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Verfahren zur Behandlung von Eisenschmelzen und zur Steigerung
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des Schrottanteils im Konverter.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Eisenschmelzen
bei gleichzeitiger Erhöhung des Schrottanteils im Konverter.
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Es ist bekannt, dem Roheisen im Konverter bis zu 25 bis 30 Gew.-%
Schrott zuzusetzen. Die Verbrennungswärme aus der Oxidation der Begleitelemente
Kohlenstoff, Mangan, Silicium und anderer im Roheisen genügt, um einen bestimmten
Schrottsatz nieder zu schmelzen und die Temperatur auf eine für Stahlschmelzen erforderliche
Höhe zu steigern.
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Es besteht jedoch in bestimmten Fällen großes Interesse, den Schrottanteil
weiter zu erhöhen, um dadurch die Stahlerzeugungskapazität flexibel zu gestalten
und sie Markt- und Produktionsgegebenheiten anzupassen. Insbesondere soll damit
im Uberschuß anfallender, im Vergleich zum Roheisen preisgünstiger Schrott verarbeitet
werden können. Überdies soll der Betrieb des Sauerstoff-Aufblaskonverters von der
Roheisenversorgung unabhängiger werden, d. h. die Auswirkung von Störungen im Hochofenbetrieb
soll bezüglich der Stahlerzeugung gemildert werden. Die konventionelle Sauerstoff-Aufblastechnik
gestattet nur in sehr engen Grenzen eine Steigerung der Temperatur des Bades im
Konverter. Außerdem ist diese Maßnahme mit hohen spezifischen Kosten verbunden,
weil beim Nachblasen erhöhte Eisenverluste entstehen. Deshalb wird seit langem nach
Wegen gesucht den Wärmehaushalt im Konverter so zu verbessern, daß die Zugabe höherer
Schrottanteile möglich wird.
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Es ist bereits bekannt, zur Steigerung des Schrottanteils den Sauerstoff
mit Brenngas in besonderen Brennern zu mischen und dadurch den Wärmehaushalt des
Konverters zu erhöhen. Es ist auch bekannt, das Niederschmelzen von Metallen, wie
Mischungen von Schrott und Roheisen mit einer kohlenwasserstoffgespeisten Flammlanze
durchzuführen, wobei in die Flamme pulverförmige Feststoffe, wie Carbid, zur Verbesserung
der Wärmeübertragung eingebracht werden (OE-PS 313 942).
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Allen diesen bisher bekannten Verfahren ist gemeinsam, daß dem Sauerstoffstrahl
nach Austritt aus der Lanze mit Hilfe einer speziellen Düse ein weiterer Brennstoff,
gegebenenfalls mit einem oxidierbaren Feststoff beladen, zugemischt oder getrennt
zugeführt wird.
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Um das Verfahren zu vereinfachen, wurde schon vorgeschlagen, Calciumcarbid
der Schmelze in stückiger Form während des Blasvorgangs zuzugeben. Theoretisch sollte
die aus der Verbrennung von 1 kg Carbid entstehende Wärmeenergie ausreichen, um
ca.
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6 kg Eisen von Raumtemperatur auf eine Temperatur von 163O0c zu bringen.
In der Praxis wurde jedoch dieser hohe Ausnutzungsgrad, der für die Wirtschaftlichkeit
des Carbideinsatzes erforderlich ist, nicht erreicht. Uberdies treten durch verstärktes
Schäumen der Schlacke erhebliche Störungen im Betriebsablauf ein, die eventuelle
Vorteile bei weitem kompensieren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, unter Vermeidung
der bisherigen Nachteile ein technisch einfach durchführbares Verfahren zur Behandlung
von Eisenschmelzen und Steigerung des Schrottanteils im Konverter, vorzugsweise
im LD-Tiegel, zu finden.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Behandlung von Eisenschmelzen
und zur Steigerung des Schrottanteils in einem Konverter durch Einblasen eines sauerstoffhaltigen
Behandlungsgases und Zusatz von Calciumcarbid, welches dadurch gekennzeichnet ist,
daß Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas mit Calciumcarbid und gegebenenfalls
weiteren oxidierbaren Substanzen oder/und Legierungsbildnern oder/und Schlakkenbildnern
auf die Eisenschmelze auf- oder in die Schmelze eingeblasen wird.
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Es hat sich nSmlich überraschenderweise herausgestellt, daß selbst
feinteiliges Calciumcarbid zusammen mit Sauerstoff bis
zu einer
Temperatur von etwa 2000C gefahrlos gehandhabt werden kann, ohne daß das Carbid
hierbei durch Oxidation zerstört und damit in seiner Wirksamkeit beeinflußt wird.
Dadurch ist eine vollständige und gleichmäßige Umsetzung gesichert.
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Zusammen mit der in den letzten Jahren weiter vervollkommneten pneumatischen
Förderung und Eintragung staubfein gemahlener Reaktionskomponenten in Eisenschmelzen
ist es nun gelungen, feinteiliges bis körniges Calciumcarbid für sich oder zusammen
mit anderen Bestandteilen mittels Sauerstoff kontrolliert in vorgegebenen Zeitintervallen
bzw. in bestimmten Mengen pro Zeiteinheit in Eisenschmelzen mittels einer Lanze
von oben auf- bzw. durch an sich bekannte Düsen durch den Konverterboden einzublasen.
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Da die Sauerstoffblaslanzen an Aufblaskonvertern wassergekühlt sind,
besitzt der Sauerstoff in der Regel bis zur Austrittsöffnung eine Temperatur von
etwa 100C. Durch die Düsenform wird eine Expansion des Sauerstoffstroms beim Austritt
aus der Lanze bewirkt, wobei er sich weiter abkühlt. Bei störungsfreiem Betrieb
ist also eine Erwärmung des Gas-Feststoff-Gemisches auf eine Temperatur, bei der
eine Reaktion zwischen Sauerstoff und Calciumcarbid eintreten könnte, ausgeschlossen.
Die Verbrennung erfolgt auf der zurückzulegenden Wegstrecke zwischen Lanzenmündung
und Metalloberfläche. Die Zündung erfolgt durch die an der Auftreffstelle gegebene
Temperatur z. B. des Roheisens bzw. des Stahlbades. Aus dem Calciumcarbid entsteht
ein sehr reaktionsfreudiges Calciumoxid, welches an sich erforderliche metallurgische
Reaktionen (Entschwefelung, Entphosphorung) beschleunigt ablaufen läßt. Dieser Vorgang
gestattet eine erhebliche Reduzierung des Kalkzusatzes, so daß der Prozeß der Kalkauflösung
verkürzt wird.
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Es ist bekannt, beim Bodeneinblasverfahren zur Entschwefelung und
Desoxidation von Eisenschmelzen Carbid zusammen mit Desoxidationsmitteln
in
einem inerten Trägergas einzublasen (DE-OS 26 02 536). Hierdurch läßt sich weder
die Wärmezufuhr steigern noch erhält man reaktives CaO in statu nascendi, wie beim
Verfahren der Erfindung.
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Zur Erreichung einer vollständigen Umsetzung wird bevorzugt mit SauerstoffüberschuB
gearbeitet.
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Das Calciumcarbid wird vorzugsweise als technisches, etwa 75 bis 83-%
CaC2 enthaltendes Calciumcarbid in feingemahlener bzw.
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kleingebrochener Form eingeblasen.
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Die Körnung des einzublasenden Calciumcarbids sowie der gegebenenfalls
weiter zugesetzten Metalle oder Metalloxide kann in weiten Grenzen schwanken und
im Bereich von 0,001 bis 20 mm liegen. Bevorzugt wird jedoch ein Bereich von 0,01
bis etwa 1 nrn.
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Neben der Verwendung des technischen Carbids kann auch eine Verwendung
des eutektischen Carbids, d. h. eines Carbids mit höheren Calciumoxidanteilen, sich
vorteilhaft auswirken. Dadurch kann bei verringerter Heizwirkung ein erhöhter Anteil
an metallurgisch wirksamem Kalk (CaO) angeboten werden.
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Die Menge des einzublasenden Calciumcarbids richtet sich einerseits
nach der Menge des aufgegebenen Schrottanteils bzw. nach der Temperatur der Schmelze
als auch andererseits nach der Susammensetzung des eingeblasenen Carbids. Im allgemeinen
werden pro 1 t der zu behandelnden Eisenschmelse 5 bis 125 kg, vorzugsweise 30 bis
60 kg, Calciumcarbid eingeblasen. Mit diesen Mengen wird eine ausreichende Steuerung
der Temperatur der Eisenschmelze auch bei hohen Schrottzugaben möglich. Ferner ist
durch die Menge des dem Sauerstoff zudosierten Calciums carbids auch der Sauerstoffgehalt
der Eisenschmelze regulierbar, und es wird ein in engeren Grenzen als bei üblicher
Fahrweise
einstellbarer Sauerstoffgehalt der Schmelze erreicht.
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Durch kontrollierte Calciumcarbidaufgabe ist es möglich, die Oxidation
von Legierungsmetallen zurückzudrängen, das Ausbringen wirksamer Legierungselemente
beim Abstich, wie z. B.
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auch Aluminium und Silicium, treffsicher zu steuern oder aber den
Sauerstoff so einzustellen, daß bestimmte Stahlqualitäten, wie z. B. unberuhigte
oder halbberuhigte Qualitäten beim Vergießen ohne Fehler erzeugt werden können.
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Dem Calciumcarbid werden bevorzugt weitere oxidierbare anorganische
Verbindungen beigemischt und gleichzeitig eingeblasen und ein legiert. Hierzu zählt
insbesondere Siliciumcarbid.
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Neben diesen lediglich Wärmeenergie liefernden Verbindungen können
gemäß dem Verfahren der Erfindung dem Calciumcarbid auch solche Verbindungen, insbesondere
Metalloxide, zugemischt werden, die im Stahlbad über Reduktionsvorgänge einen Legierungseffekt
bewirken. Bevorzugt werden hier Nickeloxid (Ni-Sinter), Vanadiumpentaoxid, Chromtrioxid
oder andere Oxide bzw. Erze, je nach der angestrebten Stahlqualität, verwendet.
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Erfindungsgemäß können die dem Legieren dienenden Metalloxide zusammen
mit den oxidierbaren anorganischen Verbindungen und dem Calciumcarbid in das Stahlbad
eingebracht werden. Sie können aber auch lediglich mit dem Calciumcarbid gemischt
oder allein dem Sauerstoffstrom zudosiert werden.
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Der Anteil solcher Verbindungen bzw. Erze kann bis zu 50 Gew.-% des
eingesetzten Calciumcarbids betragen und wird sich im wesentlichen nach der erforderlichen
Stahlqualität bzw. den wirtschaftlichen Gegebenheiten richten.
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Schließlich können dem Calciumcarbid auch noch metallurgisch wirksame
Schlackenbildner zugesetzt werden. Hierzu sind insbesondere zu zählen Calciumfluorid,
Borate, Tonerde, Kalk und Gemische derselben.
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Die Bildung einer geeigneten Schlacke ist insofern von Bedeutung,
als der Eisengehalt, d. h. der Anteil von im wesentlichen Eisen(II)-oxid in der
Schlacke möglichst gering sein sollte, da FeO die Konverterausmauerung angreift
und die Eisenausbeute verringert. Andererseits muß die Schlacke so beschaffen sein,
daß sich im Bereich des Blasstrahls eine im wesentlichen freie Zone ausbilden kann,
durch die die Reaktionsgase entweichen können. Hierdurch wird verhindert, daß in
der Schlakke Gase zurückgehalten werden, wodurch diese zu schäumen beginnen würde,
wie es beispielsweise bei der stückigen Zugabe des Calciumcarbids oder Siliciumcarbids
der Fall ist.
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In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, die Vermischung der festen
Komponenten mit dem Sauerstoffstrom erst im Bereich der Austrittsöffnung der Blaslanze
oder Förderdüse durchzuführen.
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In diesem Fall kann die Förderung des Calciumcarbids bzw. des Gemisches
mit den anderen festen Zusätzen mit Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid erfolgen, und
die Vermischung mit dem Sauerstoffstrom wird dann erst im Bereich der Austrittsöffnung
der Blaslanze bzw. Düse durchgeführt.
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Je nach Fortschritt des Schmelzvorgangs bzw. der Frischreaktion bzw.
des Gehalts der Roheisenschmelze an Verunreinigungen wie z. B. Schwefel wird das
Behandlungsgas mit mehr oder weniger Calciumcarbid und gegebenenfalls Schlackenbildnern
beladen (stufenweise Beladung). Diese Zugabe des Calciumcarbids kann kontinuierlich
zu- oder abnehmen, sie kann aber auch über den gesamten Behandlungszeitraum in gleicher
Höhe erfolgen.
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Schließlich beeinflußt die Höhe des zugesetzten Schrottanteils die
Temperatur der Roheisenschmelze. Ein Mehr an Calciumcarbid und gegebenenfalls Metallverbindungen,
wie z. B. Siliciumcarbid u. a. kann hier schnell regulierend wirken. Eine gegebenenfalls
zu weit abgefallene Temperatur der Schmelze wird
durch intermittierendes
Zudosieren von Calciumcarbid bzw. Gemischen von Calciumcarbid mit weiteren wärmeliefernden
Zusätzen schnell und sicher angehoben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren der Behandlung von Eisenschmelzen bei
gleichzeitiger Erhöhung des Schrottanteils in einem Konverter und Eintragen von
als Brennstoff wirkendem Calciumcarbid sowie gegebenenfalls weiteren oxidierbaren
Komponenten mit dem sauerstoffhaltigen Behandlungsgas ist auch bei bodenblasenden
Konvertern anwendbar. Da bei diesem Verfahren das eingetragene Calciumcarbid bzw.
die im Behandlungsgas entstehenden Reaktionsprodukte die gesamte Badhöhe durchströmen,
ist eine hohe Umsetzung gesichert. Der Abbau unerwünschter Stahlbegleiter erfolgt
rasch auf Werte nahe dem Reaktionsgleichgewicht. Der Wärmeübergang aus der Reaktionszone
in die Schmelze erfolgt mit einem Wirkungsgrad von nahezu 100 %.
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Das Verfahren der Erfindung verbessert die Steuerbarkeit des Blasvorgangs
insbesondere hinsichtlich der Wärmezufuhr, ermöglicht die Reduzierung' des Kalkzusatzes,
vermeidet Schaumbildung, verringert den FeO-gehalt der Schlacke sowie die Oxidation
von Legierungselementen und verlängert die Haltbarkeit der Konverterausmauerung.
Es läßt sich besonders einfach durchführen und erfordert keinen besonderen apparativen
Aufwand.
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Das Verfahren der Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele
weiter erläutert.
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Beispiel 1 In einer Serie von 11 Schmelzen wurde die Erfindung überprüft.
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Alle angegebenen Zahlen sind Mittelwerte.
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a) Vergleichsbeispiel Herkömmliche Arbeitsweise: Roheisen 78,5 t Schrott
15 t Kalk 4,5 t Ausbringen flüss. 85,5 t Schwefelendgehalt 0,021 % Phosphorendgehalt
0,014 % Eisenausbringen 91,5 % b) Erfindungsgemäße Arbeitsweise Roheisen 78,5 t
Schrott 31 t Kalk 2,1 t Carbid 2,8 t Ausbringen flUss. ca.102,5 t Schwefelendgehalt
0,014 % Phosphorendgehalt 6 0,007 % Eisenausbringen 95,5 % Beispiel 2 In einer Serie
von vier Schmelzen wurde der Einfluß der Beaufschlagung des Sauerstoffstroms mit
Calciumcarbid auf die Eisen (11) -oxidgehalte in der Schlacke und den Gehalt an
gelöstem Sauerstoff im Stahl uberpruft.
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In einer Charge von jeweils ca. 100 t flüssigem Stahl mit Gehalten
an 0,07 b Kohlenstoff, 0,02 S Schwefel und 0,015 % Phosphor wurden
a)
41 t Schrott zugegeben und 4 t Calciumcarbid aufgeblasen, b) 21 t Schrott zugegeben
und mit Sauerstoff geblasen, ohne Calciumcarbid zuzudosieren.
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Ergebnis: Der Eisen(II)-oxidgehalt in der Schlacke betrug in den mit
Calciumcarbid behandelten Schmelzen 11 bis 14 % FeO, in den lediglich mit Sauerstoff
behandelten Schmelzen 18 bis 23 % FeO.
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Analog verhielten sich die Sauerstoffgehalte in den Stahlschmelzen
vor dem Abstich. In dem mit Calciumcarbid behandelten flüssigen Stahl betrug der
Sauerstoffgehalt 400 bis 600 ppm, in den anderen Schmelzen 800 bis 1200 ppm.
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Beispiel 3 In einer Serie von 10 Schmelzen in einem nach dem LD-Verfahren
arbeitenden 110 t-Konverter wurde die Auswirkung der erfindungsgemäßen Fahrweise
untersucht.
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Im Durchschnitt wurden 85 t Roheisen mit einem Gehalt von etwa 3,6
% Kohlenstoff, 0,030 % Schwefel und 1,6 % Phosphor eingesetzt und 28 t Schrott zugegeben.
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Nach einem üblichen Blasvorgang (Sauerstoff mit 4 % Calciumoxid beladen)
von ca. 15 Minuten wurde der Konverter gekippt, teils abgeschlackt und nochmals
ca. 29 t Schrott nachchargiert.
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Die neu aufzugebende Kalkmenge wurde auf ca. 1 * reduziert.
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Der Kalk wurde durch technisches Calciumcarbid ersetzt und durchschnittlich
insgesamt 5 t Calciumcarbid mit einer Blasrate von 400 kg/min geblasen. Nach weiteren
13 bis 16 Minuten
Blasdauer lag der Kohlenstoffgehalt im Bereich
von 0,32 bis 0,36 %; der Schwefelgehalt betrug 0,011 %; der Phosphorgehalt 0,008
%.
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Gegenüber der normalen Fahrweise trat eine Verlängerung der Chargenzeit
um nur 3 bis 5 Minuten auf. Die Stundenleistung stieg jedoch von 146 t/h auf 170
t/h, was eine Steigerung von 16,4 % bei verbesserten Phosphor- und Schwefelendgehalten
im Vergleich zu normaler Arbeitsweise bedeutete.
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Beispiel 4 Bei vier Schmelzen nach dem LDAC-Verfahren mit 110 t Abstichgewicht
wurde die Aufheizwirkung bei einer erfindungsgemäßen Arbeitsweise überprüft. Nach
der üblichen Arbeitsweise wurde eine um durchschnittlich 250C zu niedrige Temperatur
(15800C) für die zu erschmelzende Stahlqualität mit ca. 0,35 % Kohlenstoff gefunden.
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Um die Temperatur zu korrigieren, wurde sofort im Anschluß an die
letzte Temperaturmessung der Sauerstoffstrom mit technischem Calciumcarbid beaufschlagt.
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Die Blasgeschwindigkeit betrug 40 bis 50 kg Calciumcarbid/min; nach
5 Minuten waren 2,5 bis 3 kg Calciumcarbid pro t Stahl eingeblasen worden. Die Temperatur
der Schmelze stieg in die-0 ser Zeit um durchschnittlich 28,5 C an. Gleichzeitig
wurde der Eisen(II)-oxidgehalt der Schlacke um durchschnittlich 4,5 % verringert
und damit das Eisenausbringen entsprechend gesteigert.
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Beispiel 5 In einer Serie von 6 Schmelzen mit einem Abstichgewicht
von 110 t, die nach dem LD-Verfahren hergestellt wurden, wurde
der
Kalksatz von 4,5 % auf zur 1 % des Stahlgewichts gesenkt.
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Der Sauerstoffstrahl wurde mit einem Gemisch aus feinkörnigem Calciumcarbid,
Dolomit und Flußspat im Verhältnis 100 : 15 : 10 beaufschlagt; Blasrate 250 kg Gemisch/min.
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Der Schrottsatz konnte um 15 t auf 44 t gesteigert werden.
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Der Entschwefelungsgrad wurde durch diese Maßnahme von durchschnittlich
23 % auf 59 % gesteigert.