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.
Process for the production of metals and their alloys in a high-frequency induction furnace and high-frequency induction furnace suitable for carrying out this process. A method for the production of metals and their alloys is known, in particular for iron alloys, such as chromium, iron, ferro-molybdenum, ferro-manganese, ferro-tungsten, ferro-titanium,
Ferrovanadium and Ferroniobium and similar alloys with a low or moderate carbon content, in which process at least one oxide of the metal in question by at least one carbon-free reducing agent with a strong affinity for oxygen, z. B.
Silicon, are reduced, namely according to a method in which it is essential that one works in a well-known induction furnace with high frequency, in which the charge is influenced partly by a high-frequency heating current and partly by a low-frequency circulating current is suspended, the latter current being controllable independently of the heating current. The process takes place in such a way that when a metallic material melts down,
which consists of the metal itself and one or more components of the alloy to be produced, initially a metal bath of the appropriate composition is produced, which only fills part of the furnace, whereupon an unmelted mixture of the digested material - IVIetall- ogyd and reducing agent <B. > - </B> and any slag material is added.
This mixture is now brought under the influence of the circulating flow, in direct contact with the metal bath, and is heated to the reaction temperature, the metal and the slag then forming, after which the slag and metal are tapped separately, preferably with the circulating flow switched off will.
When tapping the metal, an amount that roughly corresponds to the amount of the original metal bath is left in the furnace, after which the process is repeated in a continuous process with periodic tapping of slag and metal.
This known method is tapped in the following way: It is assumed that the metal has just been tapped and that a sump of, for example, 50% of the effective furnace volume has remained. The effective furnace volume is understood to mean the volume of the crucible up to the upper edge of the induction coil.
It is also assumed that one is dealing with a furnace whose effective volume corresponds to about 1000 kg of metal. A charge of approximately 200 kg is now introduced, which contains approximately 160 kg of slag and 40 kg of metal.
When the charge is completely reduced, the circulating flow is switched off and the slag is separated from the metal. The slag is then tapped and a new batch of approximately 200 kg is added. This will continue until the furnace is practically full of metal. Now the amount of slag produced by the last batch is first tapped off and then about 500 kg of metal, so that a sump of about 500 kg remains in the furnace.
It has now been found that this process has various disadvantages. At first it has been found that there are great difficulties with regard to the durability of the furnace lining because of the position of the bath surface. changes in the furnace with the size of the metal bath.
Since the size of the metal bath is subject to major changes during the process, a large furnace wall surface is subject to large temperature fluctuations.
In the example of the known method mentioned above, e.g. B. the metal bath between 50 and 100% of the furnace volume mens. In the example of the known method mentioned at the beginning, in which one works with a sump of only '/ g of the furnace volume, the metal bath must even vary between 33 and 100%. In the case of this known method, it has certainly been found that it is more advantageous to work with a sump of more than 1/3, preferably 2/3, or even more.
But even if you work with a sump of, for example, 70%, the level in an ordinary, mainly cylindrical furnace will change very considerably. It turned out that the part of the furnace lining that is exposed to temperature fluctuations is subject to very high wear and tear, as the furnace lining on the bath surface flakes off, so that the bath finally breaks through the masonry,
up to the high frequency coil. Now that the high frequency coil is water cooled, such a breakthrough is a very serious matter and the risk of such an event must therefore be eliminated as much as possible.
It has also been found that it is very difficult to repair such damage in the furnace masonry by ramming the masonry at the relevant point. In any case, it is necessary to tear out the entire furnace lining and stamp it again. The furnace lining problem is consequently of decisive economic importance for the implementation of the process.
A further difficulty in carrying out this known method is that the reduction of the metal oxides is relatively slow.
The present invention aims to eliminate these disadvantages of the known methods and is based on the knowledge that, on the one hand, with regard to the furnace dimensions, it is important to conduct the method in such a way that
that the level of the metal bath changes as evenly as possible during the entire process and that, on the other hand, the largest possible bath surface should be used in order to achieve the greatest possible reaction speed.
Accordingly, the invention relates to a method for producing metals and their alloys, in particular iron alloys, with the reduction of at least one metal oxide by at least one carbon-free reducing agent with a strong affinity for oxygen in a high-frequency induction furnace when using a metal sump, which method is characterized in that a furnace with a conical melting chamber,
which has an upwardly increasing inside diameter, is used and that metal and slag are tapped off simultaneously without prior separation, the tapped amount being measured so that a sump of at least & 5% of the effective furnace volume remains.
As a reducing agent, silicon or another reducing agent which is a strong, i. H. has at least as great an affinity for oxygen as silicon can be used. It is preferable to work with a sump of more than 95% of the effective furnace volume. The high-frequency induction furnace according to the invention for performing this method is characterized by a k @ onis,
Chen Sohmelzraum with upward increasing clear diameter and a thicker walling in the upper third than in the rest of the part.
The size of the sump also depends on the conicity and other construction of the furnace and the composition of the bath. But it must, in order to achieve the aim of the invention at least approximately, a swamp of at least the extent.
85, where the furnace volume is kept. ' When working with a very large sump, as already mentioned, the advantage can be achieved that the ball level does not change significantly during the entire process, so that the furnace lining is not subject to large temperature fluctuations as a result.
The large sump also makes it possible to ensure that the circulating force in the bath, which is along the furnace wall, is still at the top. directed flow is generated, is stronger.
So that this ball movement is as strong as possible, the circulating force should be allowed to take effect over the longest possible path. As a result, the more the furnace is filled, the greater the circulation, and the faster the reduction.
With a great. Metal sump also gives the furnace the advantage of a good electrical level of performance, because then the entire high-frequency coil can be used for all furnace batches, since the metal usually reaches the upper edge of the coil.
In the method according to the present invention, however, the usable volume of the furnace is significantly less than in the known method, namely z. B. only about 5-15% of the effective furnace volume. However, this means no disadvantage. Tests have shown that z.
B. in a furnace, which holds about 1000 kg of metal, no larger batch than one of 200-3.00 kg can be introduced between each slag, which corresponds to about 40-60 kg Meta11. If this amount of metal is removed, there remains a sump from 94 to 9,
6A of the furnace volume left. As a result, a sump of 85-95% of the furnace volume does not reduce the size of the batch that can be introduced into the furnace between two taps. A swamp the size of this one. He invention is preferably provided, but has other difficulties.
While the known methods, which work with a sump of - 0 to 40% of the furnace volume, only need to be tapped once every hour, when using a sump. naolr the inventive method of z. B.
90-9'5% of the metal should be repelled every 10 to 1.5 minutes. If one were to separate metal and slag in the furnace every time, as in the case of the known processes, before tapping is carried out and during this time the current from the furnace is switched off,
Such a process would result in such a loss of time that the effective working time of the furnace would be reduced by 25-d0% compared to that using the known process. In addition, it is difficult and time-consuming to remove the deposited slag, when the slag bath has a relatively large surface and therefore the slag has only a small height.
If you don't proceed very carefully. in this way it cannot be avoided that considerable amounts of metal are stung with the slag. It has therefore been found that a satisfactory procedure can be performed with such a tapping method according to the known method when applied to a large.
Swamp is not satisfactorily attainable. With the method according to the invention, this difficulty is avoided in that the slag and metal are tapped off at the same time, without prior separation in the furnace. It is therefore advisable to start tapping immediately after switching off the power.
A part of the metal will of course somehow settle, where the rest of the metal remains emulsified in the lacquer.
As a result, the separation of metal and glass had to be carried out outside the furnace. It is advantageous to proceed here in such a way that one digs into a bowl or the oak as quickly as possible and lets the metal settle on the bottom of the bowl.
It has shown that: this way of working does not work. Metal loss leads to greater metal loss than the earlier methods with the known processes, on the contrary, the loss can even be kept smaller, which may be based on the fact that all metal beads in the slag pass through the relatively large amount of metal that is now in each Tapping is available,
be absorbed. The metal settles on the bottom of the bowl at one point. sharp separating surface from the slag, whereas with the separate lacquer separation according to the previously known method the different but relatively few metal beads harden for themselves without them having the opportunity to
to flow together. For this reason they have hitherto been difficult to win back.