Verfahren zur Gewinnung möglichst reiner Metalle und Metallegierungen. In der Metallurgie sind seit langem Ver fahren bekannt und in Anwendung, um un erwünschte Beimengungen aus Metallen und Legierungen durch Einwirkenlassen von ge eignet chemisch zusammengesetzten Schlak- ken zu entfernen.
Dabei werfen die Verun reinigungen teils in gasförmige flüchtige Verbindungen übergeführt oder aber ent weder unmittelbar chemisch an die Schlacke gebunden, oder durch Zuschlag von Stoffen, zu denen sie höhere Affinität als zu dem Grundmetall besitzen, zuerst in eine leichter entfernbare Zwischenform umgesetzt und darnach erst in die Schlacke übergeführt.
Die Wirksamkeit dieser bekannten Ver fahren wird in der Prayis wesentlich durch den Umstand bestimmt, dass sich die mass gebenden Vorgänge, als herterogene Reak tionen zwischen zwei Phasen, nur an der Be rührungsfläche zwischen Metallbad und Schlacke abspielen.
Da aber bei den bekann ten Ofen Metall und Schlacke verhältnis mässig unbeweglich übereinan@derliegen, ist für den Fortgang der Reaktion in sehr viel höherem Masse als die eigentliche Reaktions geschwindigkeit der chemischen Vorgänge die Diffusionsgeschwindigkeit entscheidend, mit der sich die entstehenden Konzentrations unterschiede innerhalb des Bades und der Schlacke ausgleichen.
Diese Diffusions geschwindigkeit ist jedoch häufig uner wünscht niedrig; namentlich wird sie mit abnehmender Konzentration und Tempera tur der in Behandlung befindlichen Masse stets sehr klein, so .dass die letzten Reste der Verunreinigungen, wenn überhaupt, doch nur sehr langsam entfernt werden können. Die sich daraus ergebenden Nachteile hin sichtlich der Wirtschaftlichkeit der Herstel lungsverfahren und der Güte der Erzeug nisse liegen unmittelbar auf der Hand.
Es ist mehrfach versucht worden, durch mechanische Bewegung des Bades oder des ganzen Ofens, beispielsweise durch künst liches Einleiten einer Gasentwicklung, in nerhalb der Schmelze eine Durchwirbelung zu erzwingen, oder auch die Reaktions geschwindigkeit durch Steigerung der Tem- peratur zu erhöhen. Diese Versuche haben jedoch nur in einzelnen Fällen, wie zum Bei spiel bei dem Polen des Kupfers, Erfolg ge habt.
Es ist weiter bekannt, dass bei Induk tionsöfen infolge der ponderomotorischen Liraft der Induktionsströme Bewegungen in nerhalb der Schmelze auftreten. Diese Be wegungen können sieh in dem engen, ring förmigen Herde von Niederfrequenz-Induk- tionsöfen nur verhältnismässig schlecht aus wirken, so da.ss sie deren metallurgisches Bild in keiner Weise zu beeinflussen vermögen.
Die -Niederfrequenz-Induktionsöfen unter scheiden sich daher hinsichtlich Geschwin digkeit und Vollständigkeit von Schlacken reaktionen nicht wesentlich von andern Ofentypen, in denen das Bad unbeweglich liegt; sie sind diesen vielmehr sogar wegen der niedrigen Schlackentemperatur eher un terlegen und haben sich :daher neben den ständig weiterentwickelten Lichtbogenöfen nicht durchsetzen können.
Anderseits gehen die Ansichten über den Einfluss einer Bad bewegung auf die Ausscheidung suspendier ter Verunreinigungen noch weit auseinander; zum Beispiel soll der Elektrostahl die Quali tät des Tiegelstahls nur deswegen noch nicht erreichen, weil die unvermeidliche Badbewe- gling eine. vollkommene Abscheidung der Oxyde verhindere.
In den Hochfrequenz-Induktionsöfen macht sich die 'Virbelung des Metallbades infolge der gedrängten Form des Schmelz herdes in erheblich höherem Masse bemerkbar als bei den Niederfrequenzöfen; ihr günsti ger Einfluss auf die Durchmischung von Le gierungen ist mehrfach erwähnt worden.
Bisher sind die Hochfrequenz-Induktions- öfen ausschliesslich für das Zusammenschmel= zen reiner Metalle benutzt worden.
So lasen ,sich zahlreiche Beispiele dafür angeben, da.ss auch in Fällen, in denen die Verwendung unreiner Einsätze und anschliessende Raffi- nation mittelst geeigneter Schlacken unmit telbar nahegelegen hätte, die Vorteile der Badbewegung für Ra-ffinationsarbeiten gar nicht erkannt und daher hochwertige reine Ausgangsstoffe-, unter Verzicht auf ein nachträgliche Beeinflussung dr-s Reinheits- grades, lediglich zusammengeschmolzen wor den sind.
Der crfindungsgemä.ssen Verwendung des an sich bekannten Hochfrequenz-Induktions- ofens für Raffinationsa.rbeiten in dem ange gebenen Sinne, nämlich Entfernung uner wünschter Beimengungen aus unreinen Ein sätzen in erster Linie durch Einwirkenlassen geeignet chemisch zusammengewetzter Schlak- ken,womit auch eine C berführung der Ver- unreinigun-en in leichter entfernbare Zwi schenformen durch Zuschlag von Stoffen,
zu denen sie grössere Affinität besitzen als zu den zu reinigenden JTetallen, verbunden wer den kann, liegt der Gedanke zugrunde, die Badbewegung auch in metallurgischer Hin sicht für eine Verbesserung der Schlacken arbeit und damit der (Tüte des Erzeugnisses nutzbar zu machen. Dieser Gedanke beruht.
auf der durch planmässige Versuche gewon nenen Erkenntnis, dass der Badbewegung in Induktionsöfen eist bei der im Hochfrequenz Induktionsofen beobachteten Art metallur gische Bedeutung zukommt, und zwar in einer völlig unerwarteten, das inetallurgisch@- Bild grundlegend verschiebenden Richtung.
Diese Bedeutung ist nach den vorliegenden Ergebnissen zunächst. darin zu sehen, dass als Folge der Badbewegung eine bisher uner reichte Grössenordnung von Geschwindigkeit und Vollständigkeit der Schlackenreaktionen erzielt werden kann.
Sodann begünstigt die lebhafte Ba@dbewegmng eine Koagulation der innerhalb des 3Tetallbades gebildeten hoch dispersen Reaktionsprodukte, so dass diese bei richtiger Zusammensetzung der Sehlache sehr schnell und vollständig in diese abge schieden werden können. Der Hochfrequenz- Induktionsofen ist so,
in völligem Gegensatz zu der mehrfach vertretenen Ansicht über den vermeintlich sahä lliclien Einfluss der Badbewegung auf die Absclieidung der im Bad verteilten V c@runreinigungen, gerade erst recht auf Grund der in ihm ganz besonders wirksamen Badbewegung in zweit höherem Masse ,als die bislicr gebrä.uehlichen Elektro- ofentypen befähigt, mittelst Schlackenreak tionen höchste Reinheitsgrade zu erreichen.
Dass der vorgeschlagene Weg zur Raffi- nation von Metallen einen äusserst wichtigen technischen Fortschritt in sich schliesst, wird durch die nachstehenden Beispiele des erfin dungsgemässen Verfahrens näher belegt. Diese Beispiele sollen zeigen, dass sich durch die neue Arbeitsweise nicht nur eine wesent liche Steigerung der Güte bereits bekannter Erzeugnisse erreichen lä_sst, sondern vielmehr auch ganz neue Erzeugungsverfahren ermög licht werden, die in den bisher benutzten Geräten nicht durchführbar waren.
Die Steigerung der Frischgeschwindigkeit durch die lebhafte Badbewegung eines eisen losen- Hochfrequenz-Induktionsofens kann zu nächst dahin ausgenutzt-werden, dass die un erwünschten Begleiter des Eisens mit höherer Affinität zum Sauerstoff als das Grund metall wesentlich schneller und vollständi ger als mit den bisher bekannten Schmelz geräten aus dem Einsatz entfernt werden. So ist es bereits in behelfsmässigen Vorversuchen möglich gewesen, ein Eisen mit nur etwa 0;04 % Gesamtverunreinigungen an Kohlen stoff, Silizium, Mangan, Phosphor und Schwefel zu erschmelzen und damit die bis her bekannten Reinheitsgrade ganz wesent lich zu -übertreffen.
Der erreichte Fortschritt erfährt eine weitere Verstärkung dadurch, dass die bei der Frischbehandlung unvermeidliche teil weise Oxydation des Grundmetälles sehr viel vollständiger als bislier wieder rückgängig gemacht werden kann. Infolge der energi schen Badbewegung erfolgt die Reaktion des an Eisen gebundenen Sauerstoffes mit dem zugesetzten Desoxydationsmittel sehr schnell; die sich .dabei bildenden Desoxydationspro- Jükte können daher bei richtiger Schlacken führung sehr rascli und vollständig an die Schlacke gebunden werden.
Die Schnellig keit dieser Vorgänge gestattet daher ein Aus waschen des Sauerstoffes aus dem Metallbad in der Weise, dass nach verhältnismässig hö.h-em Zusatz eines Desoxydationsmittels .die Schmelzung in dem Augenblick abgestochen wird, indem die- Hauptmenge des Sauerstof fes bereits gebunden und in die Schlacke übergeführt ist.
Nach diesen Gesichtspunk ten hergestellte Stähle mit denn sehr gerin gen Kohlenstoffgehalt von 0,04 % -waren trotz niedriger Gehalte an Desoxydations- mitteln, und zwar 0,13 bis 0,17 % Mn und 0,15 bis 0,22 % Si, sehr gut rotbruchfrei; sie liessen sich betriebsmässig mit sehr niedrigem Ausschuss zu Ruten und Feinblechen auswal zen.
Eine auf einem Hochleistungswalzwerk mit grossen Abnahmen und hoher Geschwin digkeit kalt verarbeitete Probe war nach Verwalzung um 90 % auf 0,22 mm ohne Zwischenglühung noch vollständig einwand frei; die Prüfung der geglühten Blechstrei fen auf dem Erichsen-Apparat ergab Tie- fungswerte, die durchwegs erheblich über der von Ericksen aufgestellten Normalkurve ,lagen.
Ein nach :den gleichen Gesichtspunk ten hergestelltes Material -mit 0,01 % C, 0,46 % Mn und 0,22 % Si liess sich auf dem Stiefelwalzwerk betriebsmässig vollkommen einwandfrei zu Röhren verwaIzen. Nach dem gleichen Verfahren hergestellte Kohlenstoff stähle ergaben bereits in den Vorversüchen Qualitätszahlen der Vielhärtung, die die Zäh len ausgesuchter Handelsstähle nicht nur er reichten, vielmehr zum Teil sogar erheblich übertrafen.
In gleicher Weise erschmolzene Eisen- Chromlegierungen liessen sich durchwegs mit bisher nicht bekannter überraschender Leich tigkeit weiter verarbeiten. So betrug-_der Arbeitsaufwand beim Warmwalzen - eines Chromeisens mit 0,02 % C und 12,67 % Cr nur etwa zwei Drittel desjenigen eines unter gleicher' Bedingungen verwalzten Flusseisens. Bei einem Chrom-Nickelstahl iuit 1,18 % C und 1,
45 % Cr fiel ebenfalls der geringe Kraftbeclärf beim Ziehen auf; der gleiche Stahl liess * sich ohne Anstände auf einem Röhrenwalzwerk auswalzen, wöbe- der Kraftbedarf 'um etwa 10 % niedriger war -als bei einem unter vollständig gleichen Bedin gungen verarbeiteten .erstklassigen Handels- material: Die aus der neuen Arbeitsweise sich er gebenden Entwicklungsmöglichkeiten sollen durch die nachfolgenden beiden Beispiele er läutert werden.
Die Herstellung der für verschiedene Ver wendungszwecke benötigten Chrom- und Nickellegierungen mit niedrigen Kohlen stoffgehalten ist heute nur mit sehr hohen Kosten möglich, da das als Legierungs zusatz allein in Frage kommende kohlen stoffarme Chrom und Nickel bezw. kohlen stoffarme Zv.-ischenlegierungen dieser Me talle sehr hoch im Preise stehen und eine nachträgliche Beeinflussung des Reinheits grades mit den bekannten Verfahren ohne gleichzeitige Oxydation der Legierungs metalle und eine damit verbundene Ver schlechterung der Eigenschaften nicht mög lich ist.
Praktische Versuche haben nun mehr zu der Feststellung geführt, dass sich auf der Grundlage der lebhaften Durchwir- belung des Metallbades im eisenlosen Hoch frequenz-Induktionsofen eine neue Arbeits weise entwickeln lässt, welche die Ansprüche -in den Reinheitsgrad der Ausgangsstoffe weitgehend herabzusetzen gestattet.
So wurde in einem praktischen Beispiel eine kohlenstoffa-rme Eisen-Chromlegierung in der 'gTeise hergestellt, dass zunächst ein Ferrochrom mit 4,8 % C und 64,9 % Cr einem Eisenbad zulegiert und ansehliess'end der Kohlenstoff durch Frischen mittelst Hammerschlages beseitigt wurde. Unmittel bar nach dem Chromzusatz enthielt die Schmelze 1,04 % C und 14,5 1o Cr. nach dem Frischen war der Kohlenstoffgehalt auf 0,16 % und der Chromgehalt auf 13,42 heruntergegangen.
Das Erzeugnis liess sich betriebsmässig einwandfrei verarbeiten und auf dem Stiefelwalzwerk zu Röhren aus- walzen, war also trotz der Frischbehand- luxig auch unter strengsten Bedingungen vollkommen rotbruchfrei. Damit ist erwiesen, dass die in bezug auf den Sauerstoff koch empfindlichen Chrom- und Nickellegierun gen im eisenlosen Hochfrequenz-Induktions- ofen einer Frischbehandlung ohne grösseren Abbrand unterworfen werden können, wo- bei gleichzeitig die metallurgischen Eigen tümlichkeiten diese. Ofen;
eine weitgehende Desoxyda.tion bei geeigneter Arbeitsweise gewährleisten.
In der Metallurgie des Reinnickels haben sich bisher Verfahren des Frischens unreiner Einsätze mittelst entsprechend zusammen gesetzter Schlacken nicht als durchführbar erwiesen. Der Grund hierfür liegt darin, dass bei den bisher nur zur Verfügung ste henden Geräten infolge des langsamen und unvollständigen -1,#blaufes der meta-llurgi- chen Reaktionen zwischen Schlacke und Bad in diesen eine Übersättigung des Bades mit Sauerstoff nicht sicher vermieden und auch nicht wieder rückgängig gemacht wer den kann;
diese Übersättigung wirkt sich bei der hohen Empfindlichkeit des Nickels in einer gefährlichen Verschlechterung der Eigenschaften aus. Die schmelztechnische Behandlung des Nickels ist aus diesen Gründen auf das Umschmelzen eines sehr reinen Vorprodukte: ohne nennens,wertei Be einflussung von de#.en Zusammensetzung beschränkt.
Versuche haben nun zur Ausbildung einer neuen Arbeitsweise auf der Grundlage des eisenlosen Hochfrequenz-Induktionsofens geführt, die eine Reinigung von Rohnickel auf metallurgischem Wege ermöglicht, wo bei die Gesamtgestehungskosten weitgehend herabgesetzt werden.
Das neue Verfahren wird durch das folgende Beispiel erläutert: Bei einem Umschmelzversuch eines sehr reinen Mond-Nickels in Anlehnung an die heute in der Nickelmetallurgie gebräuch liche Arbeitsweise wurde folgende Analyse erbalten: 98,86 % Ni -f- Co, 0,0.1 % Si, 0,013 % C, <B>0,72</B> % Fe, 0,15 % Mn, 0,0:5? % Mg, 0,029 % S, 0,142 % Cu.
Bei einem Raffinationsversuch wurde da gegen ein stark verunreinigtes, sowohl koh- lenstoff- wie schwefelhaltiges Nickel im eisenlosen Hochfrequenz-Induktionsofen ein geschmolzen und nach dem entwickelten Verfahren weiter behandelt.
Dieses besteht darin, dass zunächst mit Hilfe einer oxydie- renden Kalk-Fluss'spatschlacke durch Zu schlag von Nickeloxyd eine kräftige Frisch behandlung durchgeführt wird, bei der sämt- liehe Elemente mit höherer Affinität zum Sauerstoff als das Grundmetall weitgehend oxydiert und an die Schlacke gebunden wer den.
Im Anschluss daran wird unter einer dichten Kalk-Flussspatschlacke der als Nik- keloxyd . vorhandene Sauerstoffüberschuss durch Beigabe, zum Beispiel von Mangan, Silizium oder einem andern Desoxydations- mittel an dieses gebunden und mit Hilfe der lebhaften Bewegung des Ofens in die Schlaeke ausgewaschen. Die Fertiganalyse ergab folgende Zusammensetzung: 99,44 % Ni, 0,004 % Si, 0,010 % C, 0,190 Fe, 0,090 % Mn, 0;093 % Mg, 0,012 % S, 0,030 % Cu; A1 abwesend.
Der Reinheitsgrad des lediglich umge schmolzenen Reinnickels. wird damit erheb lich übertroffen. Das im eisenlosen Hoch frequenz-Induktionsofen gefrischte Nickel ist gut schmied- und walzbar.