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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Eisenoxidgehaltes
einer metallurgischen Schlacke bzw. deren Metallbades beim Schmelzen von Stahl und
Eisen, das eine Steuerung der für jeden Schmelzvorgang wichtigen Verschlakkung ermöglicht.
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Es ist bekannt, daß verschiedene Verunreinigungen, die in dem chargierten
Metall und in dem für die Wärmeerzeugung benötigten Brennstoff vorliegen bzw. während
des Schmelzvorganges entstehen, durch die Schlacke. aus dem Metallbad entfernt werden.
Bei den meisten Schmelzvorgängen stehen die Art und Zusammensetzung der Schlacke
mit der Qualität des erzeugten Metalls in unmittelbarer Beziehung. Insbesondere
der Gehalt der Schlacke an Oxiden, der bei Eisenschmelzen Eisenoxide, Siliziumoxide
und Manganoxide umfaßt, ist für den Erfolg der Schmelze weitgehend bestimmend.
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So ist ein hoher Gehalt an Metalloxiden in der Schlacke Kennzeichen
für stark oxidierende Schmelzbedingungen. übertrieben große Oxydation während des
Schmelzens führt zu Einschlüssen, Hohlräumen und anderen Fehlern in den Gußstücken,
die aus dem Metall erzeugt werden, während übermäßig reduzierende Schmelzbedingungen,
die sich in einem niedrigen Gehalt der Schlacke an Metalloxiden äußern, Fehler wie
Gasbildung, »bot tears« und andere Dendrit Bildungen infolge der Gegenwart von Wasserstoff
in der Schmelze verursachen.
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Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren für eine schnelle Abschätzung
des Eisenoxidgehaltes der Schmelze oder der auf dem Metallbad liegenden Schlacke
zu schaffen. Entsprechend dem Ergebnis der Messung können die Schmelzbedingungen
so gesteuert werden, daß ein demiOptimum derMetallquali- ; tät entsprechender Oxydationsgrad
eingestellt wird.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
wahre Temperatur der Schlacke und ohne Berücksichtigung des Emissionskoeffizienten
die scheinbare optische Temperatur der Schlacke gemessen werden und die Differenz
dieser beiden Temperaturen als Maß für den Eisenoxidgehalt bestimmt wird.
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Die Erfindung ist auf alle Arten von Schmelzprozessen mit Gußeisen,
Roheisen und Stahl anzuwenden.
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Wird die Temperatur einer Schlacke mit Hilfe eines Pyrometers gemessen,
erhält man nicht die wahre Temperatur. Das liegt daran, daß die Schlacke kein schwarzer
Strahler ist, wie für die Pyrometerrnessung erforderlich, sondern ihr Emissionskoeffizient
von 1, dem Wert für schwarze Strahlung, abweicht. Nur bei einem sogenannten »schwarzen
Strahler«, der das bei einer bestimmten Temperatur erreichbare Maximum an Lichtwellen-Energie
ausstrahlt, ist der mit einem Pyrometer erhaltene Wert gleich der wahren Ternperatur,
wie sie mit einem eingetauchten Thermoelement gemessen werden kann. Ist der Emissionskoeffizient
eines Körpers kleiner als 1, d. h., wird nur ein Teil der Lichtwellen ausgesandt,
die ein schwarzer Körper bei der gleichen Temperatur abgibt, dann mißt man mit dem
Pyro:neter eine zu niedrige »scheinbare Temperatur«. Sofern der Emissionskoeffizient
bekannt ist, kann mit dessen Hilfe eine entsprechende Korrektur der erhaltenen scheinbaren
Temperatur ausgeführt werden. Geschmolzene Metalle, wie Roheisen, Gußeisen und Stahl
haben ziemlich gut bekannte Emissionskoeffizienten, so daß es bei der pyrometrischen
Temperaturmessung , dieser Metalle möglich, ist, die entsprechende Korrektur vorzunehmen
und damit die wahre Temperatur zu erhalten.
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Für die Schlacken sind die Emissionskoeffizienten kaum bekannt und
so variabel, daß die optische Bestimmung der wahren Temperatur von Schlacken ohne
besondere Hilfsmittel unausführbar ist. Bei bestimmten Pyrometern werden besondere
Filter benutzt, mit deren Hilfe man wie bei schwarzer Strahlung messen und daher
auch ohne Schwierigkeit die Temperatur geschmolzener Schlacken bestimmen kann. Eintauchbäre
Thermoelemente können für diesen Zweck ebenfalls benutzt werden. Bei dem Verfahren
gemäß der Erfindung wird zunächst die wahre Temperatur einer Schlackenprobe oder
des Schlackenbades bestimmt. Dies kann z. B. mit einem Gesamtstrahlungspyrometer,
das für ein Messen wie bei schwarzer Strahlung eingerichtet ist, oder mit Hilfe
eines eingetauchten Thermoelementes geschehen. Man kann die Temperatur der Schlacke
auch mit guter Näherung dadurch bestimmen, daß man die wahre Temperatur des Metallbades
mißt, das in Berührung mit dem Schlackenbad steht: Da die Schmelze auf dem Metallbad
schwimmt, sind ihre Temperatur und die des Metallbades einander ziemlich gleich.
Als zweiter Schritt wird die scheinbare Temperatur der Schlacke mit Hilfe eines
normalen optischen Pyrometers, also ohne Berücksichtigung des Emissionskoeffizienten,
gemessen. Die Differenz zwischen der wahren und der erhaltenen scheinbaren Temperatur
entspricht dem Emissionskoeffizienten der Schlacke.
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Der Emissionskoeffizient steht, wie gefunden wurde, in direkter Beziehung
zu dem Eisenoxidgehalt der Schlacke, so daß man ihn oder die Differenz zwischen
der wahren und der scheinbaren Temperatur zur Messung des Eisenoxidgehaltes der
Schlacke benutzen kann. Man wird dadurch in den Stand gesetzt, den Schmelzvorgang
zu lenken, d. h. den Oxydationsgrad in der Schmelze zu erhöhen oder zu erniedrigen,
wie dem Fachmann bekannt ist, und so den Eisenoxidgehalt der Schlacke auf den für
das zu erzeugende Metall günstigen Wert einzustellen. Eine solche Einstellung würde
z. B. beim Schmelzen in einem Kupol-Ofen in einem Verringern der Luftzufuhr zur
Erniedrigung des Oxydationsgrades oder in einer Zugabe von Kohle zu dem gleichen
Zweck bestehen. Im Falle der Benutzung von Gas oder öl
als Brennstoff würde
das Einstellen eines geringeren Oxydationsgrades in einer Veränderung der Flammenfarbe
durch stärkere oder schwächere Zuführung von Brennstoff im Vergleich zur Verbrennungsluft
bestehen. Im Falle elektrischer Beheizung könnte eine solche Einstellung in der
Einführung eines kohlenstoffhaltigen Materials in das Bad zur Erniedrigung des Oxydationsgrades
oder in der Zugabe von Eisenoxid zur Erhöhung des Oxydationsgrades bestehen.
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Die Erfindung soll nun an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert
werden, das eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf das Schmelzen von
Gußeisen im Kupol-Ofen beschreibt. Die Zeichnung zeigt eine Eichkurve für den im
Ausführungsbeispiel betrachteten Fall, die die Beziehung zwischen dem Eisenoxidgehalt
der Schlacke und der Differenz zwischen wahrer und scheinbarer Temperatur der Schlacke
darstellt.
Ein Kupol-Ofen wurde chargiert und auf die Schmelztemperatur
des Metalls gebracht. Zwei Stunden nach dem Erreichen der Arbeitstemperatur wurde
die wahre Temperatur der von dem vorderen Schlackenabzug ablaufenden Schlacke mit
Hilfe eines Platin-Thermoelements gemessen. Sie betrug 1510° C. Ungefähr zur gleichen
Zeit wurde die Temperatur der Schlacke unter Benutzung eines Pyrometers gemessen,
das kein Filter zum Ausgleichen der Abweichung der Strahlung von schwarz enthielt.
Die scheinbare Temperatur lag bei 1475° C. Die Differenz zwischen der wahren und
der scheinbaren Temperatur betrug also 35° C. Gemäß der Zeichnung entspricht das
einem Eisenoxidgehalt von 8,8 %. Da dieser zu hoch war, wurde die Luftzufuhr
erhöht. Nach weiteren 30 Minuten wurden die gleichen Temperaturmessungen ausgeführt.
Die wahre Temperatur hatte jetzt 1525° C erreicht und die scheinbare Temperatur
war l470° C. Die Differenz betrug demzufolge 55° C, was gemäß der Zeichnung einem
Eisenoxidgehalt von 5,4 o n entspricht. In der gleichen Zeit änderte sich die Farbe
der Schlacke; sie erschien heller und zeigte damit einen geringeren Oxydationsgrad
an.
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Zur Aufstellung der in der Zeichnung dargestellten Kurve wurde eine
Reihe von Versuchsschmelzen mit unterschiedlichen Oxydationsgraden durchgeführt.
Es wurden bei diesen Versuchen gleichzeitige Messungen der wahren und der scheinbaren
Temperatur der Schlacke gemacht und dabei Proben zur Analyse des Eisenoxids genommen.
Der analytisch ermittelte Eisenoxidgehalt wurde gegen die Differenz zwischen wahrer
und scheinbarer Temperatur aufgetragen.
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Die Messungen der wahren und der scheinbaren Temperatur können mit
Hilfe zweier Teilstrahlungs-oder Gesamtstrahlungs-Pyrometer durchgeführt werden.
Das Pyrometer zur Messung der wahren Temperatur muß dann mit entsprechenden Filter-Medien
für den Ausgleich der Abweichung von der schwarzen Strahlung ausgerüstet sein, wohingegen
die Messung der scheinbaren Temperatur ohne solche Kompensationsfilter gemacht wird.
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Bei Anwendung der Erfindung ist zu berücksichtigen, daß die neben
dem Eisenoxid in der Schlacke enthaltenen Bestandteile für den Emissionskoeffizienten
mitbestimmend sind. Zum Beispiel kann bei einer basischen Schlacke, die einen hohen
Ca0- und Mg0-Gehalt hat, aber niedrig im Si0,-Gehalt ist. die genaue Beziehung zwischen
dem Eisenoxidgehalt und dem Emissionskoeffizienten nicht zahlenmäßig die deiche
sein, wie bei einer sauren Schlacke mit niedrigem Mg0- und Ca0- und verhältnismäßig
hohem Si0"-Gehalt. Es ist aus diesem Grunde besser, die in der Zeichnung dargestellte
Beziehung für jede Art von Schmelzvorgang und Schlacke gesondert aufzustellen. Der
Eisenoxidgehalt wird damit zur einzigen Variablen.
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In der Praxis ist die Zusammensetzung einer Schlacke mit Ausnahme
des Eisenoxidgehaltes ziemlich leicht zu regulieren, da diese durch die Anteile
der beim Schmelzprozeß benutzten Flußmittel bestimmt wird. Der Eisenoxidgehalt hängt
jedoch grundsätzlich von dem Oxydationsgrad der Schmelze ab. Die Erfindung gibt
eine Möglichkeit zu einer genauen und sorfortigen Einstellung der Oxydationsgrades,
da durch sie die Schmelzbedingungen entsprechend den Erfordernissen geändert werden
können. Da sich der Oxydationsgrad beim Schmelzen ohne vorherige Anzeichen in kurzen
Zeitabschnitten ändern kann, ist es nicht möglich, sich zur Steuerung des Schmelzvorganges
auf eine chemische Analyse zu verlassen: Die Analvsen-Methoden für Eisenoxid sind
zeitraubend, so daß noch während der Analyse verschiedene Veränderungen des Oxydationsgrades
stattfinden können. Bei Benutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich dagegen
der Oxydationsgrad der Schlacke sofort feststellen. Eine sehr geeignete Methode
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist z. B. die Benutzung aufzeichnender
Pyrometer sowohl für die wahre als auch für die scheinbare Temperatur der Schlacke.
Es können dann kontinuierliche Bestimmungen des Eisenoxidgehaltes der Schlacke gemacht
und jederzeit entsprechende Korrekturen durch das Bedienungspersonal vorgenommen
werden.