzen folgender Zusammenstellungen in einem gewöhnlichen Kupolofen mit Vorherd niedergescbmolzen :
Versuchsreihe A.
Einsatz : 50% Stahl- und Schmiedeeisenabfälle mit 0-2% C und 50% hocllsiliziertes Roh- oder Brucll- eisen.
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<tb>
<tb>
Kokssatz <SEP> : <SEP> 12% <SEP> des <SEP> Eiseneinsatzes.
<tb>
Winddruck <SEP> : <SEP> : <SEP> 400 <SEP> mm <SEP> Wassersäule.
<tb>
Badtemperatur <SEP> : <SEP> nicht <SEP> gemessen.
<tb>
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teile schwacher und starker Wandstärken mit Erfolg gegossen, die auch zu drehen, hobeln, bohren und fräsen waren.
Festigkeit einzeln gegossener Stäbe :
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<tb>
<tb> Zerreissfestigkeit <SEP> bis <SEP> 29 <SEP> kg/mm2
<tb> Biegefestigkeit <SEP> bis <SEP> 54'7 <SEP> kgjmm2 <SEP> (unbearb. <SEP> Stab <SEP> 30 <SEP> rmn, <SEP> 600 <SEP> mm <SEP> Länge)
<tb> Biegefestigkeit <SEP> bis <SEP> 60 <SEP> /m <SEP> (bearb. <SEP> Stab <SEP> 30 <SEP> 600 <SEP> mm <SEP> Länge)
<tb> Durchbiegung <SEP> bis <SEP> 16#6 <SEP> mm <SEP> (unbearb. <SEP> Stab <SEP> 30 <SEP> mm < P, <SEP> 600 <SEP> mm <SEP> Länge)
<tb> Durchbiegung <SEP> bis <SEP> 19 <SEP> mm <SEP> (bearb. <SEP> Stab <SEP> 36 <SEP> mm0, <SEP> 720 <SEP> mm <SEP> Länge).
<tb>
Kohlenstoffgehalt der Gussstücke : 2-6-2-8%.
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Versuchsreihe B.
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<tb>
<tb> Einsatz <SEP> : <SEP> 100% <SEP> Stahl- <SEP> und <SEP> Schmiedeeisenabfälle <SEP> mit <SEP> 0-2% <SEP> C <SEP> und <SEP> 30 <SEP> Stuck <SEP> Formlinge <SEP> mit <SEP> 3% <SEP> Si.
<tb>
Kokssatz <SEP> : <SEP> 12% <SEP> des <SEP> Einsatzes.
<tb>
Winddruck <SEP> : <SEP> 400 <SEP> mm <SEP> Wassersäule.
<tb>
Badtemperatur <SEP> : <SEP> 1480 <SEP> C.
<tb>
Vergiessfähigkeit und Bearbeitbarkeit : Es wurden alle möglichen lunkerfreien Maschinengussteile schwacher und starker Wandstärken mit Erfolg gegossen, die auch zu drehen, hobeln, bohren und fräsen waren.
Festigkeit : I. Einzeln gegossener Stäbe :
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<tb>
<tb> Zerreissfestigkeit <SEP> bis <SEP> 41'6 <SEP> X/mm
<tb> Biegungsfestigkeit <SEP> bis <SEP> 62#5 <SEP> kg/mm2 <SEP> (unbearb. <SEP> Stab <SEP> 30 <SEP> mm#, <SEP> 600 <SEP> mm <SEP> Länge)
<tb> Biegungsfestigkeit <SEP> bis <SEP> 70#6 <SEP> kg/mm2 <SEP> (bearb. <SEP> Stab <SEP> 30 <SEP> mm <SEP> 600 <SEP> mm <SEP> Länge)
<tb> Biegungsfestigkeit <SEP> bis <SEP> 74'0 <SEP> 7cg/mm2 <SEP> (bearb. <SEP> Stab <SEP> 15 <SEP> mm'), <SEP> 300 <SEP> mm <SEP> Länge)
<tb> Durchbiegung <SEP> bis <SEP> 15 <SEP> mm <SEP> (unbearb. <SEP> Stab <SEP> 30 <SEP> mm < P, <SEP> 600 <SEP> mm <SEP> Länge)
<tb> Durchbiegung <SEP> bis <SEP> 20 <SEP> mm <SEP> (bearb. <SEP> Stab <SEP> 36 <SEP> mm < , <SEP> 720 <SEP> mm <SEP> Länge).
<tb>
II.
Aus der Mitte dickwandiger Gussstücke herausgearbeitete Stäbe :
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<tb>
<tb> Zerreissfähigkeit <SEP> : <SEP> a) <SEP> bis <SEP> 23-5 <SEP> 7cg/mm2 <SEP> (Stab <SEP> v. <SEP> 20 <SEP> mm <SEP> aus <SEP> Knüppel <SEP> v. <SEP> 120 <SEP> mm# <SEP> herausgearbeitet
<tb> (das <SEP> bisherige <SEP> gute <SEP> Zylindereisen <SEP> hat <SEP> diese <SEP> Festigkeit <SEP> an <SEP> einzeln <SEP> gegossenen <SEP> Stäben).
<tb> b) <SEP> bis <SEP> 38'5 <SEP> kgjmm2 <SEP> (Stab <SEP> v. <SEP> 15 <SEP> mm# <SEP> aus <SEP> Stab <SEP> v. <SEP> 42 <SEP> nm# <SEP> herausgearbeitet).
<tb>
Brinellhärte : im Durchschnitt : 241-255.
Kohlenstoffgehalt der Gussstücke : 2-5-2-75%.
Wie sich aus den obigen Versuchen ergibt, ist es nach der Erfindung also möglich, im Kupolofen der üblichen Bauart mit einer verhältnismässig geringen Koksmenge und einem verhältnismässig geringen Winddruck bis zu 100% Stahl unter Verwendung entsprechender Zuschläge an Silizium und Mangan in Form geeigneter Legierungen niederzuschmelzen und unmittelbar zu höchstwertigen Gussstücken beliebiger Abmessungen und beliebiger Wandstärke zu vergiessen. Dabei haben die erzeugten Gussstücke aussergewöhnlich gute Festigkeitseigenschaften und sind gut durch Drehen, Schleifen, Bohren und Fräsen und sogar durch Hämmern bearbeitbar.
Die Steigerung der Festigkeitseigenschaften durch die einfachen Massnahmen der Erfindung erschliesst dem Herstellen durch das Kupolofengussverfahren die verschiedensten ihm bisher verschlossenen Gebiete und gestattet, dort, wo man bisher die Gusstechnik lediglich unter Berücksichtigung ihres früheren Standes anwendete, zu wesentlich geringeren Wandstärken herunterzugehen.
Erwähnt sei noch, dass die nach dem vorliegenden Verfahren hergestellten Gussstücke infolge ihrer eigenartigen Gefügebildung eine besonders hohe Widerstandsfähigkeit gegen chemische Einflüsse aufweisen, sich daher namentlich zu Säure-und Laugekesseln und-behältern für die chemische Industrie eignen.
Das vorliegende Verfahren bietet ferner noch die Möglichkeit, auch hochwertige Spezialstahllegierungen zu Sondererzeugnissen im gewöhnlichen Kupolofen zu verschmelzen.
Die Wirkung des vorliegenden Verfahrens kann man sich folgendermassen erklären : Da bekanntlich ein Zusatz von 10-15% Stahl oder Schmiedeeisen zum Roh-oder Brucheisen keine Erhöhung des Kokssatzes bedingt, muss die zum Schmelzen von Stahl und Schmiedeeisen erforderliche Temperatur im Kupolofen schon bei normalem Kokssatz vorhanden sein, wie er gewöhnlich zum Schmelzen von Roh-und Brucheisen angewendet wird. Von dieser Überlegung ausgehend, wurde erkannt, dass die bereits erwähnten früheren Versuche, die Verwendung auch grösserer Stahlmengen im Kupolofen zwecks Erzeugung hochwertigster Gussstücke zu erzwingen, deshalb verfehlt waren, weil sie mit aussergewöhnlich hohen Koksmengen und in der Regel auch mit besonders hohen Winddrücken arbeiteten.
Durch diese aussergewöhnliche Erhöhung der dem Verfahren zugeführten Kohlenstoffmenge wurde der Vorteil des geringen Kohlenstoffgehaltes der Stahl-und Schmiedeeisenmengen in Frage gestellt. Die Erfindung läuft also gewissermassen darauf hinaus, die dem Schmelzvorgang zuzuführende Gesamtkohlenstoffmenge überhaupt auf jede nur denkbare Weise niedrig zu halten, wobei immer noch eine zur Aufkohlung des Stahles und
Schmiedeeisens zu gut gussfähigem Gusseisen genügende Kohlenstoffmenge verbleibt.
Dass die bisherigen Versuche durch einfaches geringes Erhöhen der Stahl-oder Sehmiedeeisenzuschläge unter Verwendung grösserer Koksmengen nicht zu einem hochwertigen Gusserzeugnis führen konnten, lag-ausser in der
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auf diese Temperatur erst anwärmen müssen, also noch Wärme wieder verlieren, teils dort, wo sie heissere Zonen durchfliessen, temperaturmindernd wirken.
Anders verhält es sich mit den in den Kupolofen aufgegebenen Stahl-und Eisenzuschlägen. Diese werden bei der Schmelztemperatur des Roheisens noch nicht flüssig, sondern kohlen sieh bereits in rotglühendem Zustande auf und erreichen dadurch einen niedriger liegenden Schmelzpunkt. Das auf diese Weise aus dem Stahl im Ofen entstandene Gusseisen hat somit eine entsprechend höhere Temperatur als das erstgenannte Gusseisen.
Wendet man nun nur verhältnismässig geringe Stahlmengen an, so genügen diese kaum, um eine wesentliche Änderung des Kohlenstoffgehaltes des erst niedergegangenen Gusseisens zu bewirken ; wendet man jedoch-und hier setzt die Erfindung ein-wesentlich grössere Stahlmenge an, indem man gleichzeitig aber auch dafür sorgt, dass nur ein Minimum von Kohlenstoff überhaupt im Ofen vorhanden ist, so ist die Ausnutzung der hohen Ofentemperatur natürlich am vollständigsten, weil der hohe Zusatz von Stahlabfällen bremsend auf die Charge wirkt, so dass sie mehr Wärme aufnehmen kann und infolge ihres höheren Schmelzpunktes allmählich erst teigig und unmittelbar oberhalb der Düsen erst flüssig wird. Die durch die vermehrte Wärmeaufnahme stattfindende Überhitzung der Schmelze wirkt graphitkeimzerstörend.
Auch die Sicherheit der Erlangung eines niedrigen Kohlenstoffgehaltes im Erzeugnis wird entsprechend günstiger ; am günstigsten natürlich dann, wenn die aufgegebenen Sätze 100% Stahl oder Schmiedeeisen enthalten.
Das vorliegende Verfahren eignet sich auch zur Herstellung eines zum Tempern geeigneten Weissgusseisens.
Man hat bisher zur Herstellung von Temperguss bzw. Temperstahl Weisseisen als Ausgangsstoff benutzt, welches etwa 3-5% Kohlenstoff enthielt.
Bekanntlich wird durch den Tempervorgang ein Teil des im Eisen enthaltenen Kohlenstoffes
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Verweilen der Tempergussstücke im Temperofen verlangen, ist das für den Temperguss kennzeichnende Gefüge vorhanden.
Die Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, dass es gelingt, auf einfacherem Wege und in kürzerer Zeit hochwertigen Temperguss bzw. Temperstahl herzustellen, wenn man von vornherein für einen verhältnismässig niedrigen Kohlenstoffgehalt, etwa 2'5% des Ausgangsmaterials sorgt.
Während bei normalgekohltem Ausgangsstoff mit sonst entsprechender Zusammensetzung der
Siliziumgehalt zwecks Unterbindung der Graphitausscheidung 0'5-0'7% nicht überschreiten soll, ist man bekanntlich bei Verwendung niedriggekohlten Materials zur Erlangung dünnflüssigen Eisens in der Lage, den Siliziumgehalt auf 1-1-2% zu steigern ; damit wächst gleichzeitig die Geschwindigkeit des
Karbidzerfalls bzw. die Begünstigung der Temperkohlebildung.
Ein besonders guter Ausgangsstoff für das Temperverfahren ergibt sich, wenn man Gattierungen mit verhältnismässig grossen Mengen kohlenstoffarmen Eisens (Stahl-oder Schmiedeeisen) bei dem vorgenannten Verfahren anwendet, wobei man sogar zu Sätzen mit 100% kohlenstoffarmen Eisens (Schrott,
Spänebriketts) übergehen kann. Um das so erzeugte Weisseisen sowohl zum Tempern als auch zum Vergiessen auch dünnwandigster Gussstücke geeignet zu machen, setzt man in der bisher üblichen Weise Silizium in irgendeiner Form zu.
Das Verfahren eignet sich auch zur Erzeugung des in Amerika üblichen sogenannten Sehwarzkerngusses, der nicht der Einwirkung sauerstoffabgebender Tempermittel ausgesetzt, sondern vor der Einwirkung des Luftsauerstoffes während des Glühens durch Einpacken in Sand od. dgl. geschützt wird.
Wenn auch zur Durchführung dieses amerikanischen Verfahrens die Gussteile gegenüber dem europäischen Verfahren nur 50% der Zeit im Glühofen zu verbleiben brauchen, bietet das vorliegende Verfahren doch den Vorteil, das amerikanische, auf niedrigen Kohlenstoffgehalt des Ausgangsstoffes und daher bisher auf Flammofenerzeugnisse angewiesene Temperverfahren mit einem im Kupolofen erzeugten niedriggekohlten Ausgangsstoff durchführen zu können.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Gusseisen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und hohen Festigkeitseigenschaften, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweckmässig mit Vorherd ausgerüsteten Schachtofen (Kupolofen) normaler Bauart mindestens 50% kohlenstoffarmes Eisen (Stahl oder Sehmiedeeisen) mit kohlenstoffreichem Eisen (Roh-oder Brueheisen) oder ausschliesslich kohlenstoffarmes Eisen mit den für normale Roheisengattierung üblichen Satz-und Füllkoksmengen und unter diesen normalen Koksmengen entsprechenden Windverhältnissen geschmolzen werden, wobei die Höhe des Kohlenstoffgehaltes des Eisens durch Einstellung der Windmenge bzw. des Winddruekes geregelt werden kann.