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Nichtsaure, feuerfeste Steine oder Massen und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf Chromerz enthalter-ie nichtsaure, feuerfeste Steine
oder Massen. Ferner Bild °.t den Gegenstand der Erfindung .ein Verfahren zur H -rstellung
solcher Steine und Massen.
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Die Erfindung ist vorzugsweise auf feuerfeste Steine anwendbar, die
in urgebranntem Zustande zum Aufbau von Mauerwerk für Industrieöfe_j, insbesondere
Siemers-Martin-Öfen, verwendet und bei der ersten Ofenreise gebrannt werden. Sie
ist jedoch auch für Steine geeignet, die zunächst einem gesonderten Brand unterworfen
wid im gebrannten Zustand vermauert werden.
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Unter anderem zielt die Erfindung darauf ab, die Schaffung von feuerfesten
Steinen und Massen unter VE rwenduilg von Chromerzarten zu ermöglichen, die für
diese Zwecke bisher nicht mit Erfolg verwendet werden konnten. Die Erfindung gestattet
es ferner, ungebrannte Steine zu schaffen, in welchen die natürliche Schrumpfung
des ungebrannten Steines durch eine ausgleichende Ausdehnung beseitigt wird. Weiter
gelingt es gemäß der Erfindung, ungebrannte Chromitsteine zu schaffen, welche bei
mittleren Temperaturen eine erhöhte Festilgkeit besitzen.
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Die Erfindung bezieht sich nun auf nichtsaure, feuerfeste Steine oder
Massen, insbesondere ungebrannte, feuerfeste Steine, aus einer Mischung von Chromerz
und gebrannter Magnesia, wobei die Steine oder Massen dadurch gekennzeichnet sind,
daß der Chromitanteil aus einem Chromerz besteht, welches folgende Merkmale aufweist
a) Das Molverhältnis von A12 03 -1- Cr, 03 zu Mg 0
beträgt über 1,75, festgestellt
an Proben, aus denen die Kieselsäure durch Behandeln mit Gemischen von H,SO, und
H F und Auswaschen mit Wasser entfernt ist.
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b) Der Gehalt an Eisenoxyd, berechnet als Fe0, liegt über 20 °/o.
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Zweckmäßig weist das verwendete Chromerz einen Gehalt an Kieselsäure
von höchstens etwa 5 °/o auf.
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Die feuerfesten Steine oder Massen bestehen gemäß der Erfindung vorzugsweise
aus 80 bis 20 °/o Chromerz der angeführten Art und 20 bis 80 °/o Magnesiumoxyd.
Das Chromerz, dessen Gehalt in den Steinen oder Massen zweckmäßig 50 bis 80 %, vorzugsweise
65 °/o, beträgt, wird vorteilhaft in groben Korngrößen zwischen etwa 3,3 mm und
etwa 0,6 mm angewendet; die Magnesia, deren Gehalt in den Steinen oder Massen zweckmäßig
20 bis 50 %, z. B. 35 °/o beträgt, wird vorteilhaft in feinen Korngrößen verwendet;
doch kann bis zu einem gewissen Betrag sowohl der Anteil an Chromerz in Form von
feineren als auch der Anteil an Magnesia in Form von gröberen Körnungen verwendet
werden.
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Typische Analysen von Chromerzen, die üblicherweise für die Herstellung
von feuerfesten Steinen verwendet werden, sind folgende
Cubanisches Philippini- Türkisches |
Erz sches Erz Erz |
in °/o in °/o in % |
Glühverlust ..... 0,00 0,11 0,20 |
Si 02 ........... 3,12 5,10 5,11 |
Fe 0 . . . . . . . . . . . . 13,55 12,83 12,62 |
A103 . . . . . . . . . . 28,51 29,07 16,80 |
CaO............ 0,09 0,17 0,31 |
TVIg 0 . . . . . . . . . . . 17, 5O 19,20 18,37 |
Cr, 03 .......... 37,23 I 32,90 46,22 |
100,00 I 99,38 I 99,63 |
Diese Chromerze enthalten eine Hauptphase von Spinellzusammensetzung, die von Verunreinigungen
an Magnesiumsilikaten begleitet ist. Wenn ein solches Chromerz der chemischen Einwirkung
von Schwefelsäure und Flußsäure unterworfen und schließlich mit verdünnter Salzsäure
ausgelaugt wird, wird die Silikatphase bzw. die Kieselsäure entfernt. Für die Entfernung
der Silikatphase bzw. der Kieselsäure bei Untersuchung der Chromerze wird die leichte
Zersetzbarkeit der Hydrosilikate und Oxvde durch Flußsäure und Schwefelsäure in
wäßriger Lösung ausgenutzt, wobei eine wesentliche Einwirkung auf den Chromspinell
nicht erfolgt. Die Kieselsäure reagiert mit der Flußsäure unter Entweichen von Siliziumfluorid,
wogegen die anderen Elemente, die ursprünglich an die Kieselsäure gebunden waren,
sich mit der Schwefelsäure unter Bildung von Sulfaten umsetzen. Die Sulfate werden
dann in verdünnter Salzsäure gelöst und durch Waschen bzw. Dekantieren entfernt.
Der Chromspinell, der praktisch durch diese Säuren nicht angegriffen wird, wird
getrocknet und zur Entfernung von gegebenenfalls an seiner Oberfläche festhaftenden
Säurefilmen gelinde auf etwa 200 bis 300°C erhitzt.
Im einzelnen
wird die Entfernung der Kieselsäure bzw. der Silikatphase auf folgende Weise durchgeführt:
Etwa 5 g Chromerz, die durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,074 mm
hindurchgehen, werden in einem Platintiegel oder in einer Platinschale mit 5 cm3
verdünnter Schwefelsäure (je 50 Volumteile Wasser und konzentrierte Schwefelsäure)
und anschließend mit 15 bis 20 cm3 500/,iger Flußsäure behandelt. Dann wird der
Tiegel bzw. die Schale unter zeitweiligem Rühren des Inhaltes mit einem Platindraht
eine halbe Stunde lang auf einer elektrischen Heizplatte erhitzt. Hierauf wird der
Inhalt des Platingefäßes in ein 400 cm' fassendes Becherglas, in welchem sich etwa
100 cm' verdünnte Salzsäure (gleiche Volumteile konzentrierte Salzsäure und Wasser)
befinden, eingegossen. Nach einigen Minuten andauerndem Kochen läßt man absetzen
und gießt die obenstehende Flüssigkeit ab. Dann setzt man 100 cm3 heißes Wasser
zu, rührt, läßt neuerlich absetzen und dekantiert wieder. Dieses Waschen mit Wasser
wird etwa vier- oder fünfmal wiederholt. Schließlich wird der Rückstand getrocknet
und schwach auf etwa 200 bis 300°C erhitzt, um den Chromitkörnungen gegebenenfalls
noch anhaftende Säurefilme zu entfernen. Es ist jedoch zu betonen, daß die für die
Entfernung der Kieselsäure bei der Untersuchung der Chromerze angegebene Methode
eine rein analytische Methode ist und daß es keineswegs beabsichtigt ist, die Kieselsäure
aus dem Chromerz, das im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, tatsächlich
zu entfernen. Vielmehr soll diese Untersuchungsmethode nur zur Ermittlung des im
Rahmen des Verfahrens gemäß der Erfindung anzuwendenden Chromits dienen.
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Im folgenden werden einige typische Analysen von Chromerzen vor und
nach dieser Behandlung zur Entfernung der Silikatphase gegeben:
Philippinisches Erz |
vor nach |
der Behandlung |
in °/o J in °/o |
Si02...................... 5,10 0,30 |
Fe 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12,83 13,99 |
All 03 ..................... 29,07 31,36 |
CaO...................... 0,17 - |
Mg0...................... 19,20 16:15 |
Cr203 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32,90 l
37,70 |
99,27 99,50 |
Das Molverhältnis von Aluminiumoxyd -j- Chromoxyd zur Magnesia in einem typischen,
gereinigten Spinell der für die Herstellung von feuerfesten Steinen üblicherweise
verwendeten Chromerze ist ungefähr 1,35: 1. Ein solches Erz gilt für die Herstellung
von feuerfesten Steinen wegen des Verhältnisses dieser die Feuerfestigkeit hauptsächlich
bedingenden Oxyde als ausreichend geeignet. Die restlichen Oxyde von Eisen müssen
nicht zur Gänze in Form von Fe 0 vorliegen, wie dies in den obigen Analysen angegeben
ist, doch kann angenommen werden, däß das Eisen hauptsächlich in Form eines RO-Oxydes
vorhanden ist, wobei das Verhältnis des gesamten Gehaltes an R203 zu R0 annähernd
1 : 1 ist. Ein derartiges Molverhältnis von Aluminiumoxyd -, Chromoxyd zum Magnesiumoxyd
ist für alle diese Chromerze, die man für die Herstellung von feuerfesten Steinen
als geeignet betrachtet, kennzeichnend. Die angeführten Verhältnisse liegen auch
im Falle von Chromerzen aus Neukaledonien, die neben etwa 540/, Cr,
0, noch
1,50/, Ca
0, 80 ;,
Mg 0,
17,5°,/, Fe
0, 11 O/, A120, und 30/,
Si
0, enthalten, ferner bei türkischen Chromerzen, die etwa 51,70j, Cr,
0,
1,7°l, Ca
0, 14,3°,'o
Mg 0, 14,20/, Fe
0, 14,10/,
All
0, und 3,5 0,', Si
0. aufweisen, und schließlich auch bei Chromerzen
vor, die neben etwa 32 0/, Cr, 03 noch 6 0/, Mg 0, 18,4 0/, Fe 0, 8 0/ö A1203 und
31,5 0/, Si 02 enthalten.
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Es gibt aber noch eine andere Art von Chromerzen, die durch ein viel
höheres Verhältnis ihrer feuerfesten Oxyde Aluminiumoxyd (A1203) -E- Chromoxyd (Cr203)
zur Magnesia (Mg0) gekennzeichnet ist. Ein typisches Erz dieser Art wird im Transvaal-Distrikt
in Südafrika abgebaut und ist auf dem Markt in der chemischen Indu3trie als "Transvaal-Chromerz,
erhältlich. Bisher war es nicht mögli--h, unter Verwe idung von Chromerzen aus Transvaal
zufriedenstellende feuerfeste Steine herzustellen.
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Für die typische Zusammensetzung eines Transvaal-Chromerz°s ist etwa
charakteristisch, daß der Gehalt an Si 0, bis höchstens etwa 5°/, beträgt
und der Gehalt an Fe0 über 20a/, liegt.
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Die folgenden Analysen zeigen die Zusammensetzung eines typischen
Transvaal-Chromerzes vor und nach der Entfernung der Kieselsäure.
Transvaal-Chromerz |
vor 1 nach |
der Behandlung |
in °/o I in °/o |
Si02...................... 3;20 0;60 |
Fe0...................... 24,59 25,81 |
A1203. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16,05 16,47 |
CaO ...................... 0,10 - |
Mg0...................... 12,05 9,27 |
Cr, 03 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44,01 47,25 |
100,00 I 99;40 |
Das Molverhältnis von A12 03 -f- Cr, 0, zu Mg 0 in der Spinellphase von Transvaal-Chromerz,
das zwecks Entfernung der Kieselsäure behandelt wurde, beträgt ungefähr 2,07: 1.
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Das Eisenoxyd ist in den Transvaal-Chromerzen hauptsächlich als Fe
0 vorhanden (wenn auch eine kleine Menge als Fee 03 vorliegen kann), und das Fe
0 bewirkt die Einstellung eines R20,-R O-Verhältnisses von ungefähr 1 : 1. Fe0 ist
jedoch kein stabiles feuerfestes Oxyd. Beim Erhitzen eines Transvaal-Chromerzes
wird Fe 0 zu Fe, 08
oxydiert und das Gleichgewicht von R203 zu R0 im Spinell
mit einer überaus nachteiligen Wirkung auf die Eigenschaften des feuerfesten Materials
verschoben. Beim Erhitzen von Transvaal-Chromerzen auf ungefähr 1400°C wird das
Ergebnis dieser Oxydation bei petrographischer Beobachtung durch das Auftreten von
Fee 03 sichtbar. Ferner zeigt die Beugung von Röntgenstrahlen bei gereinigtem Chromerz
vor dem Erhitzen ein definiertes Spinellgitter ohne ausgesprochen umdefinierte Linien.
Nach dem Erhitzen aber treten, obwohl die Spinellnien bleiben, zahlreiche andere
Linien auf, die eine Änderung im Oxydgleichgewicht in den Spinellkristallen des
Transvaal-Chromerzes anzeigen. Der Chromspinell eines solchen Chromerzes, das einen
Fehlbetrag an feuerfester Magnesia im R0 _Anteil aufweist, wodurch das molare Verhältnis
von A12 03 -;- Cr, 0, zu MgO den Wert von 1,75 überschreitet, ist daher für die
Herstellung von feuerfesten Steinen nicht geeignet. Tatsächlich wird auch Transvaal-Chromerz
für solche Zwecke nicht verwendet.
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Es wurden nun ausgedehnte Untersuchungen über das Verhalten von Chromerz
der Transvaal-Type bei lohen Temperaturen durchgeführt. Diese Versuche ergaben,
daß beim Erhitzen dieser Erze in Gegenwart von Magnesiumoxyd auf ungefähr 1300 bis
1400°C eine bemerkenswerte Änderung eintritt. Die Magnesia wird von der
kristallinen
Spinellphase tatsächlich absorbiert, wodurch deren Charakter geändert wird. Wein
man z. B. 75 %
von gereinigtem Transvaal-Chromerz mit 25 % Magnesia
5 Stunden lang auf 1400°C erhitzt und dan-i das Produkt mit einer 50°/oigen Salzsäurelösung
behandelt, um Magnesia oder andere nicht zur Spinellphase gehörende Bestandteile
zu entfernen, so findet man, daß der Magnesiagehalt der Spinellphase auf ungefähr
24 bis 250/,
erhöht ist und daß das Molverhältnis von A1203 + Cr203 zu MgO
kleiner als 1 : 1 geworden ist. Durch diese Behandlung werden die durch Fe 0 möglichen
Schädigungen auf ein Minimum verringert, und es bildet sich eine feuerfeste Phase,
in der das ausgeglichene Verhältnis von R203 zu R0 durch beständige feuerfeste Oxyde
erreicht wird, während einem durch Oxydation bewirkten Übergang des Eisens von Fe0
in Fe203 durch die zugesetzte Magnesia begegnet wird. Die Röntgenstrahlenbeugung
an den magnesiareicheren Kristallen ergibt eine definierte Spinellstruktur.
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Auf diese Weise ist man durch die oben beschriebene Wirkung der Magnesia
imstande, Transvaal-Chromerze für die Herstellung von feuerfesten Steinen verwendbar
zu machen, während man diese Erze bisher für unverwendbar hielt.
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Es wurde festgestellt, daß dieses Verfahren, Transvaal-Chromerze für
die Herstellung von feuerfesten Steinen geeignet zu machen, von besonderem Vorteil
bei der Erzeugung von Steinen ist, die ohne vorhergehendes Brennen im Ofen verwendet
werden. Diese kommen dann als sogenannte ungebrannte Steine auf den Markt. Bei der
Herstellung von ungebrannten feuerfesten Steinen liegt eine der Hauptschwierigkeiten
in der linearen Schrumpfung, die eintritt, wenn die ungebrannten Steine während
des Gebrauches den hohen Ofentemperaturen ausgesetzt werden. Es wurde festgestellt,
daß Steine auf der Basis von Transvaal-Chromerz, dem Magnesiumoxyd zugesetzt wurde,
um das Verhältnis von R203 zu R0 zu korrigieren, von einer solchen Schrumpfung frei
sind. Bei der hohen Ofentemperatur wird Fe0 oxydiert, Magnesiumoxy d tritt in die
Chromerzkristalle ein und verursacht eine gewisse Ausdehnung, wodurch die Neigung
zur Schrumpfung, die sonst bei solchen ungebrannten Steinen vorhanden ist, aufgehoben
wird. Als Endergebnis liegt ein ungebrannter Stein vor, der beim Erhitzen auf Ofentemperatur
keine wesentliche natürliche Schrumpfung erleidet.
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Es wurde weiter festgestellt, daß ein ungebrannter Stein, der aus
Transvaal-Chromerz und Magnesiumoxyd hergestellt ist, beim anfänglichen Erhitzen
während des Gebrauches eine bessere keramische Bindung entwickelt, weil die Oxydation
von Fe 0 die Bildung von Fee 03 bewirkt, welches in Gegenwart von MgO die Verbindung
112g0 - Fe203 bildet; dieser Magnesiumferrit erhöht die Festigkeit der Bindung wesentlich
und verbessert dadurch die Widerstandsfähigkeit der Steine bei mittleren Temperaturen.
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Zufolge dieser besonderen Eigenschaften des Transvaal-Chromerzes ist
es zweckmäßig, dieses für die Herstellung von ungebrannten Chromitsteinen zu verwenden.
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Ein Chromerz der oben beschriebenen Transvaaltype ist, wenn die besonderen
Maßnahmen gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden, tatsächlich sehr gut
für die Herstellung von feuerfesten Steinen geeignet. Die Anwesenheit von kieselsäurehaltigen
Verunreinigungen ist nicht nachteilig, und es ist bei der Herstellung von handelsüblichen
Steinen nicht wünschenswert, die Kieselsäure durch chemische Behandlung zu entfernen,
wie dies bei den oben angegebenen Untersuchungen zur Erforschung der Eigenschaften
der Spinellphase geschehen ist. Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
wird das Chromerz zerkleinert und gesiebt, um Körnungen einer Größe zu erhalten,
die durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 3,3 mm hindurchgehen und a
if einem Sieb mit einer lichten Maschen-,veite von 0,6 mm zurückbleiben. Vorzugsweise
werden 65 % solcher grobkörniger Chromerzteilchen zusammen mit 35
%
Magnesiafeinkornteilchen, die mindestens durch ein Sieb mit einer
lichten Maschenweite von 0,3 mm hindurchgehen, verwendet.
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Die verwendete Magnesia kann totgebrannter natürlicher Magnesit oder
Periklas sein, der durch Kalzinieren von Magnesiumhydroxyd (aus Seewasser oder Sole
hergestellt) bei Temp3raturen von etwa 1600'C gewonnen wurde. Eine typis--he Analyse
einer solchen Seewassermagnesia ist folgende:
Glühverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0,00/, |
Si02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 3,00/, |
Fee 03 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 2,00/, |
A1203 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 1,30/, |
Ca 0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 3,40/0 |
MgO (Differenzbetrag) ............. 90,3°/o |
100,00/0 |
Die Mischung wird angefeuchtet und ein Bindemittel, wie Schwefelsäure, saures Natriumsulfat,
Magnesiumsulfat, Magnesiumchlorid, Sulfitablauge oder ein anderes organisches Bindemittel,
zugesetzt. Die Menge des verwendeten Bindemittels kann in der Regel bei 1
% liegen, soll aber keinesfalls 5 °/o, bezogen auf den Stein nach Entfernung
des Wassers durch Trocknen, übersteigen. Die zum Formen vorbereitete Mischung wird
zu Steinen verformt, zweckmäßig unter Anwendung eines Preßdruckes von etwa 350
kg /cm2, vorzugswaise bei einem Druck von etwa 700 kg/cm' oder darüber. Die
gepreßten Steine werden, um die Feuchtigkeit zu entfernen und die keramische Bindung
zu entwickeln, getrocknet.
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Gegebenenfalls können die Steine, um die Bindung zu verbessern, vor
dem Trocknen mit Kohlendioxydgas unter Druck behandelt werden. Für verschiedene
Zwecke kann man in Übereinstimmung mit bekannten Vorschlägen die Masse für die feuerfesten
Steine auch zusammen mit Stahlblechen verformen, die auf die Hauptflächen gepreßt
werden.
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Die erfindungsgemäß hergestellten Steine können in allen bei hohen
Temperaturen arbeitenden Öfen verwendet werden, in denen Steine aus Mischungen von
Chromit und Magnesia benutzt werden, z. B. in Siemens-Martin-Stahlöfen, in Kupferschmelzöfen
und in anderen bei hoher Temperatur arbeitenden Schmelz- und Raffinieröfen.
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Die bevorzugte Zusammensetzung der Steine ist 65 grobkörniges Chromerz
der angeführten Art bzw. Transvaal-Chromerz mit dem oben angegebenen Körnungsbereich
und 35 % feine Magnesiakörnungen, ebenfalls mit den oben angeführten Korngrößen.
Der Magnesiagehalt kann im Feinanteil bis auf 250/,) oder sogar 2001, bezogen auf
den feuerfesten Stein, herabgesetzt werden. Ein Weg zur Erreichung dieses Zieles
besteht darin, die feinkörnigen Magnesiateilchen, soweit sie 200/" bezogen auf den
Stein, übersteigen, durch Chromerzteilchen zu ersetzen, die durch ein Sieb mit einer
lichten Maschenweite von 0,3 mm hindurchgehen, indem man z. B. den Feinkornanteil
von 35 °/o aus 20 % feinen Magnesiateilchen und 15 °/o feinkörnigen Chromerzteilchen
aufbaut.
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Andererseits kann der Betrag an Magnesiafeinkorn bis zu 40
% oder sogar 50 °/o, bezogen auf den Stein, erhöht werden, indem die Menge
des Grobkornanteiles auf 60 %
oder selbst auf 50 °/o vermindert wird, wobei
die Grobkornanteile
in der Regel aus dem Chromerz bzw. aus Transvaal-Chromit
gebildet werden.
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Das grobe Chromerz kann durch grobkörnige Magnesia, die durch ein
Sieb mit einer lichten Maschenweite von etwa 3,3 mm, vorzugsweise etwa 2,5 mm, hindurchgeht
und auf einem Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,6 mm zurückbleibt, ersetzt
werden, wobei nicht mehr als bloß 20 °/o grobkörniger Transvaal-Chromitteilchen
verwendet werden und grobe Magnesiakörnungen angewendet werden, um den Grobkornanteil
auf 65 °/o zu bringen.
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Es kann also die Menge des Transvaal-Chromits zwischen 80 und 200/,
und die Menge der Magnesia zwischen 20 und SO 0/, des feuerfesten Steines
schwanken, wobei der Grobkornanteil zwischen 50 und SO °/q, bezogen auf den Stein,
liegen kann (die groben Teilchen können aus Transvaal-Chromit oder aus Transv aal-Chromit
und Magnesia in den angeführten Verhältnissen bestehen) und der Feinkornanteil,
der aus feinen Teilchen von Magnesiumoxyd oder einer Mischung von Transvaal-Chromit
mit Magnesia in den angegebenen Grenzen besteht, zwischen 20 und 50 % betragen kann.
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Alle Angaben über die Zusammensetzung der Steine in Prozenten beziehen
sich auf Gewichtsprozente, bezogen auf das feuerfeste Material, ohne Berücksichtigung
des Bindemittels, das in Mengen von etwa 1 °/o vorhanden ist und 5 °/a des Gewichtes
der feuerfesten Steine nicht überschreiten soll.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht die Herstellung von feuerfesten
Steinen oder Massen erhöhter Widerstandsfähigkeit oder hoher Bruchfestigkeit, die
im ungebrannten Zustande verwendet werden können. So zeigten z. B. Steine mit einem
Gehalt von 65% Transvaal-Chromerz und 35 °/o Seewassermagnesia beim Wiedererhitzen
auf 1650°C während 5 Stunden keine bleibende Schrumpfung, sondern hatten eine wünschenswerte
lineare Ausdehnung von ungefähr 1 °j;. Diese Steine zeigen im Vergleich mit solchen,
die aus sogenannten feuerfesten Chromerzen, wie kubanischem, philippinischem oder
türkischem Chromerz hergestellt wurden, welche bislang für die Herstellung von feuerfesten
Steinen allein für brauchbar gehalten wurden, sehr günstige Eigenschaften, obwohl
man bisher Transvaal-Chromerz für unverwendbar hielt.