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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten Reduktion von Metallen aus deren pulverförmiges Oxyden, welche mittels eines Gasstromes dem flüssigen Metall in einem Konverter zugeführt werden, der mit
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ein Temperaturgradient zwischen dem Inhalt der Zone und jenem des Konvertergefässes hergestellt werden kann.
Ein solches z. B. aus der deutschen Offenlegungsschrift 2306953 bekanntes Verfahren ist in der Fach-
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des flüssigen Metalls eingeführt werden, ergeben somit grössere Reaktionsflächen im Vergleich mit Verfahren, bei denen das einzuführende Agens von oben auf die Schmelze aufgebracht wird.
Die Emulsionsmetallurgie kann zur Reduktion von Metalloxydpulvern eingesetzt werden, z. B. zur Re- duktion von Eisenoxydpulver bei der Herstellung von Roheisen oder Stahl und/oder zur Entkohlung. Eines der Hauptprobleme ist dabei jedoch die Steuerung der Temperatur des flüssigen Metalls, da das Einblasen des Metalloxydpulvers mit einem Gasstrom und die Reaktionen zwischen dem Oxyd und dem Reduktionsmittel,
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Metallperaturrückgang bewirken.
Dieser Wärmebedarf muss somit gedeckt werden, was günstigerweise durch Induktionserhitzungbewerkstelligt werden kann, die die Energie wirksamer ausnutzen kann als eine Lichtbogenbeheizung. Die Induktion-
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der Auskleidung bewirkt jedoch das Schwinden des elektrischenNutzeffektes.
Es haben sich deshalb Konverteranordnungen bewährt, bei denen mindestens eine Induktionsheizrinne angeordnet ist, die einen Kanal aufweist, dessen beide Miindungen unterhalb der Oberfläche des flüssigen Metalls im Betriebszustand des Konverters munden, wobei deren Erhitzungszone eine feuerfeste Auskleidung aufweist, die erheblich dünner ist als jene des Konvertergefässes selbst. Diese dunne Auskleidung der
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undInduktionserhitzung in einem Ausmass erhitzt werden kann, dass ein Temperaturgradient zwischen dem Inhalt der Zone und jenem des Konvertergefässes hergestellt werden kann.
Die genauen Dimensionen dieser Erhitzungszone sind nicht kritisch, es genügt, wenn ein relativ kleiner Teil des gesamten flüssigen Metalls in dieser Erhitzungszone Platz findet, so dass er auf eine Temperatur aufgeheizt werden kann, die genügend hoch über jener der Gesamtmenge des flüssigen Metalls liegt, wodurch sich von selbst eine Umlaufströmung und damit eine Aufheizung der gesamten Metallmenge erreichen lässt.
In der oben angeführten deutschen Offenlegungsschrift 2 306 953 ist dieses Prinzip verwirklicht und es
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triebes standzuhalten. Uber der Oberfläche des geschmolzenen Metalls im Gefäss sollgenügend Raum sein, um das Schäumen und Spritzen von Schlacke und Metall während des Betriebes zu gestatten.
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erzkonzentrate mit Kohlenstoff zu Roheisen undloder Stahl verwendet werden. Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch bei der Herstellung von Edelstahl verwendet werden, wobei das Oxyd nicht unbedingt Eisenoxyd sein muss, sondern vorteilhaft zumindest teilweise aus andern Metalloxyde besteht, die durch Kohlenstoff im flüssigen Metall reduziert werden können, wobei die betreffenden Metalle den Zweck haben, als Legierungselemente in den herzustellenden Stahl eingeführt zu werden.
Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, eine Technik bei der Emulsionsmetallurgieverarbeitung herbeizu-
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tallurgie gewisser anderer Metalle.
Es ist auch ein wichtiges Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, bei welchem billigste Rohmate- rialien immer zur Herstellung von Edelstahl oder zur Herstellung von sehr reinen Stählen verwendet werden können, die nach dem Stand der Technik nach dem sauren Siemens-Martin Verfahren oder durch Elektro- schlackenumschmelzung hergestellt wurden.
Ein weiteres Ziel ist es, eine Technik zu schaffen, die besonders geeignet ist für Betriebe, die auf die
Herstellung metallurgischer Qualitätsprodukte spezialisiert sind. Beispielsweise kann das erfindungsgemässe Verfahren vorteilhaft auf die Herstellung von Werkzeugstählen, Schnellarbeitsstählen, martensitischen Chromstählen, Kugellagerstählen, Nickelstählen für kryogenische Zwecke und Siliciumstählen für elektrische
Zwecke, usw. abgestellt werden.
Es ist sogar möglich, alle Vorteile des erfindungsgemässenVerfahrens in allen Stufen bei der Herstellung von nichtrostenden Stählen von der Reduktion von Eisenerz und Chrom angefangen, bis zur Endentkohlung der nichtrostenden Stahlschmelze zu nützen.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann jedoch auch mit andern, an sich bekannten Behandlungsverfahren als mit der Reduktion von Metalloxyde kombiniert werden, im Konverter oder in andern Verarbeitungsge- fässen. Im letzteren Fall heisst das, dass das erfindungsgemässe Verfahren eine Stufe in einem Duplex- oder mehrstufigen Reduktionsverfahren darstellen kann.
In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Konverter, der zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet wird. Fig. 2 zeigt einen Schnitt II-II durch denselben Konverter.
Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Herstellung von nichtlegiertem Stahl nach dem erfindungsgemässen Verfahren veranschaulicht. Fig. 4 ist ein Diagramm, das schematisch die Herstellung von chromhältigem Werkzeugstahl veranschaulicht, und Fig. 5 ist ein Diagramm, das schematisch die Herstellung von Chrom und Wolfram enthaltendem niedriglegiertem Werkzeugstahl veranschaulicht.
Die Erfindung wird nun an Hand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.
Der allgemein mit --1-- bezeichnete Konverter hat Seitenwände --6-- mit einem geneigten Bodenteil - und gegenüber dem Bodenteil --7a-- geneigte Bodenteile --7b und 7c--. Der Konverter selbst besteht aus einem Stahlgehäuse --2--, welches an der Innenseite mit einer feuerfesten Auskleidung --3-- versehen ist. Die Dicke der Auskleidung --3-- genügt, um der Beanspruchung während des Betriebes der Vorrichtung standzuhalten. Achsschenkel --4-- sind in nicht dargestellten Lagern angeordnet, so dass der Konverter um eine durch die Achsschenkel --4-- verlaufende Achse gekippt werden kann.
Ein Schmelzkanal --8-- ist am unteren Ende des abfallenden Bodenteiles --7a-- vorgesehen, wo die feuerfeste Auskleidung entfernt worden ist, wodurch eine leicht konische Ausnehmung --5-- im Bodenteil - entsteht. Der Kanal --8-- bildet eine Schleife zwischen zwei Öffnungen in den Hauptteil des Konver- ters im Bereich der Ausnehmung --5--.
Die Öffnungen sind auf demselben Niveau in der Ausnehmung --5--. Der Kanal --8-- wird umgeben von Induktionswicklungen-12-zur Erhitzung des Inhalts des Kanals --8--. Der Kanal besitzt eine feuerfeste
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det senkrecht zum abfallenden Bodenteil --7b-- und ist auf den gegenüberliegenden Bodenteil-7a-- gerichtet, wo die Ausnehmung --5-- vorgesehen ist. Das Gefäss --1-- besitzt einen freien Raum --18-- über der Oberfläche des flüssigen Metalls, um jenes Spritzen und Schäumen zu gewährleisten, das während der Durchführung der metallurgischen Reaktionen unvermeidlich ist. Nach der in den Zeichnungen dargestellten Aus-
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während des Betriebes entspricht.
Ein Abstichloch --15-- ist in der Konverterwand über der zu erwartenden Schlackenlinie und auf derselben Seite des Konverters wie Schlinge --8-- vorgesehen. Dieses Abstichloch kann während des Betriebes des Konverters mit einem Schieber --16-- geschlossen gehalten sein. Im oberen Teil des Konverters ist ein Einfiilloch --17-- vorgesehen.
Ein nicht dargestellter Pulververteiler fluidisiert das in den Konverter einzuführende Metalloxydpulver, und eine Pulversuspension wird dann vom Trägergas und vom fluidisierendenGas zur Düse --14-- gebracht.
Hiebei kann das fluidisierende Gas von derselben Art wie das Trägergas sein, oder es kann ein anderes Gas sein. Es ist auch möglich, Verteiler zu verwenden, bei welchen das gesamte Trägergas zur Fluidisierung des Metalloxydpulvers verwendet wird.
Obwohl die oben beschriebene Vorrichtung eine einzige Schmelzschlinge besitzt, ist es möglich, einen Konverter mit mehr als einer Schlinge der Art, wie sie in Fig. l und 2 abgebildet ist, auszustatten. Ausser-
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zwei Kanalenden an der Konverterwand befinden, es kann eine einzige Induktionserhitzungszone sein mit einer einzigen Öffnung an der Konverterwand.
Es ist auch möglich, mehr als eine Düse in der Wand oder am Boden des Konverters vorzusehen zusammen mit einem oder mehreren Kanälen, die zweckmässig gegenüber der Düse angebracht sind, wobei mindestens eine Düse auf jeden der Kanäle gerichtet ist, die in der Konverterwand oder im Boden enden. Gewöhnlich bleibt die Heizschlinge --8-- gefüllt mit flüssigem Metall, das zwischen den Betriebsphasen in flüssigem Zustand erhalten wird, d. h. die Schlinge wird nicht entleert, wenn das flüssige Metall im Konverter durch das Abstichloch --15-- abgestochen wird.
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Verfahrens ist der folgende.lungen --12-- entsprechend eingestellt wird.
Sobald die gewünschte Temperatur erreicht ist, wird die Metalloxydpulversuspension durch die Düse --14-- eingespritzt. Zuerst wird die Suspension jedoch in einem Pulververteiler vorbereitet und durch eine Leitung der Düse --14-- zugeführt.
Die Düse --14-- zielt auf den gegenüberliegenden Bodenteil, wo die Schmelzschlinge --8-- liegt. Dies zusammen mit einer angemessenen Einspritzgeschwindigkeit der festen Oxydteilchen ermöglicht einen schnellen Austausch des heisseren Metalls in der Ausnehmung --5--, d. h. in dem Gebiet ausserhalb der Ka-
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voll durch kälteres Metall aus andern Teilen der Masse des flüssigen Metalls im Konverter --1-- ersetzt, was den Wàrmeaustausch zwischen dem Kanal --8 -- und der Masse des fHissigenMetaUs 1m Konverter-l- verbessert.
Ausserdem wird das durch die Düse --14-- injizierte Metalloxydpulver zusammen mit dem heissen Metall aus dem Erhitzungskanal --8-- rasch in der gesamten Menge des flüssigen Metalls im Konverter verteilt, was für die Kinetik des erwunschten Reduktionsverfahrens wichtig ist und es ermöglicht, dass das Reduktionsverfahren durch eine Reaktion zwischen dem Metalloxyd und einem Reduktionsmittel in allen Teilen des Gefässes bei angemessener Temperatur erfolgt.
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Vor dem Abstich kann das flüssige Metall auch durch eine Vakuumbehandlung gefrischt werden, u. zw. gleichzeitig mit der Injizierung von Metalloxydpulver durch die Düse --14--. Auch andere Behandlungen, darunter zum Stand der Technik gehörende Frischverfahren können in Betracht gezogen werden.
Die Erfindung wird nun an Hand der folgenden Beispiele näher erläutert.
1. Die Herstellung von Roheisen.
Die direkte Reduktion von Eisenerz kann nach dem erfindungsgemässenmetallurgischenVerfahrensowohl
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fahren zur Herstellung von Eisen kann in einem Konverter der in bezug auf die Fig. l und 2 beschriebenen Art durchgeführt werden.
Eine mögliche Verarbeitungsfolge ist die folgende. In den Konverter wird zuerst eine Ausgangsschmel- ze eingefüllt, vorzugsweise flüssiges Roheisen. Es kann auch flüssiger Stahl verwendet werden. Am zweck-
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-% Kohlen-stoff um einen niedrigen Liquiduspunkt zu erlangen, was eine Vorbedingung für eine niedrige Verarbeitungs- (Reduktions) temperatur ist, was wieder Vorbedingung für eine sehr geringe Auskleidungsabnutzung ist. Die Menge der Ausgangsschmelze wird durch die Ausmasse des Reaktionsgefässes bestimmt, insofern als die Aus-
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unter Benutzung jener angemessenen kinetischen Bedingungen, die das Verfahren und die Apparatur bieten können.
Danach wird die Reduktionsreaktion durch die Injizierung von pulverisiertemEisenerzkonzentrat in das flüssiges Metall im Konverter durch die Düse --14-- mittels eines Trägergases beginnen.
Von oben her kann zusätzliches Eisenerz in den Konverter in Form eines Agglomerats, z. B. in Form von Pellets, zugeführt werden. Nachfolgend wird auch Kohlenstoff dem flüssigen Metall In im wesentlichen stochiometrischenMengen zurDurchfuhrung der folgendenReduktionsreaktion im Falle, dass das Erz Hämatit ist, sukzessive hinzugefügt :
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und die Reaktion :
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für den Fall, dass das Erz Magnetit ist.
Auch Mischungen verschiedener Erze können in Betracht gezogen werden, wobei der Kohlenstoitinjenen Fällen in einem im wesentlichen stöchiometrischen Verhältnis zu den kombinierten Erzkonzentraten beigefügt wird, so dass alles Eisen in dem kombinierten Konzentrat durch Reduktion freigesetzt wird.
Kohlenstoff kann in Form eines festen Kohlematerial beigefügt werden, wie z. B. Graphit, Kohlenprodukte (Anthrazit und Holzkohle) und Koks, aber auch in Form von brennbaren kohlenstoffreichen Verbindungen, wie z. B. Brennöl und gasförmige Kohlenwasserstoffe.
Zweckmässig wird er jedoch in Form von Kohle beigefügt und vorzugsweise Kohle in Form von Koks. Die Kohle kann von oben zugeführt werden. Es ist auch möglich, sie durch eine oder mehrere nicht dargestellte separate Düsen in die Schmelze einzuführen. Zweckmässig wird jedoch eine Mischung aus feinpulverisiertem Kohlenstoffmaterial im voraus vorbereitet, wobei die Mischung zumindest stöchiometrische Mengen an Koh-
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gezogen.
Der Reduktionsprozessverbraucht grosse Mengen an Wärmeenergie aus dem flüssigen Metall im Gefäss.
Daher besteht die Tendenz zu einem sehr schnellen Temperaturabfall in der Masse des flüssigen Metalls, Deshalb wird die Temperatur während des Reduktionsprozesses im wesentlichen konstant gehalten, indem
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Strom von der Düse --14-- zu allen Teilen des Gefässes gebracht wird. So kann der Reduktionsvorgang in allen Teilen der Masse des flüssigen Metalls bei der erwünschten Temperatur ablaufen.
Vorzugsweise wird die Temperatur auf einer Höhe gehalten, die gerade Mer der Liquidustemperatur des Metalls im Konverter liegt, insbesondere innerhalb eines Temperaturbereiches zwischen der Liquidustem-
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verwendet worden ist, befreit werden. Vor dem Giessen wird die Temperatur des flüssigen Metalls auf eine geeignete Giesstemperatur erhöht, indem die elektrische Energiezufuhr zu dem mit dem Erhitzungskanal - -8-- verbundenen Induktor erhöht wird.
2. Herstellung nichtlegierter Stähle.
Bei der Herstellung nichtlegierter Stähle nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird der Konverter zuerst mit einer ausreichenden Menge flüssigen Roheisens beschickt. Abwechselnd wird eine ausreichende Menge Roheisen in situ im Konverter nach den oben beschriebenen Prinzipien hergestellt. Danach wird die Temperatur des flüssigen Metalls auf etwa 15000C durch die den Kanal-8-umgebenden elektrischen Wick-
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wendet.
Sobald der gewünschte Kohlenstoffgehalt erreicht worden ist, wird Argon statt Luft als Gas verwendet und notwendige Legierungszusätze werden, gewöhnlich von oben, eingefüllt. Dabei wird Argon nur verwendet, um eine rasche Homogenisierung der Schmelze zu gewährleisten.
Während der Entkohlung wird die Temperatur auf dem gewünschten Niveau gehalten, indem die Stromzufuhr für die elektrischen Wicklungen --12-- eingestellt wird. Da die Liquidustemperatur des Metalls vom Kohlenstoffgehalt in der flüssigen Eisen-Kohlenstofflegierung abhängt, sollte die Temperatur vorzugsweise
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gestellt wird, so dass die Temperatur zwischen der Liquidustemperatur und 2000C über jener Temperatur, vorzugsweise zwischen der Liquidustemperatur und 1000C über der Liquidustemperatur bleibt.
Es ist auch möglich, die Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 zum Schmelzen von Schrott bei der Stahlproduktion zu verwenden. Wenn nach dem Schmelzen des gesamten Schrotts der Kohlenstoffgehalt zu hoch ist, so ist eine Eliminierung des Kohlenstoffüberschusses durch die Injizierung von pulverisiertem Eisenerzkonzentrat möglich in der gerade beschriebenen Art und während die Temperatur der Schmelze mittels der Induktionseinheit über der Liquidustemperatur gehalten wird.
Es wird nun ein Beispiel beschrieben werden mit Bezug auf das Diagramm in Fig. 3, das die Entkohlung von Roheisen nach dem erfindungsgemässen Verfahren veranschaulicht. Der in Fig. 1 und 2 gezeigte Konverter wurde mit etwa 4, 5 metrischen Tonnen flüssigen Roheisens beschickt. Der Raum --5-- und der Kanal - davor enthielten 800 kg flüssigen Stahl.
Das kombinierte flüssige Metall hatte die folgende annähernde Gewichtszusammensetzung : 3, 8% C, 1, 4%Si, 0, 3% Mn. Rest Eisen und allfällige Verunreinigungen. Eine Suspension von Magnetiterzkonzentrat (Fe304) in Luft wurde durch die Düse --14-- eingespritzt. Eine Gesamtmenge von etwa 1000 kg Fea04 Konzentrat wurde eingeführt und im flüssigen Roheisen im Konverter emulgiert.
Im Diagramm in Fig. 3 zeigt Kurve --1-- das angesammelte Erzkonzentrat, das während der Folge dieser Periode eingespritzt wurde. Die Temperaturkurve zeigt, wie die Temperatur des flüssigen Metalls während dieser Einspritzperiode von etwa 1480 auf etwa 15500C erhöht wird. Die andern Kurven veranschaulichen, wie sich der Kohlenstoff-Silicium- und Mangangehalt während der Einspritzung des Eisenoxyds än- dert. So wird während der Anfangsperiode im wesentlichen alles Silicium und Mangan oxydiert, wonach offen- sichtlich die Hauptentkohlungsperiode stattfindet. Sobald 1000 kg Erzkonzentrat injiziert worden sind, ist der Kohlenstoffgehalt auf etwa 1, 0% gesenkt worden. Das Erzkonzentrat enthielt etwa 90% Fe30 .
Sobald das gewünsche Kohlenstoffniveau erreicht worden ist, wird Mangan und Silicium von oben zu dem flüssigen Metall
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Temperatur des flüssigen Metalls auf zirka 16000C erhöht, was eine geeignete Abstichtemperatur ist.
3. Herstellung legierter Stähle.
Stähle mit mittleren Chromgehalten, d. h. etwa 1 bis 15% Chrom können erfindungsgemäss in der folgenden Art hergestellt werden. Zuerst wird eine Eisenschmelze, die reich an Kohlenstoff ist, in den auf Fig. 1 und 2 gezeigten Konverter eingefüllt. Als Alternative wird die Eisenschmelze in situ im Gefäss wie zuerst beschrieben hergestellt. Die Temperatur des flüssigen Metalls wird durch die Induktionswicklungen --12-auf zwischen 1600 und 1750 C, vorzugsweise zwischen 1600 und 17000C erhöht.
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Sobald die gewünschte Temperatur erreicht worden ist, wird durch die DUse-14-eine Suspension eines oxydischen Chromerzkonzentrats in Luft suspendiert injiziert. Das oxydische Chromerz ist vorzugsweise Chromit, das ist ein Oxyd von Eisen und Chrom, FeO. Cr 0. Das pulverisierte Erzkonzentrat wird in alle Teile des Gefässes verteilt, wobei es das heissere Metall im Raum --5-- ausserhalb der Kanalöffnungen mitbringt.
Die Temperatur während dieser Chromitinjizierung wird in dem Temperaturbereich 1600 bis 1750 C, vorzugsweise 1600 bis 1700 C, gehalten, indem die Stromzufuhr für die elektrischen Wicklungen --12-- reguliert wird. Wenn der Kohlenstoffgehalt der Schmelze genügend hoch ist, wird die folgende Reaktion (3) nach rechts ablaufen :
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aus Verdünnungsgasbehandlung und Vakaumentkohlung wird vorzugsweise für die Produktion sogenannter ELI-Stahle verwendet, das sind Stähle mit sehr niedrigem Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt. Sehr niedriger Gehalt bedeutet hier eine Gesamtmenge von nicht mehr als 0, 03%. vorzugsweise nicht mehr als gesamt 0, 015% Kohlenstoff und Stickstoff.
Diese Stähle enthalten oft Molybdän als Legierungselement.
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metall eine Temperatur von 12000C und enthielt 3, 5% C, 1, 75% Si, 0, 5% min. Zu Beginn wird die Temperatur des flüssigen Metalls auf 16000C erhöht mittels der Induktionswicklungen-12-. Sobald diese Temperatur erreicht worden ist, werden etwa 200 kg Chromitkonzentrat, Kurve derselben Art wie im vorigen Beispiel in den Konverter injiziert, während gleichzeitig die Temperatur annähernd konstant erhalten wird nach den Prinzipien der Erfindung.
DasChromoxyd im injiziertenChromitpulver wird durch in der Schmelze vorhandenes Silicium und Mangan, und in einem gewissen Ausmass durch Kohlenstoff reduziert. So wird ein Chromgehalt von etwa 1, 1% im
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se werden 600 kg Scheelitkonzentrat, Kurve-IV-in Fig. 5, in das flüssige Metall in Form eines in Luft eingehüllten Pulvers injiziert.
Scheelit ist ein Wolframoxyd, und das ins geschmolzene Metall injizierte Konzentrat enthielt etwa 32%
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Das Wolframerz wird durch Kohlenstoff, der in der Schmelze vorhanden ist, reduziert, so dass etwa 2, 5% Wolfram in der Schmelze erhalten werden. Während dieses Schrittes wird der Kohlenstoffgehalt in der
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weiter zu senken, werden etwa 225 kg Magnetiterzkonzentrat, Kurve injiziert. Auch für die Injizierung dieses Erzkonzentrats wurde Luft als Trägergas verwendet. Die erfindungsgemässe Injizierung wurde unterbrochen, als der Kohlenstoff ein Niveau von 0, 5% erreicht hatte. Die Temperatur wurde die ganze Zeit über bei etwa 16000C gehalten, indem den Induktionswicklungen --12-- genügende Elektrizitätsmengen zugeführt wurden. Als letzter Schritt werden etwa 300 kg CaO, Kurve --m--, in das flüssige Metall von Argon umhüllt zwecks Entschwefelung injiziert.
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