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Verfahren zur Beseitigung von Schlackeneinschlüssen und Gasen aus
normal fertiggestelltem Eisen oder Stahl. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Reinigen von normal fertiggestelltem Eisen oder Stahl, welche von einem Siemens-Martin-Ofen
oder einem anderen Schmelz-, Vorbehandlungs- oder Reinigungsofen in eine Gießpfanne
oder einen sonstigen Behälter abgezogen worden ist. Zweck des Verfahrens ist, durch
Einwirkung eines elektrischen Stromes die in dem Metallbade enthaltene Schlacke
und andere, Oase mitführende Unreinigkeiten an die Oberfläche des Metallbades aufsteigen
zu lassen, bevor das gereinigte Metall vom Boden des Behälters abgezogen wird.
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Es ist bereits vorgeschlagen, fertigen, geschmolzenen Stahl vor dem
Vergießen einer Erhitzung auf elektrischem Wege zu unterwerfen, uin ihn von Gas-
und Schlackeneinschlüssen zu befreien. Zu diesem Zwecke sollte das flache Metallbad
von oben her durch den elektrischen Lichtbogen erhitzt werden, der sich zwischen
oberen Elektroden und der an der Oberfläche des Metalls absondernden Schlacke bildet.
Beim Entleeren des Metallbades durch Kippen ist es aber nicht zu vermeiden, daß
sich wieder Schlacke mit dem geschmolzenen Metall vermischt und seine Güte verschlechtert.
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Ferner sind Einrichtungen bekannt, um Eisen in einer Gießpfanne mit
dem elektrischen Strom zu behandeln, indem ein oder mehrere elektrische Lichtbögen
zwischen der als Elektrode wirkenden Schlacke und einer Schicht geschmolzener Reinigungsschlacke
an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls erzeugt werden. Das Metall soll hierbei
so strömen, daß alle seine Teile in innige Berührung mit der Reinigungsschlackenschicht
gelangen, und zwar an den Lichtbögen und an anderen Teilen der Schicht und unter
hoher Temperatur nur für eine kurze Zeit verbleiben, um alsdann durch andere Teilchen
des äeschmolzenen Metalls ersetzt zu werden, die an die Schlacke in der Nähe des
Lichtbogens herantreten. Zu diesem Zwecke muß das Metall auf- und abwärts strömen.
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Die vorliegende Erfindung besteht demgegenüber im wesentlichen darin,
daß das geschmolzene Metall, bevor es durch den Boden des Behälters in Formen abgezogen
wird,
in dem Behälter, in welchem es ein tiefes Metallbad bildet, der Einwirkung eines
elektrischen Stromes von hoher Amperezahl unterworfen wird, welcher das Bad im wesentlichen-in
seiner ganzen Tiefe durchdringt und an seinem Boden eine Anzahl von Zonen von höchster
Hitze entstehen läßt, die über den Boden des Behälters verteilt sind und sich mit
dem unteren Teile des Bades geschmolzenen Metalls in Berührung befinden, um es zu
erhitzen, wobei der Strom in Wirksamkeit erhalten wird, um Schlacke und andere,
Gase mitführende Unreinigkeiten an die Oberfläche des Metallbades aufsteigen zu
lassen, bevor das gereinigte Metall vom Boden des Behälters abgezogen wird. Man
erzielt auf diese Weise fehlerfreie Blöcke oder Gußstücke und kann aus diesen Teile
herstellen, die praktisch frei von Verunreinigungen durch Schlacke und andere Fremdkörper
und Fehlern sind und über den ganzen Querschnitt ein gleichmäßiges Gefüge zeigen.
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Bei der praktischen Durchführung dieses Verfahrens wird durch den
im erwähnten Behälter enthaltenen flüssigen Stahl möglichst sofort ein elektrischer
Strom von großer Stromstärke eingeleitet, um den Stahl auf der erwünschten Temperatur
zu erhalten oder sogar noch seine Temperatur zu steigern. Zu dem Zwecke ist der
Boden des Behälters mit Leitern versehen, die ein oder mehrere -Elektroden oder
Pole von geeigneter Form darstellen und schnell mit einer elektrischen Leitung verbunden
oder von dieser gelöst werden können.
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Als Gegenelektroden oder Pole dienen eine oder mehrere Platten, Stangen
o. dgl. aus leitendem Stoff, die leicht so an das flüssige Metall angelegt werden
können, daß beim Schließen des elektrischen Stromkreises, an den die Elektroden
oder Pole angeschlossen sind, ein elektrischer Strom durch den flüssigen Stahl in
voller Tiefe hindurchgeleitet wird, der dessen Temperatur annähernd gleich erhält
oder noch so steigert, daß sich die Schlacke und andere Verunreinigungen, einschließlich
der Gase, aus dem flüssigen Stahl loslösen und zur Oberfläche steigen. Hierauf kann
reiner Stahl vom Boden oder dem unteren Teil des Behälters in entsprechende Formen
oder andere Behälter abgeführt werden.
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Die Ausführung und der elektrische Anschluß der Elektroden können
beliebig gestaltet werden. Die unteren Elektroden sind auch an den- Seiten des Behälters
nahe am Boden statt durch den Behälterboden selbst eingeführt. Auch kann die Anordnung
so getroffen sein, daß eine oder einige Elektroden durch den Boden, eine oder die
anderen dagegen seitlich in den Behälter eingeführt sind.
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Als Behälter kann eine gewöhnliche Stahlgießpfanne- oder ein sonstiges
ortsbewegliches oder ortsfestes Gefäß dienen, in dem sich ein im Vergleich zum wagerechten
Querschnitt tiefes Stahlbad während der Behandlung unterbringen lä.ßt, das ein Aufsteigen
der Schlacke und Verunreinigungen zur Oberfläche des Stahlbades gestattet. Wichtig
ist das Abziehen des reinen Stahls vom Boden oder unteren Teil des Behälters, das
natürlich .an sich bei Stahlgießpfannen ganz allgemein üblich ist. Die Entleerung
kann z. B. durch einen seitlichen Abstich in eine Gießpfanne oder durch eine Bodenöffnung
unmittelbar in die Gußformen erfolgen, ohne daß ein abermaliges Vermischen mit der
Schlacke oder den sonstigen Verunreinigungen beim Abstich zu befürchten ist. Diese
Bedingung ist wesentlich für die Erhaltung der im vorliegenden Verfahren erzielten
reinen Stahlmasse.
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Der Behälter-ist gewöhnlich mit einem bekannten feuerfesten Futter
verkleidet, beispielsweise mit feuerfestem Ton, der ein saures Futter darstellt.
Der Boden wird zweckmäßig durch Abrundungen an die inneren Behälterwandungen angeschlossen.
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Bei der Durchführung des erwähnten Verfahrens hat es sich vorteilhaft
erwiesen, zuerst die flüssige Stahlmasse im Behälter mit einer dicken, beispielsweise
15 bis 25 cm starken Schlackenschicht zu bedecken, die leicht dem Abstichofen
o. dgl. entnommen werden kann. Diese Schlackenschicht wird wenigstens an ihrer Oberfläche
bald erstarren, so daß hiernach das flüssige Metall beim Reinigungsverfahren gegen
störende Einwirkungen der Außenluft geschützt ist. Der elektrische Strom wird dann
durch die Schlackenschicht eingeleitet.
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Steht eine Schlackenschicht von genügender Dicke nicht zur Verfügung,
so-wird zwischen der oder den Elektroden und der flüssigen Stahlmasse ein ' elektrischer
Lichtbogen erzeugt, um eine Berührung -der Teile zu vermeiden und genügend Widerstände
im Stromkreis zu haben. Der Behälter kann mit einem Deckel ausgerüstet sein, der
jedoch gewöhnlich weggelassen wird.
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Auf der Zeichnung ist: Fig. i. eine Seitenansicht und Fig. a ein Grundriß
einer Anlage nach der Erfindung, bei der zwei Behälter Verwendung finden, der eine
für das keinigungsverfahren, der andere zum Gießen. -In Fig, i sind auf der
-einen Seite das feste Gestell und die zugehörigen Teile weggelassen.
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Fig.3 zeigt den Reinigungsbehälter in Seitenansicht und Schnitt,
Fig.
q. im Grundriß, in dem auf der einen Seite die Steinauskleidung weggelassen ist,
und Fig.5 in Vorderansicht.
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Fig. 6 ist eine Ansicht und Fig. 7 ein Grundriß einer anderen Ausführung
des Reinigungsbehälters.
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Fig. 8 bis io sind in den Fig: 3, d. und 5 entsprechende Ansichten
desselben.
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Fig. i i zeigt eine untere Elektrode für den Behälter in größerem
Maßstabe.
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Fig. 12 zeigt ein Beispiel für die elektrische Schaltung.
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Bei der Ausführung nach den Fig. i bis 5 ist der Behälter i mit einem
sauren Futter 2, beispielsweise aus feuerfestem Ton, ausgekleidet. -Der Behälter
ruht mit Stützen 3 auf Trägern q. auf, die an beiden Längsseiten der Grube 5 angeordnet
sind. Durch den Boden des Behälters i und dessen Futter 2. sind Elektroden 6 geführt,
die aus eisernen Bolzen bestehen. Die Elektroden sind leitend durch Kupferbänder
7 mit den Bändern 8 verbunden, deren obere umgebogene Enden 811 Kontakte bilden,
die sich gegen die Kontaktstreifen 9 auf den Trägern q. legen.
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Sobald der Behälter i auf den Trägern aufruht; wird durch das Eigengewicht
des Behälters nebst Inhalt eine gute Anlage zwischen den Leitern 80, und 9 und mithin
eine günstige elektrische - Verbindung geschaffen. Die Verbindung kann noch durch
zwischen die Leiter 811 und 9 gelegte Scheiben aus weichem, gut leitendem Stoff,
z, B. Blei, verbessert werden. " Bei der dargestellten Ausführungsform sind getrennt
voneinander eine Anzahl von Elektroden 6 durch den Boden der Pfanne i hindurchgeführt.
Die Elektroden können in der in den Fig. 3 und i i dargestellten Weise ausgeführt
werden. Sie bestehen aus eisernen Bolzen, deren inneres Ende 6 etwa auf eine Länge
von io bis 15 cm im Durchmesser (etwa. 15 mm) kleiner als im übrigen Teil ausgeführt
ist, um die Temperatur dieses Teiles beim Einführen von elektrischem Strom bis zum
Schmelzpunkt steigern zu können.
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Der äußere Teil 6a der Elektrode hat einen größeren Durchmesser und
ist in eine Stange 6b von noch größerem Durchmesser eingeschraubt. Der Teil 65 hat
einen Vierkantkopf 6c, um ihn beim- Festschrauben oder Lösen besser festhalten zu
können. Der Teil 6b bildet eine Verlängerung der Teile 6, 60, der Elektrode
und ist aus Metall hergestellt. Er ist fest zwischen Metallbüchsen oder -hülsen
6d, 6e am Boden der Pfanne eingeklemmt. Die ganze Elektrode kann natürlich auch
aus einem Stück gefertigt sein.
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Die zwei Sätze von Kontaktstreifen 9 sind durch Leiter io, ioa (Fig.
12) mit je einem Ende je einer Sekundärspule i i oder i ia der beiden Einphasentransformatoren.
- verbunden, deren Primärwicklungen mit 12 und 12a bezeichnet sind. Die oberen,
meist aus Graphit gefertigten Elektroden 13, 13a sind an getrennten Haltern 1q.,
iqa befestigt, die isoliert von senkrecht geführten Trägern 15, i515# getragen werden.
Mittels der Träger 15, 15a können die Elektroden dem Stahlbad im Behälter i genähert
oder von diesem entfernt werden.
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Zu dem Zwecke ist jeder Träger 15, i5a senkrecht verschiebbar an einem
Gestell 17 geführt und wird von einem Seil 18 o. dgl. gehalten, das um Rollen i9
zu einer Winde 2o führt. Durch Drehung der Windetrommel kann die Höhenlage der Elektroden
13 und 130' eingestellt werden. Auch ist eine selbsttätige Einstellung der
Elektroden ausführbar. Das Gestell 17 ist um eine senkrechte Achse drehbar, damit
die oberen Elektroden nach dem Anheben über den Behälter i leicht in oder aus der
Gebrauchsstellung verschwenkt werden können.
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Die oberen Elektroden 13 und 136 stehen durch erforderlichenfalls
biegsame Kupferleitungen 21 und 2111 mit den freien Enden der Sekundärspulen i i
und i ia der beiden Transformatoren in Verbindung, an deren andere Enden die unteren
Elektroden 6 angeschlossen sind.
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Das Ende a der Primärspule 12 ist über einen Ölschalter 25, einen
Zähler 28 und einen Hauptschalter 27 mit dem äußeren Leiter 22 des Zweiphasendreileitersystems
22, 23, 2:4 verbunden, während der mittlere Leiter 24 über den Umschalter 26 und
Hauptschalter 27 unmittelbar an das Ende f der Spule i-, angeschlossen ist.
Das Ende a der Primärspule i2a des anderen Transformators ist in gleicher Weise
über die Schalter 25a und 27 und den Zähler 28a an die Leitung 23 angeschlossen,
während die vom Ende f ausgehende Leitung über den Umschalter 2f. ebenfalls zu dem
Mittelleiter 24 führt.
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Jede Primärspule 12, i2a besitzt eine Anzahl Zwischenkontakte li,
c, d. ", durch die die wirksame Länge der Spulen 12 und 12Q verkleinert und
mithin die Spannung in den entsprechenden Sekundärspulen ii oder iill nach Belieben
geändert werden- kann. Bei der dargestellten. Anordnung (Fig. 12) sind die Punkte
e an den inneren Leiter 24 mittels des Umschalters 26 angeschlossen. Der eine oder
andere noch verbleibende Kontakt, z. B. der Punkt d, ist mit dem entsprechenden
äußeren Leiter 22 oder 23 durch je einen besonderen Olschalter 25b oder 25e verbunden.
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Die Spulen 25, 25a, 25b, 25° und 2 können zwangläufig miteinander
verbunden. sein, so daß der Schalter 26 vor den anderen
geschlossen
werden muß oder erst nach den anderen geöffnet werden kann, und die Schalter 25v
und 26c offen bleiben müssen, solange die Schalter 25 und 25a geschlossen sind und
umgekehrt. Die Stromstärke in den Sekundärkreisen wird .durch die Einphasenamperemeter
29 und 3o, der resultierende Strom zwischen den Sekundärleitungen durch das Amperemeter
31 und die Leistung durch einen Phasenmesser 32 angezeigt. Weiter sind noch ein
Voltmeter 33, ein registrierendes Amperemeter 34 und ein registrierendes Voltmeter
35 vorgesehen. Diese verschiedenen Meßapparate können nach Belieben eingeschaltet
werden.
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Bei der Anordnung nach den Fig. i bis 5 ist der Behälter zum Reinigen
der Stahlmasse mit einem seitlichen .Abstich 36 versehen, durch den der flüssige
Stahl nach der Reinigung in eine beispielsweise an einem Kran hängende gewöhnliche
Gießpfanne 37 abgelassen werden kann. Bei der Ausführung nach den Fig.6 bis io besitzt
der Behälter i Abflußöftnungen 38 am Boden, von dem aus der reine Stahl unmittelbar
in die Gußform oder Gußformen fließen kann.
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In manchen Fällen können auch die an die unteren Elektroden angeschlossenen
Leiter 7 so eingerichtet sein, daß sie unmittelbar auf Kontaktstreifen aufgesetzt
werden können, die in diesem Falle auf Trägern am Boden der Grube -5 befestigt und
mit den Stromzuführungen To und ioa verbunden sind. Die Anordnung und der Anschluß
der oberen Elektroden 13 und 13a kann derselbe bleiben, wie an Hand der Fig. i und
2 und 12 beschrieben wurde.
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In den Behälter i wird in jedem Falle flüssiger Stahl von der Güte
eingebracht, wie er bisher unmittelbar zu Blöcken oder sonstigen Formen von Üfen
aus vergossen wurde, sowie eine dicke Schlackenschicht (etwa 15 bis 25 cm stark).
Hierauf werden die oberen Elektroden eingestellt und dann ein elektrischer Strom
durch die Schlacke und Stahlmasse hindurchgeführt.
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Mit der auf der Zeichnung dargestellten Einrichtung wurden folgende
Erfolge erzielt,: Es wurden etwa 40 t flüssiger Stahl im normalen Endzustand von
einem einfachen Siemens-Martin-Ofen mit saurem Futter in einen zylindrischen Behälter
von etwa 2 m lichtem Durchmesser und 3 m lichter Tiefe gebracht, der ebenfalls mit
saurer Masse gefüttert war. In den Boden des Behälters waren zehn stehende Eisenelektroden
6 von der in den Fig. 3 und i i dargestellten Form eingelassen, die, wie beschrieben,
mit je einem Ende der Sekundärspulen i i, l 111 von zwei Transformatoren verbunden
waren, deren Spannung je von 65 auf iio Volt gesteigert werden konnte (vgl. Anordnung
der Fig. 12).
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Der flüssige Stahl wurde mit einer Schlackenschicht von etwa 15 bis
25 cm Dicke bedeckt, die an der Oberfläche schnell erstarrte, da der Behälter oben
von der Luft bestrichen wurde.
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Die beiden oberen Elektroden 13 und 13"
bestanden aus Graphit
und waren etwa i,o6 m voneinander entfernt. Jede hatte einen Durchmesser von etwa
2o cm und stand, wie bereits beschrieben, mit den anderen Enden der Sekundärspulen
i i, z i11 in Verbindung. Die Elektroden wurden an die erstarrte Schlackenschicht
herangeführt. Hier wurden die Primärspulen der Transformatoren mit zweiphasigem
Wechselstrom von 2 Zoo Volt Spannung und 5o Perioden in .der Sekunde erregt.
Die Spannung in dem an die Elektroden 6 und 13, 1311 angeschlossenen Sekundärstromkreis
betrug anfänglich 8o Volt und wurde später auf etwa 65 Volt herabgesetzt.
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Unter der Einwirkung des elektrischen Stromes schmolz die obere Schlackenschicht
unterhalb der Elektroden, so daß diese weiter in die Schlackenschicht eingeführt
werden konnten, bis eine gleichmäßige Stromzuführung von etwa 3 4.oo Ampere am Anfang
erreicht war, die später bis zu -#2oo Ampere für jede Phase durch Änderung der Spannung
gesteigert wurde. Der Strom mußte hierbei noch durch eine zwischen den oberen Elektroden
und dem Stahlband "befindliche Schlackenschicht hindurchtreten.
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Die Einwirkung des Stromes wurde, nachdem ein gleichmäßiger Durchfluß
erreicht war, noch etwa 2o Minuten fortgesetzt. Bis zur gleichmäßigen Gestaltung
waren etwa io Minuten vom Beginn der Stromzuführung verflossen.
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Nach dieser Behandlung wurde der Stahl vom Boden des Behälters in
eine Gießpfanne 37 gegossen. Bei den Einrichtungen nach den Fig.8 bis io kann diese
zweite Pfanne entbehrt werden, indem die Stahlmasse unmittelbar vom Behälter in
die Gußformen fließt.
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Dadurch, daß die oberen Endteile 6 der unteren Elektroden aus Eisenstäben
von kleinem Querschnitt hergestellt werden und ein Strom von hoher Amperezahl benutzt
wird. wirken die oberen -Endteile jeder Elektrode als metallische Widerstände, welche
während des Reinigungsverfahrens durch den durch sie hindurchfließenden starken
Strom geschmolzen werden und eine begrenzte Zone von stärkster Hitze bilden, die
sich in Berührung mit dem der Reinigung unterworfenen Metall befindet und diese
Reinigung fördert.
Bei der geschilderten Behandlung fanden häufig
leichte Explosionen an den oberen Elektroden statt. Gleichzeitig erfolgte eine beträchtliche
Gasausstoßung, die mitunter so heftig war, däß die erstarrte Schlackenschicht angehoben
und durchbrochen wurde, wodurch die Gase frei wurden. Aus der durchlochten Schlackenschicht
entwich zeitweilig auch Gas unter der Einwirkung des hohen Druckes, das dann mit
heller Flamme brannte, deren Farbe sich häufig stark änderte.
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Der nach dem beschriebenen Verfahren hergestellte Stahl erwies sich
bedeutend besser als der in bekannter Weise hergestellte. Er war, was deutlich zu
sehen war, frei von schädlichen Verunreinigungen, Gasblasen und Schlackeneinschlägen.
Diese Wirkung ist allein dem neuen Verfahren zuzuschreiben.
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Auch die für die neue Behandlung aufzu-#vendenden Kosten sind gering.
Die Behandlung der 40 t Stahl in der oben bezeichneten Weise verursachte z. B. einen
Aufwand von etwa 22q.5 Amperestunden.