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Verfahren zur Herstellung von Stahl aus Schrott
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
von Stahl aus Schrott und/oder vergleichbaren Materialien, beispielsweise vorreduzierte
Pellets bzw. Eisenschwamm, bei dem der Schrott zusammen mit kohlenstoffhaltigen
Energieträgern, wie z.B. Koks und/oder Kohle, in einen Konverter chargiert wird,
der unterhalb des Badspiegels in der feuerfesten Ausmauerung Sauerstoffeinleitungsdüsen
mit Kohlenwasserstoffummantelung besitzt, und in dem gleichen Konverter ohne wesentliche
Unterbrechung Stahl hergestellt wird.
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Der verstärkte Einsatz von Schrott und vergleichbaren Eisenträgern
zur Stahlerzeugung findet heute immer mehr Interesse.
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Die Nutzung von Schrott als Rohstoffquelle, führt normalerweise ohne
Ausbau der Roheisenkapazität zu einer Produktionserhöhlung und einer Verbesserung
der Wirtschaftlichkeit bei der Stahlerzeugung. Neben einer gesteigerten, bis hin
zur ausschließlichen Anwendung von Schrott in den Siemens-Martin- und Elektrolichtbogenöfen,
sind auch Verfahren zur Schrottsatzerhöhung bei den Konverterprozessen und zum Einschmelzen
von Schrott als Vormaterial für die bekannten Stahlerzeugungsanlagen, insbesondere
für Sauerstoffkonverter 1 bekanntgeworden.
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Die deutsche Patentschrift 18 00 610 bezieht sich z.B. auf ein Verfahren
und eine Vorrichtung, mit der es möglich ist, Stahlschrott in einem Gefäß mittels
cines Brenners, der mit einer tellerförmigen Flamme arbeitet, aufzuschmelzen. Anschließend
wird das erzeugte flüssige Schmelzgut in einem nachgeschalteten Raffinierprozeß
in einem anderen Aggregat zu Stahl gefrischt.
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Die noch nicht zum Stand der Technik gehörende deutsche Patentanmeldung
P 27 19 981 beschreibt bereits ein Verfahren, bei dem in einem Konverter mit Sauerstoff-Einleitungsdüsen
unterhalb der Badoberfläche, also in einem als OBM-Konverter bekannten Frischgefäß,
Schrott zusammen mit Koks und anderen gasförmigen bzw. flüssigen Brennstoffen aufgeschmolzen
und in einem Arbeitsgang daraus Stahl hergestellt wird. Bei diesem bekanntgewordenen
Verfahren arbeitet man bis zu Temperaturen von ca. 10000C neben Koks auch mit gasförmigen
und flüssigen Brennstoffen in oxidierender Atmosphäre. Bei ansteigenden Temperaturen
über ca. 10000C wird eine reduzierende Atmosphäre im Konverter eingestellt, und
es wird nur noch Koks als Brennstoff angewendet.
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Neben den Vorteilen, die damit verbunden sind, Schrott in einem Konverter
aufzuschmelzen und ohne Zugabe von flüssigem Roheisen im gleichen Konverter zu Stahl
zu verarbeiten, zeigt dieses bekannte Verfahren jedoch den Nachteil, daß die Wirtschaftlichkeit
des genannten Schrottaufschmelzverfahrens unter der geringen Energieausnutzung,
insbesondere beim Einstellen der reduzierenden Atmosphäre im Konverter ab Temperaturen
von ca.
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1000°C, leidet. Der von diesem Temperaturniveau an aufwärts ausschließlich
als Brennstoff eingesetzte Koks wird i wesentlichen nur noch zu CO verbrannt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Schmelzverfahren
für Schrott und vergleichbare Materialien, wie vorreduzierte Pellets, Eisenschwamm
und Festroheisen, in einem Konverter, der anschließend für die Stahlerzeugung in
gleicher Hitze herangezogen wird, insbesondere ausgehend von den Lehren nach der
deutschen Patentanmeldung P 27 19 981, in der Weise zu verbessern, daß der Wärmeverbrauch
für das Schrottaufsc~hmelzen bedeutend gesenkt und damit die Wirtschaftlichkeit
erheblich gesteigert wird.
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Dic Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß der Schrotteinschmelzprozeß
im wesentlichen in zwei Einschmelzphasen erfolgt, bei dem in der ersten Phase, die
sich etwa bis zum Zugabezeitpunkt der Hälfte der insgesamt benötigten Sauerstoffmenge
erstreckt, so viel Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff durch jede der genannten Düsen
in den Konverter geleitet werden, wie für eine stöchiometrische Verbrennung zu C02
und H20 erforderlich sind, und daß in der zweiten Einschmelzphase die Kohlenwasserstoffmenge
langsam auf die für den Düsenschutz erforderliche Rate von unter 10 Gew-%, bezogen
auf den Sauerstoff, erniedrigt wird.
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Überraschenderweise hat es sich in der fletriebspraxis beim Einschmelzen
von Schrott sowie vergleichbarer Materialien, beispielsweise vorreduzierte Pellets,
Eisenschwamm und Festroheisen, im OBM-Konverter gezeigt, daß der Brennstoffverbrauch
sich beträchtlich vermindern läßt, wenn die gasförmigen und/ oder flüssigen Kohlenwasserstoffe
durch die in der feuerfesten Ausmatlerung eingebauten Sauerstoffeiiileitungsdtisen
derart eingeleitet werden, daß diese Düsen über einen möglichst langen Zeitraum
bis hin zur ersten Schrottverflüssigung nach Art eines Brenners, mit voller stöchiometrischer
Verbrennung, betrieben werden. Bei dem vorzugsweise als Brennstoff verwendeten Heizöl
werden z. B. pro Liter Öl ca. 3 Nm3 Sauerstoff gleichzeitig in den Konverter geleitet.
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Erst wenn ein merklicher Anteil des Schrottes geschmolzen vorliegt,
wird diese Betriebsweise der Sauerstoffeinleitungsdüsen umgestellt. Die Kohlenwasserstoffmenge
wird dann langsam auf die für den Düsenschutz erforderliche Menge von < 10 Gew-%
reduziert. Die Erfahrungswerte für das Düsenschutzmedium, bezogen auf die Sauerstoffmenge,
liegen für Erdgas bei ca. 8 Vol-%1 bei Propan bei ca. 3 Vol-% und bei Heizöl sind
es etwa 0.03 l/Nm3, also etwa 1/10 der für die stöchiometrische Verbrennung erforderlichen
Ölmenge.
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Eine mögliche Erklärung für die überraschende Energieeinsparung, die
mit der vorliegenden Erfindung erzielt wird, kann darin liegen, daß Koks mit abgasen,
die im wesentlichen aus C02 und all20 bestehen, anders reagiert als mit Abgasen,
in denen freier Sauerstoff vorhanden ist. Die Reaktionen mit C02 und H20 führen
zu einer Abkühlung des Kokses, während durch die Verbrennung mit °2 eine starke
Temperaturerhöhung auftritt. Dieser Effekt bewirkt wahrscheinlich, daß während der
ersten Phase des Aufheizvorganges der Koks hevorzugt nur erwärmt wird, und er dann
weitgehend während der Endphase, wenn erste Schrottschmelze vorhanden ist, verbrannt
wird.
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Die Veränderung des Öl/Sauerstoff-Verhältnisses zu Beginn der Frischphase
im Konverter, kann sowohl durch Zurücknahme der Kohlenwasserstoffmenge als auch
durch Steigerung der Sauerstoffdurchflußrate, sowie durch beide Schritte erfolgen.
Ebenso kann das Verhältnis stufenweise geändert oder kontinuierlich auf geringere
Kohlenwasserstoffmengen zurückgenommen werden.
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Der Zeitpunkt, von dem an mit zunehmendem Sauerstoffüberschuß gearbeitet
wird, liegt etwa bei dem Verbrauch der halben Sauerstoffmenge, die für das Schrotteinschmelzen
und die anschliessende Frischphase erforderlich ist. Auf jeden Fall liegt zu diesem
Zeitpunkt bereits ein geschmolzener Anteil des Schrotts vor.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die Düsen in der Konverterseitenwand unterhalb der Badoberfläche etwa 20
bis 80 cm, vorzugsweise 50 cm, oberhalb des Konverterbodens bei einem neu ausgemauerten
Konverter angebracht. Diese Ausbildungsform ermöglicht es, die Sauerstoffeinleitungsdüsen
während des überwiegenden Teiles des gesamten Schrottschmelzprozesses, insbesondere
länger als bei der Bodenanordnung, mit voller stöchiometrischer Verbrennung zu betreiben.
Die Umstellung auf eine geringere Kohlenwasserstoffrate
crfolgt
bei dieser Düsenanordnung erst, wenn etwa 3/4 der insgesamt benötigten Sauerstoffmenge
eingeblasen sind. Diese Maßnahme führt zu einer weiteren Erhöliung der Wirtschaftlichkeit
beim Erzeugen von Stahlschmelzen aus Schrott. Die Düsenanordnung wird bevorzugt
in Konvertern eingesetzt, die speziell für die Stahl erzeugung nach dem erfindungsgemaßen
Verfahren gebaut werden. Die Düsen sind dann bevorzugt im Bereich unterhalb der
Konverterdrebachse in der Seitenwand angeordnet. Demgegenüber weist der iibliche
OBM-Konverter, bei dem die Düsen hauptsächlich im Konverterboden eingebaut sind,
eine größere Universalität auf, da er sowohl zum üblichen Stahlfrischtn aus Schrott
und Roheisen als auch zur Stahlerzeugung gemäß der Erfindung herangezogen werden
kann.
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Es liegt weiterhin im Sinne der vorliegenden Erfindung, im oberen
Teil des Konverter, also oberhalb der Stahlbadoberflächc der fertigen Charge, Sauerstoffeinleitungsdüsen
anzubringen.Diese Diisen sind im wesentlichen genauso aufgebaut wie die Sauerstoffeinleitungsdüsen
unterhalb der Badoberfläche.
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Sie werden ebenfalls mit einer ICohlenwasserstoffmenge betrieben,
die deutlich über der Düsenschutzmediumrate liegt, jedoch erhöht man an diesen Düsen
vorzugsweise die Sauerstoffmenge über das stöchiometrische Verhältnis zum Brennstoff.
Der überschüssige Sauerstoff, dessen Menge insbesondere während der zweiten Heizphase
erhöht wird, dient hauptsächlich der CO-Nachverbrennung im Konverter.
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Es hat sich weiterhin gezeigt, daß diese Düsen oberhalb der Badoberfläclie
besonders wirtschaftlich zu betreiben sind, wenn etwa während der ersten Frischphase
Luft als oxidierendes Medium eingesetzt und in der zweiten Schmelzphase auf reinen
Sauerstoff umgeschaltet wird. Selbstverständlich kann diese Erhöhung des Sauerstoffgehaltes
an den Düsen kontinuierlich und/oder stufenweise erfolgen.
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Die beschriebenen Düsen können in einem Konverterwandbereich deutlich
über der Schielze angeordnet werden. In einem üblichen Konvertergefäß, dessen Gestalt
in Längsrichtung gesehen aus drei Hauptteilen besteht, nämlich dem unteren Konus,
dem zylindrischen Mittelteil und dem oberen Konus, häufig Hut genannt, befinden
sich diese Düsen in der oberen Hälfte des zylindrischen !Fittelteiles bzw. im Hutbereich.
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Andererseits können diese Düsen auch vorteilhafterweise in der unteren
hälfte des zylindrischen Konvertermittelteiles in der Konverterseitenwand eingebaut
werden. In dieser Position liegen die Düsen bei der fertiggefrischten Charge direkt
oberhalb des Badspiegels. Für übliche Ronverterabmessungen ist dies eine Ebene etwa
zwischen etwa 1 m bis 1.50 m, meistens etwa 1.20 m, oberhalb des Bodenniveaus, in
einem neu zugestellten Gefäß. Diese Düsen direkt oberhalb der Badoberfläche werden
ähnliche betrieben, wie die Seitenwanddüsen unterhalb der Badoberfläche, die ca.
50 cm iiber dem Konverter boden angebracht sind.
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Der Einbaubereicli im Konverterquerschnitt gesehen, liegt bevorzugt
unter- oder oberhalb der Konverterdrehzapfen und ist für alle Seitenwanddüsen ungefähr
gleich.
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Die geringfügig oberhalb des Stahlbadspiegels angeordneten Seitenwanddüsen
nach der Erfindung führen in der Einschmelzphase zu einem verlängerten Brennerbetrieb
der Düsen und steigern damit die Wirtschaftlichkeit beim Stahlschmelzen aus Schrott.
So hat es sich in der Praxis gezeigt, daß die Seitenwanddüsen in etwa 1.20 m Höhe
über dem Boden, bis zur endgültigen Vcrflüssigung der gesamten Schrottmenge, mit
erhöhter Brennstoffrate, beispielsweise mit stöchiometrischem
Öl/Sauerstoff-Verhältnis
bei gutem Wärmeausnutzungsgrad, zu betrciben sind. Erst iii der letzten Frischphase,
etwa 2 bis 5 min vor Prozeßende, werden diese Düsen auf eine erhöhte Sauerstoffmenge
umgestellt und verbessern dann die CO-Nachverbrennung, ähnlich wie die weiter oben
im Konverter eingebauten Seitenwanddüsen.
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Nach den Lehren dieser Erfindung gilt für alle Sauerstoffeinleitungsdüsen,
daß es für den Betrieb der Düsen als Brenner, d.h. in der ersten eizphase, besonders
günstig ist, flüssige Kohlenwasserstoffes vorzugsweise Heizöl, zu verwenden. In
der zweiten Heizphase, wenn die Kohlenwasserstoffnenge erniedrigt wird, ist es von
Vorteil, auf gasförmige Medien, z.B. Erdgas, Propan und/oder Butan, umzustellen.
An die Düsen, die normalerweise aus zwei konzentrischen Rohren aufgebaut sind, wobei
durch das Innenrohr der'Sauerstoff und durch den Ringspalt die Kohlenwasserstoffe
strömen, ergeben sich durch diesen Wechsel von flüssigen auf gasförmiga Kohlenwasserstoffe
optimale Bedingungen. Es kann dann nämlich die Ringspaltgröße für das Einleiten
der höheren Heizölmenge, die auch gegenüber den gasförmigen Kohlenwasserstoffen
unter einem höheren Druck stehen, ausgelegt werden. Diese Ringspaltgröße erweist
sich dann ebenfalls als ausreichend für die gasförmigen Kohlenwasserstoffe, die
in sehr viel gerinyeren Mengen als Düsenschutz zur Anwendung kommen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann ein Teil der in den Konverter mit Schrott chargierten Koksmenge abgezogen und
pulverförmig durch eine oder mehrere Düsen unterhalb der Badoberfläche in den Konverter
geblasen werden. Es ist vorteilhaft, mit dem Einblasen des staubförmigen Kohlenstoffs
erst zu beginnen, wenn die Düsen bereits von einer Schmelze bedeckt sind.
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Für das Einblasen des pulverförmigen Kohlenstoffs können eine oder
mehrere der gleichen Düsen, die sonst der Sauerstoffzufuhr dienen, herangezogen
werden. Selbstverständlich ist es erforderlich, zur Inertisierung des gesamten Einblassystems,
vor der Kohlenstoffzufuhr einige Sekunden das gesamte Einblassystem mit einem Inertgas,
vorzugsweise Stickstoff, zu beaufschlagen; Die gleiche Inertgasspülung des Einblassystems
ist auch wieder vorzunehmen, bevor Sauerstoff durch das System strömt.
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Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht
sich auf die Brennstoffzufuhr in den Sauerstoffeinleitungsdüsen. Normalerweise wird
wie beschrieben, der Brennstoff zum Betreiben der Sauerstoffeinleitungsdüsen als
Brenner durch den Ringspalt für das Düsenschutzmedium geleitet.
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Es hat sich jedoch als vorteilhaft herausgestellt, insbesondere wenn
größere Brennstoffmengen den Düsen zugeführt werden, den Brennstoff in den Sauerstoffstrahl
zu leiten und den Düsenringspalt lediglich mit der üblichen oder einer geringfügig
erhöbten Düsenschutzmediummenge zu beaufschlagen. Um den Brennstoff möglichst zentral
in den Sauerstoffstrahl einzuführen, besitzt die Düse dafür ein zusätzliches Zentralrohr.
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Bei den geläufigen Ölmengen von ca. 2 l/niin und t Stahl genügt es,
wenn dieses Zentralrohr bei Düsen mit einem Sauerstoffeinleitungsrohr von ca. 30
bis 40 mm Durchmessers einen lichten Durchmesser von 5 mm aufweist.
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Bei diesem Düsenaufbau gemäß der Erfindung strömt der Sauerstoff durch
eine Art verbreiterten Ringspalt, um das zentrale Brennstoffzuführungsrohr. In dem
äußeren, üblichen Ringspalt mit ca. 1 mm Spaltbreite, leitet man in bekannter Weise
Kohlenwasserstoffe als Düsenschutzmedium zur Ummantelung des
Sauerstoffstrahles
ein. Sobald das zentrale Brennstoffeinleitungsrohr für die Brennstoffzufuhr, beispielsweise
zum Einleiten von Heizöl, nicht mehr genutzt wird, können gasförmige Kohlenwasserstoffe,
z.B. Methan, Propan, Butan und/oder inerte Gase, beispielsweise Argon und/oder Stickstoff,
dem Zentralrohr zugefühlt werden.
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Die Erfindung wird nunmehr anhand von einigen Beispielen näher erläutert,
die zur Veranschaulichung der wesentlichen Erfindungsgedanken dienen.
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In einen Konverter, der mit neuer Feuerfest-Zustellung ein inneres
Volumeii von 55 m³ aufweist, werden 65 t Schrott zusammen mit 6 t Hochofenkoks und
0.5 t stüclcigem, gebranntem Dolomit chargiert. Es ist vorteilhaft, den Dolomit
in den Chargiermulden so anzuordnen, daß er vorwiegend auf den Boden des Konverters
fällt. Nachdem der Konverter in die Blasstellung gedreht hat, strömt durch 10 im
Boden angeordnete Düsen, mit einem lichten Durchmesser von 24 mm, 12 min lang eine
Sauerstoffmenge von 300 Nm³/min. Gleichzeitig leitet man durch den Ringspalt der
Sauerstoffeinleitungsdüsen Öl in einer Menge von 100 kg/mir, die auf sämtliche Düsen
gleichmäßig verteilt wird.
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Nach der angegebenen Zeit wird die Sauerstoffmenge auf 340 Nm3/ min
erhöht und die Ölmenge auf 12 kg/min reduziert. Diese Zurücknahme der Ölmenge kann
auch kontinuierlich über mehrere Minuten verteilt erfolgen. Nach einer weiteren
Blasezeit von 12 min wird der Konverter umgelegt. Der Schrott ist dann vollständig
aufgeschmolzen. Die Stahltemperatur beträgt ca. 16000C.
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Die Analyse des Stahles zeigt 0.25 % C, 0.5 % Mn, 0.03 % P und 0.09
% S. Der Stahl wird normalerweise mit dieser Analyse abgestochen, und der Schwefel
wird durch eine Nachbehandlung in der Pfanne erniedrigt. Das Ausbringen beträgt
ca. 94 %. Die Schlakke hat einen Eisenoxidgehalt von ca. 7 %.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in der Seitenwand
des gleichen Konverters unterhalb seiner Drehzapfen, 50 cm über dem Konverterboden,
zwei Düsen mit einem lichten Durchmesser für das Sauerstoffeinleitungsrohr von je
50 mm eingesetzt. In einem, das Sauerstoffeinleitungsrohr umgebenden koaxialen Ringspalt
von 2 mm Breite wird Öl eingeleitet. Es werden die gleichen Schrott- und Dolomitmengen
wie im ersten Beispiel chargiert. Der Kokssatz wird jedoch auf 4 t reduziert. 15
min lang werden durch die beiden Düsen 7,usammen 300 Nm³ Sauerstoff/min und 100
kg Öl/min eingeleitet.
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Anschließend ändert man die Düsenversorgung auf Werte wie beim vorhergehenden
Beispiel, nämlich 340 Nm3 Sauerstoff/ min und 12 kg Öl/min. Nach 8 min wird der
Konverter umgelegt. Der Stahl hat eine vergleichbare Zusammensetzung und eine ähnliche
Temperatur wie beim vorhergehenden Beispiel.
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Bei einer Variante des zweiten Beispiels chargiert man zusammen mit
dem Schrott nur 1 t Koks. Weitere 2 t Koks werden, auf 9000C vorgeheizt und nach
ca. 15 min Blasezeit, etwa nach Abschluß des ersten Blasabschnittes, zugegeben.
Bei dieser Verfahrensvariante genügt die geringe Koksmenge, um den Schrott aufzuschmelzen,
und gleichzeitig konnte die zweite Blasperiode auf 6 min verkürzt werden. Der flüssige
Stahl zeigt die oben beschriebene Zusammensetzung und Temperatur.