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Verfahren zum Frischen von Roheisen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Frischen von Roheisen durch Aufblasen von praktisch reinem Sauerstoff, welcher den notwendigen Kalk in Pulverform trägt.
Bekanntlich gestatten metallurgische Verfahren, bei welchen praktisch reiner Sauerstoff mit Hilfe von Düsen verschiedener Form auf das flüssige Metallbad geblasen wird, das Frischen von Roheisen zu Stahl. Falls der Phosphorgehalt des Ausgangsroheisens einen gewissen Wert von grössenordnungsmässig 0, 250/0 nicht übersteigt, ist es möglich, einen sehr geringen Phosphorgehalt im fertigen Stahl zu erhalten, so dass der Stahl Eigenschaften aufweist, welche jenen des Martinstahles gleichen.
Die Ausbeutung gewisser bedeutender Erzvorkommen von phosphorhaltigem Eisen führt jedoch zur Erzeugung von Roheisen, dessen Phosphorgehalt die obige Grenze von 0, 250/0 reichlich überschreitet. So liefert insbesondere das Eisenerz des Lothringer Beckens ein sogenanntes Thomasroheisen, dessen Phosphorgehalt etwa e beträgt.
Bekanntlich stösst man bei Anwendung der eingangs genannten Verfahren zur Stahlherstellung, ausgehend von Roheisen mit mehr als 0, 25% Phosphor, insofern auf Schwierigkeiten, als es dann nicht mehr möglich ist, in gleichmässiger Weise den niedrigen Gehalt an Phosphor und an gelöstem Sauerstoff zu erhalten, welcher zur Erzielung einer mit der Qualität des Martinstahles vergleichbaren Qualität erforderlich ist. Dies rührt von den schlechten Berührungsbedingungen zwischen dem Kalk und dem Metallbad her, wodurch die Entphosphorung noch nicht beendet ist, wenn der gewünschte Kohlenstoffgehalt in dem Metall erreicht ist. Diese Entphosphorung kann dann nur, und auch dies nur schwer, auf Kosten einer hohen Oxydation der Schlacke und des Metalles fortgesetzt werden.
Unabhängig von dem benutzten Frischverfahren erfordert nämlich bekanntlich das Frischen von phosphorhaltigem Roheisen eine bedeutende Menge Kalk zur Fixierung des Phosphors in der Schlacke. So be-
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erforderliche Kalkmenge 4600 kg beträgt, was ein sehr bedeutendes Volumen an Substanz darstellt.
Es ist ferner bekannt, dass sich das Frischen von Roheisen mittels einer praktisch reinen Sauerstoff auf das Bad blasenden Düse in metallurgischer Hinsicht erheblich von dem üblichen Frischen von Roheisen in einem basischen Konverter unterscheidet.
Bei dem Frischen von Roheisen in einem basischen Konverter mit Windeinblasung durch den Boden wird eine grosse Stickstoffmenge - etwa das Vierfache der Sauerstoffmenge - durch die zahlreichen Löcher des Bodens in das Bad eingeführt, wobei sich der Stickstoff infolge seiner Erwärmung ausdehnt, und dabei eine erhebliche Durchwirbelung bewirkt, welche erheblich kräftiger als die von der Entkohlungsreaktion herrührende ist. Hieraus ergibt sich, dass der zu Beginn des Vorganges zugesetzte Kalk trotz seines bedeutenden Volumens während des ganzen Frischens in dem Metallbad kräftig durchgewirbelt wird, was sehr günstige Berührung-un Reaktionsbedingungen mit dem Metall ergibt.
Beim Frischen mittels einer praktisch reinen Sauerstoff auf die Oberfläche eines Roheisenbades blasenden Düse sind dagegen die Durchwirbelungsbedingungen und somit die Bedingungen für die Reaktion des Kalks erheblich weniger günstig, weil die Durchwirbelung praktisch nur von der bei der Verbrennung des Kohlenstoffes entstehenden Kohlensäure herrührt, und hauptsächlich nur in den oberen Schichten erfolgt. Diese Durchwirbelung ergibt daher ungenügende Berührungs- bzw. Reaktionsbedingungen zwischen dem
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zum Frischen erforderlichen Kalk und dem Metallbad.
Wenn die Verbrennung des Kohlenstoffes aufhört, ist überhaupt keine Durchwirbelung mehr vorhan- den, so dass dann die Entphosphorung des Metalles nur auf Kosten einer infolge der zu stark lokalisierten
Sauerstoffzufuhr übermässigen Oxydation der Schlacke und des Stahles fortgesetzt werden kann.
Bekanntlich können zwar die Berührungsbedingungen durch Verringerung der Korngrösse des Kalks, z. B. durch Benutzung von gemahlenem Kalk verbessert werden.
Beim Frischen von Roheisen mit beliebigem Phosphorgehalt treten jedoch die gleichen Nachteile wieder in Erscheinung, welche von dem ungenügenden Eindringen des Strahles durch die Schlackenschicht in das Bad sowie infolge des Vorhandenseins von zusammengebackenem Kalk herrühren, der infolge unge- nügender Durchwirbelung schlecht verarbeitet wird, wobei ausserdem die örtliche Bildung von Eisenoxyd zu einer heftigen Schaumbildung führt, was Zeit-, Wärme-und Metallverluste zur Folge hat.
Es wurde nun gefunden, dass man diese Nachteile beim Frischen von Roheisen durch Aufblasen von praktisch reinem Sauerstoff, welcher den notwendigen Kalk in Pulverform trägt, wobei der Sauerstoff- strahl tief in das Metallbad eindringt und gleichzeitig sowohl die Entkohlung als auch die Entphosphorung bewirkt, vermeiden kann, wenn der mit Kalkstaub beladene Sauerstoffstrahl mittels einer Lanze gleich- mässigen Innendurchmessers auf das Roheisenbad aufgeblasen wird, wobei die Blasbedingungen derart ge- wählt werden,
dass die Gesamtblasenergie des Strahles zu mindestens 30% yin einem Umkreis gleich der
Lanzenöffnung um die Lanzenachse konzentriert ist und in diesem Umkreis auf die ruhend gedachte Bade- oberfläche in einem Abstand der Lanze gleich mindestens dem 8fachen Lanzeninnendurchmesser ein Druck von mindestens 1 kg/cm2 ausgeübt wird.
Die Blasbedingungen werden vorzugsweise derart gewählt, dass bei einer Austrittsgeschwindigkeit des Sauerstoffstrahles aus der Lanzenspitze von mindestens 150 m/sec dieKalkteilchengeschwindigkeit minde- stens das 0, 4fache der Sauerstoffgeschwindigkeit beträgt.
Zweckmässig beträgt die Konzentration des dem Blasstrahl zugeschlagenen Kalks zwischen 0, 4 und
8 kg je Nm3 Gas.
Dem pulverförmigen Kalk kann ein veränderlicher Anteil an Kalkstein zugesetzt werden, wodurch Bildung einer Schlacke mit niedrigem Schmelzpunkt erreicht wird.
Durch die erfindungsgemässen Massnahmen werden die Berührungs- und Reaktionsbedingungen zwischen dem Kalk, dem Sauerstoff und dem Bad äusserst günstig. Der erfindungsgemäss aufgeblasene Strahl aus Sauerstoff und feinverteilte Kalk hat eine Gesamtbewegungsgrösse, welche erheblich grösser ist als die Bewegungsgrösse des in dem gleichen Strahl enthaltenen Sauerstoffes allein.
Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren wird es dadurch möglich, in einem Konverter oder einem entsprechenden Behälter Roheisen mit einem beliebigen Phosphorgehalt zu frischen und in dem Stahl in systematischer, einfacher und wirtschaftlicher Weise einen genügend niedrigen, einem Qualitätsstahl entsprechenden Phosphorgehalt zu gewährleisten. Bei den bekannten Verfahren war nämlich, sobald der Phosphorgehalt in dem Roheisen eine gewisse, übrigens ziemlich niedrige Grenze von z. B. grössenordnungsmässig 0, go überstieg, der Phosphorgehalt des Metalles häufig zu hoch, wenn der gewünschte Kohlenstoffgehalt in dem Stahl erreicht wurde, selbst im günstigsten Fall der Erzeugung von Stahl mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt, z. B. besonders weichem Stahl.
Die Verlängerung des Aufblasens bei diesen niedrigen Kohlenstoffgehalten ermöglichte infolge der ungenügenden Durchwirbelung durch den Strahl, selbst wenn dieser eine hohe kinetische Energie hatte, keine merkliche Senkung des Phosphorgehaltes des Metalles trotz einer erheblichen Anreicherung der Schlacke an Eisenoxyd. Man konnte daher trotz dieser Anreicherung der Schlacke an Eisenoxyd, welche sowohl für die Qualität des Stahles als auch für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens schädlich ist, keinen niedrigen Phosphorgehalt in dem schliesslich erhaltenen Stahl erzielen.
Das erfindungsgemässeverfahren ermöglicht auch in einfacher und wirtschaftlicher Weise das Frischen von Roheisen, welches einen über 0, 51o liegenden Siliziumgehalt und gleichzeitig einen hohen Phosphorgehalt aufweist.
Bei gewissen bekannten Verfahren musste sogar infolge der Neigung zur Bildung von Spritzen und der gefährlichen Bildung von bedeutenden Mengen Eisenoxyd infolge des mangelhaften Eindringens des Sauerstoffstrahles ein zusätzlicher Vorgang eingeschaltet werden, welcher im wesentlichen in der vorherigen Ausscheidung des Siliziums aus dem Roheisen bestand. So erfordert z. B. bei Thomasroheisen das Frischen mit reinem Sauerstoff im Drehofen diese Vorbehandlung, sobald der Siliziumgehalt des Roheisens 0, 5% übersteigt.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird dagegen die von dem Silizium des Roheisens herrührende Neigung zu Spritzen dadurch verhindert, dass im gewünschten Augenblick die Konzentration des feinver-
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teilten Kalks im Sauerstoff erhöht wird, wobei diese Erhöhung entsprechend dem Siliziumgehalt des zu behandelnden Roheisens geleitet und geregelt wird und durch das starke Eindringvermögen des Blasstrahles die örtliche Bildung von Eisenoxyd verhindert sowie die Neutralisierung der Kieselerde"in situ"im Augen- blick ihrer Bildung bewirkt wird.
Ebenso können infolge der Spritzergefahr bei den bekannten Verfahren zum Frischen mittels des Sauerstoffblasrohres schwer Zusätze benutzt werden, z. B. Erze mit einem erheblichen Kieselerdegehalt, während das erfindungsgemässe Verfahren ohne weiteres die Benutzung derartiger Zusätze gestattet.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wirkt infolge des starken Eindringvermögens des Strahles die
Badoberfläche nicht als Reflektor für den Sauerstoff oder die Kalkteilchen, wodurch ein Heraustreiben von
Roheisentröpfchen aus dem Behälter verhindert und die Wirksamkeit des Sauerstoffes selbst bei grossen
Strömungsmengen und bei Blasrohren, deren Mündung weit von der Oberfläche entfernt ist, verbessert wird.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schaubildliche Ansicht eines homogenen Strömungsmittelstrahles. Fig. 2 zeigt für einen Gasstrahl die Verteilung der Bewegungsgrösse in der Zeiteinheit in einer durch die Achse des Strö- mungsmittelstrahles gehenden Ebene. Fig. 3 zeigt die Verteilung der Bewegungsgrösse in der Zeiteinheit bei einem Strahl, welcher pulverförmige Stoffe enthält, die eine geringe Geschwindigkeit haben. Fig. 4 zeigt die erfindungsgemässe Verteilung der Bewegungsgrösse in der Zeiteinheit in einer durch die Achse des Strömungsmittelstrahles gehenden Ebene bei einem Strahl aus in einem Gas suspendierten pulver- förmigen Stoffen. Fig. 5 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsge- mässen Verfahrens.
Fig. 6 zeigt die Kurve des Verlaufes des Kohlenstoffgehaltes und des Phosphorgehaltes des Bades während einer erfindungsgemässen Frischbehandlung.
In der schaubildlichen Ansicht der Fig. 1 ist die Gerade 1 die Achse des Strahles, die Ebene 2 die theoretische Oberfläche des flüssigen Bades, die Fläche 3 stellt den Austrittsquerschnitt des Strahles dar, 4 ist ein den Strahl selbst darstellender Kegelstumpf, und 5 ist die Kurve des Schnittes des Kegelstumpfes mit der Ebene des Metallbades. Die Kurve 6 ist der Schnitt der theoretischen Badoberfläche mit dem Zylinder, dessen Basis die Austrittsöffnung des Strahles ist, und dessen Erzeugende parallel zu der Strahlachse liegt, und 7 ist die innerhalb dieser Kurve liegende Fläche.
Auf Fig. 2 sind als Abszissen von der Strahlachse aus die Abstände der betrachteten Punkte aufge- tragen. Die jeder Abszisse entsprechende Ordinate ist die Bewegungsgrösse in der Zeiteinheit je Flächeneinheit. Diese Grösse hat die Dimensionen eines Druckes und kann z. B. in kg/cm ausgedruckt werden.
Man erhält so die Kurve 8, welche die Verteilung der Bewegungsgrösse in der Zeiteinheit für in der theoretischen Ebene der Badoberfläche liegende Punkte darstellt.
Fig. 3 entspricht der Fig. 2, sie betrifft jedoch einen Strahl, welcher eine geringe Geschwindigkeit aufweisende, pulverförmige Stoffe enthält. Die Kurve 9 stellt die Verteilung der Bewegungsgrösse in der Zeiteinheit in der Ebene der Figur für in der theoretischen Ebene der Badoberfläche liegende Punkte dar. Der Gradient der Bewegungsgrösse in der Zeiteinheit in der Nähe der Strahlachse ist von dem des vorhergehenden Falles nur wenig verschieden.
Fig. 4 ist eine entsprechende Darstellung der Verhältnisse unter den erfindungsgemässen Bedingungen.
Die Kurve der Verteilung der Bewegungsgrösse in der Zeiteinheit ist hier bei 10 dargestellt. Der Gradient der Bewegungsgrösse in der Zeiteinheit ist hier in der Nähe der Strahlachse sehr gross. Die durch die auf Fig. 1 dargestellte Fläche 7 gehende Bewegungsgrösse in der Zeiteinheit beträgt wenigstens 3rP/o der gesamten, die Fläche 5 der gleichen Figur durchdringenden Bewegungsgrösse in der Zeiteinheit. Diese Figur zeigt in anschaulicher Weise den Vorteil des erfindungsgemässen Strahles, welcher die Durchdringung der gesamten Badhöhe durch den Sauerstoff und den Kalk gestattet, wodurch die günstigsten Berührungs-und Reaktionsbedingungen zwischen dem Roheisen und den Frischmitteln erzielt werden.
Diese überraschende Wirkung wird durch die Konzentration der Bewegungsgrösse in der Nähe der Strahlachse erhalten, welche durch den den Kalkteilchen gegebenen besonderen Impuls ermöglicht wird.
Die in Fig. 5 dargestellte Anlage enthält im wesentlichen einen Behälter 11, welcher die Form eines Konverters hat und mit einem feuerfesten basischen Futter 12 aus geteertem Dolomit versehen ist, dessen Zusammensetzung der üblicherweise in Thomasstahlwerken benutzten entspricht. Der ebenfalls aus geteertem Dolomit bestehende Boden des Behälters ist voll und enthält keine Löcher.
Die auf die Oberfläche des Bades gerichtete Düse 13 wird mittels Wasser, das durch einen mit einer Eintrittsöffnung 14 und einer Austrittsöffnung 15 versehenen Wassermantel zirkuliert, gekühlt und von einem Ausleger 16 gehalten. Ein Gerät 17 zur Ausgabe von feinverteiltem Kalk ist mit dem Konverter durch eine Leitung 18 verbunden. Dieses Gerät ist in an sich bekannter Weise so ausgebildet, dass mit ihm
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gleichmässige vorausbestimmte Mengen von Suspensionen von sehr feinen Pulvern hergestellt werden können.
Auf der Tafel 19 sind Druckmesser, Strömungsmengenmesser und verschiedene Ventile zur Regelung der Strömungsmittel vereinigt.
Bei einem mit dieser Anlage durchgeführten Versuch enthielt das Gerät 17 zur Ausgabe feinverteilter Stoffe 800 kg Kalk folgender Korngrössenzusammensetzung : 100% kleiner als 1, 5 mm, 9070 kleiner als 0,5 mm und 50% kleiner als 0, 1 mm. Dieser Kalk hatte eine Zusammensetzung von 92% CaO, 5% CO2 und HO. Der zum Frischen benutzte Sauerstoff hatte eine Reinheit von 99, 5%.
Das wassergekühlte Blasrohr 13 mit Mundstück aus Kupfer hatte einen gleichmässigenInnendurchme9- ser von 30 mm und zeigte keinerlei Einschnürungen. Die Kühlung des Blasrohres erfolgte durch einen kräftigen Wasserumlauf, welcher von einer Pumpe mit einer stündlichen Förderleistung von 10 m3 und einem Druck von 4 kg/cm2 geliefert wurde.
Zum Zeitpunkt der Einbringung des Roheisens hatte das von den vorhergehenden Einsätzen erhitzte Futter eine Temperatur von 1200 C, welche durch Anvisieren durch die Konvertermündung mittels eines mit dem Unsichtbarwerden eines Glühfadens arbeitenden optischen Pyrometers gemessen wurde. index Konverter wurden 3 tRoheisen folgender Zusammensetzung eingebracht: C = 3,55%t P = 2, 05No.
Mn = 0, 501to, Si = 0, 60%, S = 0, 073ja. Die mit einem Tauchthermoelement gemessene Temperatur des Roheisens betrug nach dem Einbringen in den Konverter 11800C.
Vor dem Aufrichten des Konverters erfolgte kein Kalkzusatz zu dem Bad. Nach dem Aufrichten desselben wurde der das Blasrohr tragende Ausleger verschwenkt, und das Blasrohr durch die Konvertermündung bis auf eine Entfernung von 60 cm von dem statischen Spiegel des Roheisenbades hinabgelassen.
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ersten Minuten konstant gehalten. Nach Beendigung der gefährlichen Spritzerperiode am Ende der Siliziumausscheidung konnte der Kalkzusatz verringert werden, während der nächsten vier Minuten wurde eine minütliche Menge von 12 m3 Sauerstoff aufgeblasen, wobei die minütliche Kalkmenge auf 24 kg verringert wurde, was einer Konzentration von 2 kg/m3 entspricht.
Hierauf wurde die minütliche Sauerstoffmenge auf 10 m, die minütliche Kalkmenge auf 18 kg herabgesetzt, was einer Konzentration von 1, 8 kg Kalk je m3 Sauerstoff entspricht, und diese Einstellung während fünf Minuten aufrechterhalten.
Diese drei Perioden mit einer Gesamtdauer von zwölf Minuten bildeten zusammen die erste Phase des Vorganges, während welcher aus Gründen der thermischen Regelung allmählich mittels einer nicht dargestellten, entfernbaren, durch einen Wasserumlauf gekühlten Rutsche 75 kg eines schwedischen Erzes zugesetzt wurden, Jas einen Eisengehalt von 55ja, einen Kalkgehalt von 21o und einen Kieselerdegehalt von 100/0 hatte. Nach dieser ersten Phase wurde das Blasrohr zurückgezogen, die Zufuhr von Kalk und Sauerstoff abgestellt und der Konverter zurückgekippt.
Es konnte während dieser ersten Phase festgestellt werden, dass mit Ausnahme des insbesondere dem Abgang des Siliziums aus dem Roheisen entsprechenden allerersten Beginnes des Frischens eine sehr heisse Flamme entstand, was auf eine intensive Entkohlung hindeutet. Die Analyse einer nach dieser ersten Phase entnommenen Metallprobe ergab 1, 440/0 Kohlenstoff und nur 0, 210go Phosphor, wobei die mit dem Tauchpyrometer gemessene Temperatur 16200C betrug. Diese Analyse zeigt, dass gleichzeitig eine starke Entphosphorung erfolgte. Das überwachte und geregelte Aufblasen von in Sauerstoff feinverteiltem Kalk hat somit infolge des starken Eindringvermögens die gleichzeitige Vornahme einer sehr befriedigenden Entkohlung und Entphosphorung ermöglicht.
Diese Gleichzeitigkeit war übrigens die Ursache eines niedrigen Eisenoxydgehaltes in der Schlacke von nur 5, 21o, was den ruhigen Ablauf des Endes dieser Phase ermöglichte.
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31%,schwefelung mit einem Relativwert von 75%.
Hierauf wurde die flüssige Schlacke zum grossen Teil durch Abschlacken entfernt, wobei angenommen werden kann, dass die Menge der entfernten Schlacke etwa 2/3 der gesamten, in dem Konverter enthaltenen Schlacke entspricht. Hierauf wurde der Konverter aufgerichtet, das Blasrohr wurde wieder in die Betriebsstellung zurückgebracht und dem Bad bis auf 50 cm genähert, d. h. der Abstand von dem Bad war um 10 cm kleiner als bei der Einstellung der vorhergehenden Phase.
Das Aufblasen wurde dann während dieser zweiten Phase während sechs Minuten mit einer minütlichen Sauerstoffmenge von 10 m3 und einer minütlichen Kalkmenge von 20 kg, d. h. mit einer Konzentration von 2 kg Kalk je m3 Sauerstoff, wieder aufgenommen. Während dieser Periode wurden aus Gründen der thermischen Regelung allmählich 75 kg Erz gleichen Ursprunges und auf die gleiche Weise wie
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vorher zugesetzt. Bis zu diesem Zeitpunkt waren 440 kg Kalk verbraucht worden, was für das Frischen des eingebrachten Roheisens ausreichend war. Die Zufuhr von Sauerstoff und Kalk wurde abgestellt, das Blasrohr wurde herausgezogen und der Konverter wurde zurückgekippt.
Hiebei zeigte sich, dass der Boden des Konverters in der Verlängerung der Strahlachse eine leichte Aushöhlung aufwies, welche von der Erosionswirkung der Kalkteilchen herrührt, welche durch das Bad hindurch gegangen waren. Der Abstand von 60 cm zwischen dem Ende des Blasrohres und dem Bad war somit klein und konnte vergrössert werden.
Die mit dem Tauchpyrometer gemessene Endtemperatur betrug 1610OC. Die erhaltene Probe hatte
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Fig. 6 zeigt schematisch den chemischen Verlauf des obigen Vorganges. Die Ausgangszusammensetzung ist bei I angegeben. Am Ende der ersten Phase gibt der Punkt 11 den Kohlenstoffgehalt und den Phosphorgehalt an, während der schliessliche Gehalt an Kohlenstoff und Phosphor bei III dargestellt ist.
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Der überraschend niedrige Stickstoffgehalt ist charakteristisch für das erfindungsgemässe Verfahren, wobei zu bemerken ist, dass dieser Gehalt erheblich kleiner ist als der in Martinöfen erzielte.
Infolge des sehr niedrigen Stickstoff-, Phosphor- und Schwefelgehaltes kann das gewonnene Metall in die Klasse der hochwertigen Stähle eingeordnet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Frischen von Roheisen durch Aufblasen von praktisch reinem Sauerstoff, welcher den notwendigen Kalk in Pulverform trägt, wobei der Sauerstoffstrahl tief in das Metallbad eindringt und gleichzeitig sowohl die Entkohlung als auch die Entphosphorung bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Kalkstaub beladene Sauerstoffstrahl mittels einer Lanze gleichmässigen Innendurchmessers auf das Roheisenbad aufgeblasen wird, wobei die Blasbedingungen derart gewählt werden, dass die Gesamtblasenergie des Strahles zu mindestens 301o in einem Umkreis gleich der Lanzenöffnung um die Lanzenachse konzentriert ist und in diesem Umkreis auf die ruhend gedachte Badoberfläche in einem Abstand der Lanze gleich mindestens dem 8fachen Lanzeninnendurchmesser ein Druck von mindestens 1 kg/cm2 ausgeübt wird.