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Verfahren zur unmittelbaren Erzeugung von Ferrotitan bzw. raffiniertem
Eisen oder Stahl. Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur unmittelbaren Erzeugung
von Ferrotitan bzw. raffiniertem Eisen oder Stahl aus dem Grundstoff oxydiertes
Titaneisen.
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Zu dem Grundstoff oxydiertes Titaneisen soll in erster Linie ein besonders
in den letzten Jahren bekanntgewordenes Naturprodukt gerechnet werden, das in vulkanischer
Asche von Java (Niederländisch Ostindien,) und auch anderweitig in sehr großen Mengen
anbetroffen wird, und zwar immer in sehr fein verteilter körniger Form, also lose,
oder unter bestimmten Umständen durch starken natürlichen Druck zu einer Art schwarzen
Sandstein zusammengepreßt.
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Dieser vulkanische Grundstoff in körniger Form, magnetisch oder auf
andere Weise aufbereitet, besteht also beinahe gänzlich aus oxydiertem Titaneisen
(bis zu ungefähr 95 Prozent). Alle Analysen dieses oxydierten Titaneisens weisen
daher auch stets gleich proportionierten und gleichmäßig verteilten hohen Eisen-
und Titangehalt auf (ungefähr 57 Prozent Eisen und 9,6 Prozent Titan, also eine
Lösung des Metalloides Titan in reinem Eisen von beinahe 17 Prozent Ti, was
bereits auf eine sehr hohe Temperatur bei der Entstehung hinweist).
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Wahrscheinlich infolge der Unbekanntheit mit diesem vulkanischen Ursprung
wird dieses oxydierte Titaneisen noch immer als ein Erz betrachtet und behandelt,
wofür also verschiedene Reduktionsverfahren angegeben und angewandt werden, um aus
diesem Grundstoff durch Mischung mit nur einem Reduktionsmittel mit oder ohne Hinzufügung
von ebenso unreinen Zusatzmaterialien (zusammen bis zu Mengen von mehr als 5o Prozent
des Volumens der Ofenfüllung) in erster Linie Eisen zu gewinnen.
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Für das hier in Frage kommende Desöxydationsverfahren ist es wünschenswert,
sich eines elektrometallurgischen Verfahrens zu bedienen, also den zu verwendenden
Grundstoff - oxydiertes Titaneisen - in einem Lichtbogenofen, ohne Mischung mit
Reduktionsmitteln, noch mit Hinzufügung von Zusatzmaterialien, zu schmelzen, was
Gegenstand der erwähnten: Erfindung ist.
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Die Hinzufügung von Zusatzmaterialien, welche meistens vor allem als
Schmelz- und Flußmittel dienen, sind in dem hier in Frage kommenden Verfahren nicht
nur unnötig, sondern direkt schädlich.
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Diese sind nämlich: unnötig wegen der besonderen Zusammensetzung .des
Grundstoffes, welcher sein eigenes Schmelz- und Flußmittel liefert, und schädlich,
weil sie durch Verbindung mit Titansäure oder mit Titan ein. mehr oder weniger wertloses
Schmelzprodukt bilden und hierdurch die in dem erwähnten Desoxydationsprozeß bezweckte
Reaktion dieser Stoffe (bzw. Desoxydation und Reoxydation) verhindern.
Hierzu
kommt noch, daß der Grundstoff oxydiertes Titaneisen infolge .ganz besonderer Eigenschaften
in dem erwähnten Verfahren ein solch vortreffliches Desoxydationsmittel bildet,
daß dies schwer durch ein anderes ersetzt werden könnte.
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Zur deutlichen Übersicht einiger Faktoren, welche für das hier in
Frage kommende Desoxydationsverfahren (was also einen sehr besonderen Charakter'trägt)
von großer Wichtigkeit sind, werden folgende bekannte Tatsachen in Erinnerung gebracht:
A. daß genanntes oxydiertenTitaneisen ein spezifisches Gewicht von 4,9 bis 5,1 und
einen Schmelzpunkt von ungefähr 158o° C hat; -B. daß Titan ein spezifisches Gewicht
von 5,17 (also beinahe 31-12 mal schwerer als das von Kohlenstoff) und einen Schmelzpunkt
von 24oo° C hat; C. daß Titansäure erst teilweise über 2ooo° C reduziert wird, während
die Herstellung der Legierung Ferrotitan eine Temperatur von wenigstens 26oo° C
erfordert, und D. daß die Temperaturerhöhungen in einer geschmolzenen Masse bei
Verbrennung darin von Titan und Kohlenstoff für jeden Prozentsatz dieser Elemente
bzw. mehr als 2io° und nur 6° C betragen, also für das erste mehr als das 35fache
des letzteren.
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Über die Wirkung des erwähnten Desoxydationsverfahrens kann folgendes
gesagt werden: i. Wenn man den genannten: Grundstoff oxydiertes Titaneisen schmilzt,
dann scheidet sich, wenn die geschmolzene Masse dünnflüssig zur Ruhe kommt, in dem
obersten Teil davon eine bläulich glänzende Lage ab, welche beinahe vollständig
aus Titansäure (Ti 02)
besteht.
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Die hierdurch entstandene oberste Lage bildet somit ein schweres Schmelz-
und Flußmittel bei hohen Temperaturen, was in hohem Maße die Wärme der daruntergelegenen
mattschwarzen Masse oxydiertes Titaneisen mit verringertem Titangehalt zurückhält,
wodurch jede Reoxydation verhindert wird.
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Durch die direkte Einwirkung des Lichtbogens auf genannte oberste
Lage, die schwer zu desoxydierende Titansäure, wird die außergewöhnlich nützliche
Wirkung erhalten, daß die übergroße Energie der verbrennenden, fein verteilten Kohleilelektrode
bei, der höchsten künstlichen Temperatur (an der Anode mehr als 4000° C) direkt
größtenteils festgelegt wird. Dies letztere geschieht bei vollständiger oder teilweiser
Desoxydation der Titansäure Ti 02, wodurch Titan; oder ein niedrigeres Oxyd hiervon,
z, B. Ti O oder Ti, 03 erhalten werden, welche alle eine außerordentlich starke
desoxydierende Wirkung haben.
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Diese Stoffe sind es (andauernd von neuem erzeugt, also stets im Status
n.ascens), die ihre Energie durch Reoxydation in der geschmolzenen Masse dort wieder
direkt fein verteilt zurückgeben.
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Die hierdurch entstehende, überall zerstreute desoxydierende Wirkung
wird noch durch folgendes Moment vergrößert: Wie bekannt ist, hat Titan eine außerordentliche
Atomaffinität nicht nur zu Sauerstoff, sondern über Soo° C noch mehr zu Stickstoff,
der an der Oberfläche der geschmolzenen Masse in Überfluß in der anwesenden Luft
vorhanden ist und dort noch durch Verbrennung derKohlenelektrode vermehrt wird.
Hierdurch bildet sich an der Oberfläche der geschmolzenen Masse unter sehr großer
Wärmeentwicklung Titannitrid (Ti N), eine metallglänzende, bronzeartige Substanz,
die aber beim Glühen an der Luft in die beständigere Verbindung Titansäure TiO,
übergeht.
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2. Unter all diesen Umständen kommt das Titan oder ein niedriges Oxyd
hiervon teils durch sein höheres spezifisches Gewicht, doch besonders durch die
(wegen örtlicher höherer Temperatur) verursachte heftige Bewegung in der geschmolzenen
Masse mit den an-@v-esenden Eisenoxyden in Berührung, die dadurch auf wirksame Weise
desoxydiert werden.
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Je nachdem diese Reaktionen fortschreiten, werden j e nach der Temperatur
und anderen Umständen zwischen den Elementen Eisen, Titan und Kohlenstoff (von den
Elektroden) obendrein noch verschiedene Lösungen und Verbindungen gebildet, die
alle in hohem Maße als Energieträger wirken, in welcher Eigenschaft Ferrotitan,
Titankarbid und besonders auch Ferrokarbontitan bekannt sind.
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3. Geschieht die Schmelzung undDesoxydation bei Temperaturen über
26oo° C, dann kann die zu desoxydierende Masse direkt zu der ursprünglichen Legierung
Titaneisen (Ferrotitan) mit einem niedrigeren Titangehalt zurückgebracht werden.
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Der Grund, warum das hier in Frage kommende Desoxydations- und gleichzeitig
Raffinationsverfahren vor allem für den meist gewünschten Grundstoff oxydiertes
Titaneisen das günstigste ist, liegt demnach in der großen Reinheit dieses Naturproduktes
und der bekannten stark desoxydierenden und raffinierenden Wirkung bei hohen: Temperaturen
eines seiner einzelnen Teile, nämlich des Titans, und seiner Verbindungen.
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Um ein einziges Beispiel anzuführen., wie diese Erfindung in Anwendung
gebracht werden kann, wird also vorzugsweise als Grundstoff
das
genannte vulkanische Naturprodukt oxydiertes Titaneisen gewählt, das in einem Lichtbogenofen
geschmolzen und desoxydiert wird, und zwar bei einer Temperatur, die mit der beabsichtigten
Produktion zusammenhängt.
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Es ist ohne weiteres zu ersehen, daß das erwähnte Desoxydationsverfahren
auch auf reine Titaneisenerze angewandt werden kann, besonders, wenn .diese z. B.
nicht mehr als 5Prozent Kieselsäure (SiO.) oder zoProzent basische Stoffe enthalten
und diese letzteren z. B. nicht mehr als die Hälfte des Titangehaltes des anzuwendenden
Grundstoffes oxydiertes Titaneisen betragen.
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Wie bekannt ist, erfordern die gebräuchlichen, aufein.anderfolgenden
Schmelzdesoxydations- und Raffinationsverfahren von einer Mischung von Eisen und
Stahl mit den gleichen oxydierten Metallen unter Hinzufügung von Schmelz-, Desoxydations-
und Raffinationsmitteln in dem Lichtbogenofen bei einer Dauer von ungefähr 6 bis
8 Stunden eine Energie von wenigstens 8oo bis rooo kWh pro Tonne Elektrostahl, wobei
der Elektrodenverbrauch nur ungefähr 12 bis 15 kg beträgt.
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In demselben Ofen erfordert @ das hier in rragekommendeSchmelz-, Desoxydations-und
Raffinationsverfahren für das genannte oxydierte Titaneisen (trhne Hinzufügung anderer
Materiale) für die Schmelzung bei einer Temperatur von mehr als 2ooo° C eine Energie
von noch nicht 6o kWh, während die Desoxydation und zu gleicher Zeit die R.affination
weniger als das Doppelte dieser Energie pro Tonne (rooo kg) Grundstoff erfordern.
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Die benötigte Energie für die Anwendung des erwähnten Verfahrens beträgt
bei einer Dauer von höchstens 3 Stunden weniger als 36o für je q.oo kWh pro Tonne
Produkt.
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Hierbei kann die Produktion von Ferrotitan als auch eine vollkommene
Desoxydation und Raffination des Gehaltes an Eisen erhalten werden, was also pro
Tonne oxydiertes Titaneisen mehr als 5oo kg raffiniertes Eisen beträgt, sowie in
beiden Fällen mehr als ein Fünftel dieses Gewichtes an Nebenprodukten, beinahe vollkommen
aus Titan und Titanverbindungen bestehend, welche als eine schwarze, spröde Masse
abgeschieden werden, die durch ihre große Reinheit und ihren hohen Titangehalt für
alle Eisen- und Stahlwerke als außergewöhnlich energietragendes Reduktions-, Desoxydations-
und: Raffinationsmittel einen großen Wert hat.