Verfahren zur Herstellung von Metallen und deren Legierungen in einem Hochfrequenz-Induktionsofen und zur Ausführung dieses Verfahrens geeigneter Hochfrequenz-Induktionsofen. Es ist-ein Verfahren zur Herstellung von Metallen und deren Legierungen bekannt, insbesondere für Eisenlegierungen, wie Chrom, Eisen, Ferromolybdän, Ferromangan, Ferrowolfram, Ferrotitan,
Ferrovanadium und Ferroniobium und ähnliche Legierungen mit einem niedrigen oder mässigen Kohlen stoffgehalt, bei welchem Verfahren minde stens ein Oxyd des betreffenden Metalles durch wenigstens ein kohlenstofffreies- Reduk tionsmittel mit starker Affinität zum Sauer stoff, z. B.
Silizium, reduziert werden, und zwar nach einem Verfahren, bei dem es wesentlich ist, dass man in einem an sieh bekannten Induktionsofen mit hoher Fre quenz arbeitet, in welchem die Charge dem Einfluss teilweise eines hochfrequenten Heiz stromes und teilweise eines niedrig frequen- ten Umwälzstromes ausgesetzt wird, wobei der letztere Strom unabhängig vom Heiz strom steuerbar ist. Hierbei spielt sich der Vorgang so ab, dass durch das Nieder schmelzen eines metallischen Materials,
das aus dem Metall selbst und einer oder meh reren Komponenten der herzustellenden Le gierung besteht, vorerst ein Metallbad ent sprechender Zusammensetzung hergestellt wird, das lediglich einen Teil des Ofens aus füllt, worauf eine ungeschmolzene Mischung des aufgeschlossenen Materials - IVIetall- ogyd und Reduktionsmittel <B>--</B> und even- tuellem Schlackenmaterial hinzugefügt wird.
Diese Mischung wird nun unter den Einfluss des Umwälzstromes gebracht, und zwar in unmittelbarem Kontakt mit dem Metatllbad, und wird dabei auf die Reaktionstemperatur aufgeheizt, wobei sich dann das Metall und die Schlacke bildet, wonach Schlacke und Metall vorzugsweise bei ausgeschaltetem Um- wälzstrom getrennt abgestochen werden.
Beim Abstich des Metalles lässt man im Ofen eine Menge, die ungefähr der Menge des ursprünglichen Metallbades entspricht, zurück, worauf das Verfahren in kontinuier lichem Prozess mit periodischem Abstechen von Schlacke und Metall wiederholt wird.
Bei diesem bekannten Verfahren wird in folgender Weise abgestochen: Es sei ange nommen, dass das Metall eben abgestochen worden ist und dass ein Sumpf von beispiels weise 50 % des effektiven Ofenvolumens zurückgeblieben ist. Unter dem effektiven Ofenvolumen wird dabei das Volumen des Tiegels bis zum obern Rand der Induktions spule verstanden.
Es sei ferner angenommen, dass man es mit einem Ofen zu tun hat, des sen effektives Volumen etwa 1000 kg Metall entspricht. Nunmehr wird eine Charge von ungefähr 200 kg eingebracht, die ungefähr 160 kg Schlacke und 40 kg Metall enthält.
Wenn die Charge restlos reduziert ist, wird der Umwälzstrom abgeschaltet und die Schlacke vom Metall getrennt. Hierauf wird die Schlacke abgestochen und eine neue Charge von ungefähr 200 kg hinzugefügt. Auf diese Weise wird fortgefahren, bis der Ofen praktisch voll Metall ist. Nun wird zuerst die von der letzten Charge entstandene Schlackenmenge abgestochen und anschlie ssend ungefähr 500 kg Metall, so dass im Ofen ein Sumpf von ungefähr 500 kg zurück bleibt.
Es hat sich nun herausgestellt, dass dieses 'Verfahren mit verschiedenen Nachteilen be haftet ist. Vorerst hat sich herausgestellt, dass grosse Schwierigkeiten bezüglich der Dauerhaftigkeit der Ofenausmauerung be stehen, weil die Lage der Badoberfläche. im Ofen mit der Grösse des Metallbades ändert.
Da nun die Grösse des Metallbades während des VeTfahrens ,starken Änderungen unter- worfen ist, ist eine grosse Ofenwandfläche grossen Temperaturschwankungen unterwor fen.
In dem oben erwähnten Beispiel des be kannten Verfahrens variiert z. B. das Metall bad zwischen 50 und 100 % des Ofenvolu mens. In dem eingangs erwähnten Beispiel des bekannten Verfahrens, in welchem man mit einem Sumpf von bloss '/g des Ofenvolu mens arbeitet, muss das Metallbad sogar zwi schen 33 und 100 % variieren. Bei diesem bekannten Verfahren ist sicher festgestellt worden, dass es vorteilhafter ist, mit einem Sumpf von mehr als '/3, vorzugsweise 2/, oder noch mehr, zu arbeiten.
Aber selbst wenn man mit einem Sumpf von beispielsweise 70 % arbeitet, so wird das Niveau in einem gewöhnlichen, in der Hauptsache zylindri schen Ofen sehr beträchtlich ändern. Es hat sich dabei herausgestellt, dass derjenige Teil der Ofenausmauerung, der Temperatur schwankungen ausgesetzt ist, sehr starkem Verschleiss unterworfen ist, indem die Ofen ausmauerung an der Badoberfläche abblät tert, so dass schliesslich das Bad durch das Mauerwerk durchbricht,
bis zur Hochf re- quenzspule. Da nun die Hochfrequenzspnle wassergekühlt ist, ist ein solcher Durchbruch eine sehr ernste Angelegenheit, und es muss daher das Risiko eines solchen Ereignisses so stark wie möglich ausgeschaltet werden.
Es hat sich ferner herausgestellt, dass es sehr schwierig ist, solche Zerstörungen in der Ofenaus.mauerung durch Wiederaufstampfen von Mauerwerk an der betr. Stelle auszu bessern. Jedenfalls ist es erforderlich, die ganze Ofenausmauerung herauszureissen und neu aufzustampfen. Das Ofenausmauerungs- problem ist infolgedessen von einschneiden der, wirtschaftlicher Bedeutung für die Durchführung des Verfahrens.
Eine weitere Schwierigkeit für die Durchführung dieses bekannten Verfahrens besteht darin, dass die Reduktion der Metall oxyde verh'ältnism'ässig langsam vor sich geht.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, diese Nachteile der bekannten Verfahren zu beseitigen, und beruht auf der Erkenntnis, dass es einerseits mit Rücksicht auf clie Ofen- ausma.uerung wichtig ist, das Verfahren so zu führen,
dass das Niveau des Metallbades während des ganzen Verfahrens so evenig wie möglich ändert und dass anderseits zur Errei chung einer möglichst grossen Reaktionsge schwindigkeit mit einer möglichst grossen Badoberfläche gearbeitet werden sollte.
Dementsprechend betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Metallen und deren Legierungen, insbesondere Eisen- legierungen, unter Reduktion wenigstens eines Metalloxydes durch wenigstens ein kohlenstofffreies Reduktionsmittel mit star ker Affinität zum Sauerstoff in einem Hoch frequenzinduktionsofen bei Verwendung eines Metallsumpfes welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Ofen mit einem konischen Schmelzraum,
der einen nach oben zunehmenden lichten Durchmesser aufweist, verwendet wird und dass Metall und Schlacke ohne vorherige Trennung gleichzeitig abge stochen werden, wobei die abgestochene Menge so bemessen wird, doss ein Sumpf von mindestens & 5 % des effektiven Ofenvolumens zurückbleibt.
Als Reduktionsmittel kann Silizium oder ein anderes Reduktionsmittel, das eine starke, d. h. eine mindestens so grosse Affinität zu Sauerstoff hat wie Sili zium, verwendet werden,. Hierbei arbeitet man vorzugsweise mit einem Sumpf von mehr als 95% des effektiven Ofenvolumens. Der erfindungsgemässe Hochfrequenz-Induk- tionsofen zur Ausübung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen k@onis,
chen Sohmelzraum mit nach oben zunehmendem lichtem Durchmesser und einer im obersten Drittel stärkeren Awsmauerung als im übri gen Teil.
Die Grösse des Sumpfes hängt im übrigen von der Konizität und übrigen Konstruktion des Ofens und der Zusammensetzung des Bades ab. Aber es muss, um das durch die Erfindung bezweckte Ziel mindestens ange nähert zu erreichen, ein Sumpf im Ausmass von mindestens.
85 ,wo des Ofenvolumens ein gehalten werden.' Beim Arbeiten mit einem sehr grossen Sumpf ist, wie bereits erwähnt, der Vorteil erreichbar, dass das Ballniveau während des ganzen Verfahrens nicht betrIehtliich ändert, so dass die Ofenausmauerung infolgedessen nicht grossen Temperaturschwankungen un- terworfen ist.
Durch den grossen Sumpf lässt sich ferner erreichen, dass die Umwälzkraft im Bad, welche der Ofenwandung entlang eine noch oben. gerichtete Strömung erzeugt, stärker ausfällt.
Damit nun diese Ballbewegung so kräftig wie möglich ausfällt, sollte man die Umwälzkraft auf einen möglichst langen Weg zur Wirkung kommen .lassen. Je stär ker der Ofen angefüllt ist, um so grösser ist infolgedessen die Umwälzb.ewegung und in folgedessen spielt sich auch die Reduktion schneller ab.
Mit einem grossen. Metallsumpf lässt sieh auch der Vorteil eines guten, elektrischen Leistungsgrades des Ofens erreichen, weil dann die ganze Hochfrequenzspule für alle Ofenchargen auenützbar ist, da das Metall meist den Oberrand der Spule erreicht.
Bei dem Verfahren nach dem vorliegenden Erfindung ist allerdings .das ausnützbare Volumen des Ofens bedeutend geringer als bei den bekannten Verfahren, nämlioh z. B. nur etwa 5-15-% des effektiven Ofenvolu mens. Das bedeutet jedoch an sieh -keinen Nachteil. Versuche haben nämlich erwiesen, dass z.
B. in einem Ofen, welcher ungefähr 1000 kg Metall fasst, zwischen jedem Schlak- kenaIstich keine grössere Charge als eine solche von 200J3.00 kg eingebracht werden kann, die also ungefähr 40-60 kg Meta11 entspricht. Wenn diese Metallmenge aIbge- oto,chen wird, so bleibt ein .Sumpf von 94 bis <B>9,
6A</B> des Ofenvolumens übrig. Infolgedessen vermindert ein Sumpf von 85-95% des Ofenvolumens die Grösse der Charge, welche zwischen zwei Abstichen in,den Ofen einge bracht werden kann, nicht. Ein Sumpf von der Grösse, wie er nach der vorliegenden. Er findung vorzugsweise vorgesehen ist, hat jedo.clr andere Schwierigkeiten zur Folge.
Während es nämlich bei den bekannten Verfahren, die mit einem Sumpf von ä-0 bis 40% -des Ofenvolumens arbeiten, nur etwa stündlich einmal zu einem Abstich kommt, müss bei .der Verwendung eines Sumpfes. naolr dem erfindungsgemässen Verfahren von z. B.
90-9'5% das Metall ungefähr alle 10 bis 1,5 Minuten abgesto@ehen werden. Wenn man nun, wie bei den bekannten Verfahren vor ausgesetzt, jedesmal Metall und Schlacke im Ofen trennen sollte, bevor der Abstich vorge- nommen wird und während dieser Zeit der Strom vom Ofen abgeschaltet würde,
so hätte ein solches Verfahren einen so grossen Zeit verlust zur Folge, däss die effektive Arbeits zeit des Ofens um 25-d0% gegenüber der jenigen nach dem bekannten Verfahren her abgesetzt würde.. Ausserdem ist es schwierig und zeitraubend, die abgesetzte Schlaeke zu entfernen, wenn das Schlackenfbad eine rela tiv grosse Oberfläche und,daher die Schlacke nur eine geringe Höhe aufweist.
Wenn man nicht ganz besonders sorgfältig vorgeht. so lässt sich nicht vermeiden, dass beträchtliche Metallmengen mit der Schlacke albgestochen werden. Es hat sich ,daher herausgestellt, @dass eine zufriedenstellende Verfaihrens.führung bei einer solchen Abstichmethode nach dem bekannten Verfahren in der Anwendung auf einen grossen.
Sumpf nicht zufriedenstellend erreichbar ist. Nun wird bei der erfindungs gemässen Verfahrrensführung diese Sehwierig- kei:t dadurch vermieden, dass Schlacke und Metall gleichzeitig abgestochen werden., ohne dass eine vorherige Trennung im Ofen vor genommen wind. Es empfiehlt sich .daher, den Abstich ,sofort nach Abstellen .des Stromes vorzunehmen.
Ein Teil des Metalles wird sich natürlich irgendwie absetzen, wo gegen der restliche Teil in -der Sehlacke emul- giert bleibt.
Infolgedessen mass die Trennung von Metall und SehlaQke ausserhalib des Schmelzofens vorgenommen werden. Vorteil- haft geht man hierbei so vor, dass man so schnell wie möglich in eine Schale oder der- 01@eichen absticht und sieh das Metall am Bo den der Sehale absetzen lässt.
Es hat sieh gezeigt, dass :diese Arbeitsweise nissht zu einem. grösseren 21etallverlu,st führt als die früheren Methoden mit den bekannten Ver fahren, im Gegenteil lässt sieh der Verlust sogar kleiner halten, was auf der Tatsache beruhen -dürfte, dass alle Metallperlen in der Schlacke durch .die verhältnismässig grosse Metallmenge, die nun in jedem Abstich vor- 1handen ist,
absorbiert werden. Das Metall setzt sich auf dem Boden der Schale zeit einer. scharfen Trennfläche von .der Schlacke .ab, wogegen bei dem gesonderten Sehlackenab- stich nach den vorbekannten Verfahren die verschiedenen, aber im Verhältnie wenigen Metallperlen für sich selbst erhärten, ohne dass sie Gelegenheit finden,
zusammenzuflie- ssen. Aus diesem Grunde waren sie bisher nur unter Schwierigkeiten zurückzugewinnen.