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Verfahren zum Giessen von Stahl
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An Stelle der üblichen kastenförmigen Wanne wird gemäss der Erfindung vorzugsweise eine lang- gestreckte trogförmige Wanne verwendet, die eine grössere freiliegende Metallfläche für die Reaktion mit
Sauerstoff darbietet. Die Wanne ist leicht geneigt angeordnet, so dass das geschmolzene Metall vom
Einlassende zum Auslass fliesst.
Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der nachstehenden näheren Erläuterung an Hand der
Zeichnung hervor, welche eine für die Durchführung der Erfindung bei einer kontinuierlich arbeitenden
Giesseinrichtung geeignete Vorrichtung in perspektivischer Darstellung zeigt. Selbstverständlich kann die
Erfindung nicht nur bei kontinuierlichen, sondern auch bei andein Giessverfahren Verwendung finden.
In der Zeichnung wurden einige Teile des Aufbaues weggelassen, um die innere Konstruktion zu zeigen.
Nach der Zeichnung besteht eine für die Durchführung der Erfindung geeignete Einrichtung aus einer langgestreckten, oben offenen trogförmigen Wanne 10, deren Oberseite mit wärmeisolierenden Ziegeln oder Kacheln 11 abgedeckt ist. Am linken Ende der Wanne 10 (nach der Zeichnung) ist in der Ziegel- abdeckung eine Öffnung 12 vorgesehen, durch die geschmolzenes Metall 13 aus einer bei 14 angedeuteten
Giesspfanne eingelassen werden kann. Obwohl eine kippbare Wanne dargestellt ist, kann es häufig an- gebrachter sein, eine Giesspfanne mit Bodenausguss zu verwenden. Am entgegengesetzten (rechten) Ende der Wanne ist am Boden eine Auslassdüse 16 vorgesehen. Die Wanne ist von links nach rechts leicht geneigt, so dass das bei 13 eingelassene geschmolzene Metall zum Auslass 16 fliesst.
Ein an der Auslass- öffnung angeordneter einstellbarer Stopfen 17 ragt durch eine Öffnung 18 in der Ziegelabdeckung nach oben und kann mit Hilfe einer Stopfenstange 19 auf und ab bewegt werden. welche mit einem Bedienungs- hebel 20 verbunden ist, der an einem aufrechten Träger 21 schwenkbar angebracht ist. Durch Bewegen des äusseren Endes des Hebels 20, entweder von Hand oder selbsttätig, kann das Ausströmen des ge- schmolzenen letalles durch die Auslassöffnung 16 in der bei der Stahlerzeugung bekannten Weise geregelt werden. Unmittelbar unterhalb des Wannenauslasses 16 ist das obere Ende einer langgestreckten Guss- form 22 für einen ununterbrochenen Guss mit einem Formhohlraum 23 des gewünschten Querschnittes dargestellt.
Als Wärmequelle zum Aufrechterhalten der Temperatur des geschmolzenen Metalles während des Durchfliessens der Wanne 10 sind mehrere Brennervorrichtungen 24 vorgesehen. In diesem besonderen Falle befinden sich zwei derartige Brenner 24 an entgegengesetzten Enden der Wanne 10. Selbstverständlich kann jede gewünschte Anzahl von Brennern vorgesehen werden, die für eine besondere Anlage erforderlich ist. Nach der Darstellung besteht jeder Brenner 24 aus einer Leitung 26 mit einer nach unten weisenden
Düse 27, die an den Öffnungen 12 und 18 in die Wanne hineinragt, so dass die Flammen gegen die Ober- fläche des Metalles in der Wanne gerichtet werden. Dem Brennerrohr 26 wird durch eine mit einem
Ventil versehene Verbindungsleitung 29 Verbrennungsluft zugeführt, während ein Brennstoff durch eine mit einem Ventil versehene Zweigleitung 31 zugeführt wird.
Ein gasförmiger Brennstoff, wie Kokerei- ofengas oder ein im Handel erhältliches Kohlenwasserstoffgas, wie Propan, sind am besten geeignet ; doch ist es unter gewissen Umständen auch möglich, einen normalen flüssigen Brennstoff zu verwenden.
Wird das geschmolzene Metall 13 aus der Giesspfanne 14 In die Wanne mit einer Temperatur von ungefähr 1550 bis 16500 C eingelassen, so fliesst es in einem verhältnismässig langgestreckten Strom zur
Auslassöffnung 16 und von dort in die Gussform 22. Obwohl das Ausgiessen des Metalles aus der Pfanne 14 in die Wanne, den vorhandenen Möglichkeiten entsprechend, stetig oder intermittierend erfolgen kann, ist es von höchster Wichtigkeit, dass das Metall aus der Wanne 10 zur Form 22 stetig und im wesentlichen mit konstanter Geschwindigkeit strömt. Der Vorgang wird vorzugsweise so gesteuert, dass über der Auslass- öffnung 16 der Wanne ein im wesentlichen konstanter Metallpegel aufrechterhalten wirft.
Um jedoch ein im wesentlichen konstantes Ausströmen aus dem Wannenauslass zu erreichen, ist es wichtig, dass die Temperatur des aus der Wanne ausfliessenden geschmolzenen Metalls oberhalb einer vorherbestimmten Mindesttemperatur gehalten wird, die für Stähle mit geringem oder mässigem Kohlen- stoffgehalt ungefähr 15000 C, vorzugsweise 15500 C beträgt. Es hat sich gezeigt, dass die Brenner- vorrichtungen 24 und die isolierende Abdeckung 11 für den Ausgleich der Wärmeverluste nicht immer ausreichen. Daher wird gemäss der Erfindung Sauerstoff, vorzugsweise handelsüblicher Sauerstoff mit einem Reinheitsgrad von 98 bis 99le, in Form eines oder mehrerer Gasstrahlen gegen die Oberfläche des in der Wanne fliessenden Metalles geblasen.
Bei der dargestellten Ausführungsform werden drei solcher
Sauerstoffstrahlen verwendet, wobei das Gas in jedem Falle durch ein Rohr 32 mit Ventil 33 und Auslass 34 zugeführt wird. Im vorliegenden Falle treffen die Sauerstoffstrahlen ungefähr an den gleichen Stellen auf den Metallspiegel auf, wie die Brennerflammen.
Obwohl sich dabei die Brennerflammen einigermassen mit Sauerstoff anreichern, ist die erhöhte
Heizwirkung vor allem auf die beim Auftreffen des Sauerstoffes auf die Badoberfläche sich abspielenden
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Oxydationsreaktionen zurückzuführen, nachdem der in der Wanne anwesende freie Sauerstoff in allen Fällen die für die Verbrennung des Brennstoffes erforderliche Menge übersteigt. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise eine um 10 - 400 C höher liegende Temperatur des aus der Wanne austretenden Metalles erzielt werden kann, als bei alleiniger Verwendung der Brennerflammen möglich ist.
Überraschenderweise hat sich ferner gezeigt, dass eine für die Regelung der Temperatur ausreichende Oxydation erzielt werden kann, ohne dass eine unzulässige Abweichung von der gewünschten endgültigen Zusammensetzung des Gassproduktes eintritt. Die in Frage kommenden Oxydationsreaktionen umfassen die Oxydation von Eisen, Mangan, Kohlenstoff und auch von andern in der Legierung gegebenenfalls vorhandenen Elementen, wie Silizium und Aluminium. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass bei der Einführung der erforderlichen Sauerstoffmenge in die Wanne der Mangangehalt durchschnittlich nur etwa 0,02 bis höchstens 0, 06% absinkt. Der Kohlenstoffverlust kann dabei ungefähr 0, 01%- 0, 04ci betragen.
Dieser Kohlenstoffverlust ist für Stähle mit niedrigem oder mässigem Kohlenstoffgehalt unwesentlich, er kann, beispielsweise bei der Erzeugung von Stählen mit geringem Kohlenstoffgehalt, sogar vorteilhaft sein.
Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird zweckmässig jeder Sauerstoffstrahl getrennt von der Brennerflamme gegen die Oberfläche des Metalls in der Wanne gerichtet. Obwohl unter gewissen Umständen der Brennstoff mit einem Sauerstoffüberschuss im Brennerrohr gemischt werden kann, so dass eine oxydierende Flamme erzeugt wird, ist im allgemeinen vorzuziehen, den Sauerstoff unabhängig vom Brennstoff einzuführen, da die Temperatur einer mit Sauerstoff angereicherten Flamme so hoch werden kann, dass in der Wanne übermässige Mangan-und Kohlenstoffverluste sowie eine übermässige Schlackenbildung eintreten. Überdies kann bei getrennter Brennstoff-und Sauerstoffzufuhr der mechanische Effekt der Flammen ausgenutzt werden, um Oxydhäute von der Metallfläche in der Wanne zu entfernen, so dass der Sauerstoff auf den blanken Metallspiegel einwirken kann.
Ferner wird mit einer solchen Anordnung die unabhängige Regelung der Brennstoff-und Sauerstoffzufuhr wesentlich vereinfacht.
In jedem Falle ist es wesentlich, dass die eingeführte Sauerstoffmenge die für die Verbrennung des Brennstoffes erforderliche Sauerstoffmenge übersteigt.
In die Rohre 32 wird zweckmässig handelsüblicher Sauerstoff mit einem Reinheitsgrad von 98 bis 991o eingeführt ; aber auch andere hochsauerstoffhaltige Gase, z. B. solche mit 801a oder mehr Sauerstoff können verwendet werden. Je nach der Grösse der Anlage, den Abmessungen der Wanne und sonstigen Betriebsverhältnissen wird die der Wanne zugeführte Sauerstoffmenge geregelt, um die gewünschte Temperatur ohne übermässige Verluste durch Oxydation und ohne schädliche Änderung der Zusammensetzung des Gussstückes zu erhalten. Es hat sich ergeben, dass bei einer Giessgeschwindigkeit von ungefähr 500 bis 750 kg pro Minute bei Stählen mit geringem oder mässigem Kohlenstoffgehalt der Wanne ungefähr 1 - 1, 8 m3 reiner Sauerstoff pro Minute zugeführt werden kann.
Der Druck des gegen die Metallfläche gerichteten Sauerstoffstrahles soll ausreichen, um die sich bildende Schlacke beiseite zu blasen.
Messungen mit optischen Pyrometern am Auslauf aus dem Gusstiegel und am Wannenauslass haben gezeigt, dass der Temperaturabfall auf dieser Strecke beim Verfahren gemäss der Erfindung höchstens ungefähr 400 C und in einigen Fällen sogar nur 70 C eträgt. Die Brennerflammen und die Sauerstoffzuführung müssen dabei jedoch so geregelt werden, dass eine übermässige Schlackenbildung verhindert wird, die zu einer Verstopfung der Düse 16 führen könnte. Als Material für den Wannenauslass 16 wird vorzugsweise Magnesit, Zirkonerde (Zirkoncxyd) oder Magnesia verwendet, da diese Stoffe höchst widerstandsfähig gegen eine Beschädigung durch Schlacke sind.
Ausser der beschriebenen Temperaturregelung bietet die Verwendung freien Sauerstoffes in der Wanne noch den Vorteil, dass die Vornahme verschiedener metallurgischer Operationen erleichtert und vereinfacht wird. Es ist beispielsweise häufig erwünscht, kurz vor dem Giessen der Schmelze Legierungsbestandteile oder andere metallurgische Zusätze zuzuführen. Eine durch derartige Zusätze verursachte unerwünschte Abkühlung wird durch den der Wanne zugeführten Sauerstoff, wie oben beschrieben, kompensiert. Auch die Auflösung einer Substanz in der Metallschmelze wird durch die bei Sauerstoffzuführung sich ergebende Temperaturerhöhung begünstigt.
Obwohl die erfindungsgemässe Verwendung von Sauerstoff an sich leicht zur Erzeugung von nicht völlig desoxydierten Stählen führt, die durch einen verhältnismässig niedrigen Desoxydationspegel und eine hochgradige Gasentwicklung in der Form gekennzeichnet sind, bietet die Erfindung nichtsdestoweniger den besonderen bedeutenden Vorteil, dass sie auch selbst bei halbdesoxydierten und desoxydierten Stählen mit befriedigenden Ergebnissen angewendet werden kann. Die nachstehenden spezifischen Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und dürfen nicht als Einschränkung angesehen werden.
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Beispiel l : Ein nicht vollständig desoxydierter Stahl mit 0, 08% Kohlenstoff und 0, 35% Mangan (in der Giesspfanne) wurde nach dem oben beschriebenen Verfahren gegossen. Die dabei bewirkte Einrichtung entsprach der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform. Den Brennern wurde Kokereiofengas mit einem Druck von 132 g/cm2 und Luft mit einem Druck von 5, 97 bis 6, 32 kg/cm% zugeführt.
Ausserdem wurde Sauerstoff mit einem Druck von etwa 8 kg/cm2 durch die Sauerstoffleitungen in die Wanne eingeführt. Diese Sauerstoffzufuhr wurde von Zeit zu Zeit gesperrt, um die Einwirkung des Sauerstoffes auf die Metalltemperatur in der Wanne festzustellen.
Mit Hilfe optischer Pyrometer wurde eine Giesspfannentemperatur von 1621 bis 16260 C und eine
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der Wanne wieder Sauerstoff zugeführt, worauf die Metalltemperatur am Wannenauslass sofort auf 16100C anstieg.
Beispiel 2 : Die Daten der nachstehenden Tabelle wurden beim Giessen von nicht vollständig desoxydiertem Stahl in industriellem Massstab erhalten, unter Verwendung von 30 Tonnen Chargen. Dazu wurde eine Wanne von der in der Zeichnung dargestellten Ausführung verwendet. Dieser Wanne wurde Sauerstoff mit handelsüblichem Reinheitsgrad in einer Menge von ungefähr 1, 7 m3 pro Minute zugeführt, wobei die Giessgeschwindigkeit ungefähr 450 - 765 kg Stahl pro Minute vertrug.
Tabelle I
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<tb>
<tb> Guss <SEP> Metalltemperatur <SEP> zur <SEP> Zusammensetzung <SEP> Zusammensetzung
<tb> Wanne <SEP> Form <SEP> in <SEP> der <SEP> Giesspfanne <SEP> des <SEP> Produktes
<tb> Gew.-% <SEP> Gew.-% <SEP>
<tb> C <SEP> C <SEP> CMnPS <SEP> CMn <SEP> p <SEP> S <SEP>
<tb> A <SEP> 1588 <SEP> 1538 <SEP> 0,08 <SEP> 0,34 <SEP> 0,010 <SEP> 0,030 <SEP> 0,09 <SEP> 0,32 <SEP> 0,008 <SEP> 0,031
<tb> B <SEP> 1599 <SEP> 1557 <SEP> 0, <SEP> 09 <SEP> 0, <SEP> 42 <SEP> 0, <SEP> 009 <SEP> 0, <SEP> 025 <SEP> 0, <SEP> 09 <SEP> 0, <SEP> 39 <SEP> 0, <SEP> 008 <SEP> 0, <SEP> 024 <SEP>
<tb> C <SEP> 1596 <SEP> 1560 <SEP> 0, <SEP> 12 <SEP> 0, <SEP> 33 <SEP> 0, <SEP> 008 <SEP> - <SEP> 0, <SEP> 08 <SEP> 0, <SEP> 33 <SEP> 0, <SEP> 007 <SEP> 0, <SEP> 029 <SEP>
<tb> D <SEP> 1604 <SEP> 1571 <SEP> 0, <SEP> 10 <SEP> 0, <SEP> 37 <SEP> 0, <SEP> 010 <SEP> 0, <SEP> 031 <SEP> 0,
<SEP> 08 <SEP> 0, <SEP> 34 <SEP> 0, <SEP> 009 <SEP> 0, <SEP> 031 <SEP>
<tb> E <SEP> 1582 <SEP> 1543 <SEP> 0, <SEP> 06 <SEP> 0, <SEP> 37 <SEP> 0, <SEP> 006 <SEP> 0. <SEP> 027 <SEP> 0, <SEP> 10 <SEP> 0, <SEP> 37 <SEP> 0, <SEP> 008 <SEP> 0, <SEP> 028 <SEP>
<tb> IF <SEP> 1574 <SEP> 1549 <SEP> 0,09 <SEP> 0,42 <SEP> 0,008 <SEP> 0,040 <SEP> 0,09 <SEP> 0,40 <SEP> 0,012 <SEP> 0,041
<tb>
Wie aus der Tabelle zu ersehen ist, lag der Temperaturabfall in der Wanne in jedem Fall unter 40oC.
Überdies betrug der manganveriust niemals mehr als 0, 030/0 und der Kohlenstoffverlust nicht mehr als 0, 04%.
Beispiel 3: Mit der gleichen Vorrichtung wie beim Beispiel 2 wurde desoxydierter Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt in eine Plattenform (Querschnitt 609, 6. 165, 1 mm) gegossen. Zur Regelung der Temperatur in der Wanne wurde auch hier Sauerstoff benutzt. Bei einigen Güssen wurde für die Desoxydation Aluminium in einer Durchschnittsmenge von ungefähr 1, 125 kg pro Tonne verwendet, wobei das Aluminium zum Teil in der Giesspfanne und zum Teil in der Form zugesetzt wurde. Bei einem Guss wurde die Desoxydation durch Zusetzen von 1, 75% Si in der Giesspfanne bewirkt.
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Tabelle II
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<tb>
<tb> Stahl <SEP> Metalltemperatur <SEP> Giesspfanne <SEP> - <SEP> Analyse <SEP> Analyse <SEP> des <SEP> Produktes
<tb> desoxydiert <SEP> zur <SEP> Gew. <SEP> Gew. <SEP>
<tb> mit <SEP> Wanne <SEP> Form
<tb> C <SEP> C <SEP> C <SEP> Mn <SEP> P <SEP> S <SEP> Si <SEP> C <SEP> Mn <SEP> P <SEP> S <SEP> Si <SEP> AI
<tb> Aluminium <SEP> 1593 <SEP> -- <SEP> 0,07 <SEP> 0,35 <SEP> 0,008 <SEP> 0,055 <SEP> 0,002 <SEP> 0,06 <SEP> 0,35 <SEP> 0,007 <SEP> 0,058 <SEP> 0,002 <SEP> 0,004
<tb> 1610 <SEP> 1574 <SEP> 0,08 <SEP> 0,39 <SEP> 0,008 <SEP> 0,039 <SEP> 0,02 <SEP> 0,07 <SEP> 0,3 <SEP> 0,007 <SEP> 0,038 <SEP> - <SEP> 0,012
<tb> 1599 <SEP> 1560 <SEP> 0,09 <SEP> 0,45 <SEP> 0,010 <SEP> 0,029 <SEP> 0,02 <SEP> 0,07 <SEP> 0,43 <SEP> 0,012 <SEP> 0,029 <SEP> - <SEP> 0,033
<tb> Silizium <SEP> 1638 <SEP> 1577 <SEP> 0,07 <SEP> 0,27 <SEP> 0,010 <SEP> 0,036 <SEP> 1,76 <SEP> 0,
06 <SEP> 0,27 <SEP> 0,012 <SEP> 0,038 <SEP> 1,70
<tb>
Tabelle III
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<tb>
<tb> In <SEP> der <SEP> Metalltemperatur <SEP> Giesspfanne-Analyse <SEP> Analyse <SEP> des <SEP> Produktes
<tb> Giesspfanne <SEP> zur <SEP> Gew.-% <SEP> Gew.-%
<tb> desoxydiert <SEP> Wanne <SEP> Form
<tb> mit <SEP> C <SEP> C <SEP> C <SEP> Mn <SEP> P <SEP> S <SEP> Si <SEP> C <SEP> Mn <SEP> P <SEP> S <SEP> Si
<tb> Al <SEP> 1626 <SEP> 1571 <SEP> 0, <SEP> 07 <SEP> 0, <SEP> 42 <SEP> 0, <SEP> 011 <SEP> 0, <SEP> 036 <SEP> - <SEP> 0, <SEP> 07 <SEP> 0, <SEP> 38 <SEP> 0, <SEP> 011 <SEP> 0, <SEP> 035 <SEP> - <SEP>
<tb> FeSi <SEP> 1599 <SEP> 1571 <SEP> 0, <SEP> 08 <SEP> 0, <SEP> 33 <SEP> 0, <SEP> 011 <SEP> 0, <SEP> 040 <SEP> 0, <SEP> 05 <SEP> 0, <SEP> 05 <SEP> 0, <SEP> 36 <SEP> 0, <SEP> 012 <SEP> 0, <SEP> 042 <SEP> 0, <SEP> 05 <SEP>
<tb> FeSi <SEP> 1599 <SEP> 1554 <SEP> 0, <SEP> 08 <SEP> 0,
<SEP> 38 <SEP> 0, <SEP> 012 <SEP> 0, <SEP> 036 <SEP> 0, <SEP> 07 <SEP> 0, <SEP> 08 <SEP> 0, <SEP> 37 <SEP> 0, <SEP> 011 <SEP> 0, <SEP> 030 <SEP> 0, <SEP> 07 <SEP>
<tb> FeSi <SEP> 1579 <SEP> 1549 <SEP> 0, <SEP> 09 <SEP> 0, <SEP> 40 <SEP> 0, <SEP> 007 <SEP> 0, <SEP> 027 <SEP> 0, <SEP> 07 <SEP> 0, <SEP> 08 <SEP> 0, <SEP> 39 <SEP> 0, <SEP> 007 <SEP> 0, <SEP> 027 <SEP> 0, <SEP> 06 <SEP>
<tb>
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Aus der Tabelle II geht hervor, dass durch Verwendung von Sauerstoff und Gasheizung die Temperatur des durch den Wannenauslass fliessenden geschmolzenen Metalles leicht oberhalb des kritischen Wertes gehalten werden kann. Überdies war die Veränderung des Mangan- und Kohlenstoffgehaltes praktisch unbedeutend.
Beispiel 4 : Unter Verwendung derselben Ausstattung und des in den Beispielen 2 und 3 beschriebenen Sauerstoff Verfahrens, wurden ferner mehrere Güsse mit halbdesoxydiertem Stahl durchgeführt. In einem Falle wurde mir Aluminium nur in der Giesspfanne desoxydiert, wahrend bei den andern Güssen in der Giesspfanne mit Ferrosilizium und dann in der Form mit Aluminium desoxydiert wurde. In der Tabelle III sind die Temperaturen und die Analysedaten zusammengestellt.
Die Temperaturregelung war durchaus wirksam, und der endgültige Siliziumgehalt lag in demselben Bereich wie bei den in der üblichen Weise gegossenen halbdesoxydierten Stählen. Der Kohlenstoff- und Manganverlust bewegte sich in zulässigen Grenzen. Es konnte ferner festgestellt werden, dass sich der Siliziumgehalt des Endproduktes gegenüber dem Siliziumgehalt des Metalles in der Giesspfanne nur wenig verändert hatte.
Beispiel 5 : Ein nicht vollständig desoxydierter Stahl wurde mit Hilfe der in der Zeichnung dargestellten Wanne und unter Verwendung von handelsüblichem hochgereinigtem Sauerstoff vergossen, wobei die Brennerflammen abgestellt waren. Bei einer Giessgeschwindigkeit von 450 bis 765 kg Stahl pro Minute und einer Zuführungsgeschwindigkeit für den Sauerstoff von ungefähr 1, 7 m3 pro Minute verlief der Durchgang durch die Wanne vollkommen zufriedenstellend und die Temperatur zwischen Eintritt und Austritt aus der Wanne sank von ungefähr 15900C auf ungefähr 1545 C. Die Analyse des Metalls in der Gusspfanue ergab annähernd 0, 1% C, 0, 37% Mn, 0, 01% P und 0, 03% S. Das Endprodukt enthielt annähernd 0, 08% C, 0, 34% Mn, 0, 009% P und 0, 03% S.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Giessen von Stählen mit Kohlenstoffgehalten bis zu 0, 5%, bei dem der geschmolzene Stahl durch eine unmittelbar vor der Giessform angeordnete, zweckmässig oben gedeckte Wanne geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze während des Durchfliessens der Wanne durch Einführung von Sauerstoff oder eines hoch sauerstoffhaltigen Gases oberhalb des Metallspiegels auf der erforderlichen Giesstemperatur gehalten wird, wobei der Kohlenstoff-und Mangangehalt des Stahles auf dem Weg durch die Wanne nur unwesentlich abnehmen darf.