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Verfahren zur Herstellung von titanfreiem Eisen oder Stahl Die Erfindung
bezieht sich auf die unmittelbare Herstellung von Stahl oder Stahllegierungen aus
titänhaltigen Erzen und Eisensanden. _ Obwohl Titan eines der am weitesten verbreiteten
chemischen Elemente ist und unter diesen hinsichtlich der Häufigkeit seines Vorkommens
an neunter Stelle steht, werden gegenwärtig aus titanhaltigen Erzen oder Eisensanden
keine Stähle oder Stahllegierungen in technischem Maßstabe hergestellt. Einer der
Einwände der Eisenhüttenleute gegen die Reduktion titanhaltiger Erze und Eisensande
zum Zwecke der Herstellung von Roheisen besteht darin, daß sie eine teigartige Schlacke
ergeben und- daß die Ansammlung von Titannitrid und -nitrocyanid im Hochofen die
Arbeit äußerst erschwert, während der Verbrauch an Brennstoff und die Herstellungskosten
viel höher sind als bei gewöhnlichen Erzen. Außerdem ist. infolge der hohen Temperatur,
bei der die Erze reduziert werden und zu deren Erzeugung man sich vorteilhaft eines
elektrischen Ofens bedient, die Abnutzung und Zerstörung des Ofenfutters bei allen
bisher - benutzten Arbeitsweisen außerordentlich groß, während der Wert der Metallausbeute
in keinem Verhältnis zu den Kosten der Reduktion stand. Zur Vermeidung der Bildung
einer teigartigen Schlacke und weil die titanoxydhaltige Schlacke erheblichen Handelswert
hat, besonders für die Herstellung von Pigmenten, Zementen, Nitraten, Düngemitteln
u. dgl., hat man vorgeschlagen, das Reduktionsverfahren mit Hilfe besonderer Reduktionsmittel,
wie Calciumsilicid, durchzuführen, wobei man eine Schlacke erhielt, die frei oder
doch praktisch frei von. Eisen, und ebenso ein Eisen, das frei oder praktisch frei
von Titan war. Bei diesem Verfahren war aber das in erster Linie gewünschte Erzeugnis
eine beständige Schlacke, die, wie erwähnt, zur Benutzung bei der Herstellung von
Titanfarbpigmenten bestimmt war, während das bei dem Verfahren erhaltene Metall
Eisen war.
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Wenn es sich aber darum handelt, aus Eisensanden oder titanhaltigen
Erzen durch elektrische Verfahren Stahl herzustellen, im Gegensatz zu Vorschlägen
zur Reduktion der Eisensande oder Erze zwecks Herstellung von Roheisen, so sind
die Bedingungen vollkommen andere. Im ersten Falle handelt es sich nur um die Herstellung
des unreinen Metalls selbst, während im letzteren Falle ein reines Metall hergestellt
werden soll, das bestimmte Mengen von Kohlenstoff oder anderen Bestandteilen enthält,
so daß man Stahl von einer
bestimmten Zusammensetzung erhält, in
der der Gehalt an Kohlenstoff oder anderen Bestandteilen klein und innerhalb bestimmter
Grenzen genau sein muß. Infolgedessen erfordert die Durchführung der Arbeit große
Sorgfalt, und der Zweck der Erfindung besteht darin, Stähle höchster Qualität mit
irgendeinem gewünschten Kohlenstoffgehalt oder eine Stahllegierung von irgendeiner
gewünschten Zusammensetzung aus titanhaltigen Erzen oder Eisensanden mit Kosten
herzustellen, die geringer sind als die Kosten der Herstellung von Stahl aus anderen
Erzen oder nach anderen Verfahren oder doch mit diesen Kosten vorteilhaft vergleichbar
sind.
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Gemäß der Erfindung wird Stahl oder irgendeine beliebige Stahllegierung
durch einen einzigen fortlaufenden Arbeitsvorgang unmittelbar aus titanhaltigen
Erzen oder Eisensanden erhalten, indem diese in einem elektrischen Ofen mit einem
Reduktionsmittel, wie Kohle, sowie mit Zuschlägen und Flußmitteln geschmolzen werden,
wobei während des Reduktionsvorganges in dem Bade eine Temperatur aufrechterhalten
wird, die in dem Bereich von etwa i 5oo bis x 6oo° möglichst hoch liegt, aber die
Temperatur von r 6oo°, bei deren Überschreiten sich ein unzulässiger - Titangehalt
des Eisens ergeben würde, nicht übersteigt, worauf nach Entfernung der titanhaltigen
Schlacke das Eisen in dem Schmelz- oder in einem anderen Ofen in an sich bekannter
Weise in Eisen oder Stahl der im Enderzeugnis gewünschten Zusammensetzung und Beschaffenheit
übergeführt wird.
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Dabei steht obenan die Wirtschaftlichmachung der bisher unwirtschaftlichen
Verhüttung von Titaneisenerzen. Das neue Verhüttungsverfahren verläuft vom Erz über
eine Reduktionsvorstufe in. einem ununterbrochenen Arbeitsgang unmittelbar bis zum
Stahl. Die Herstellung des letzteren in einem Zuge stellt bekanntlich verschiedene
Voraussetzungen an das betreffende Ausgangsgut. Die Vorreduktion ist deshalb nach
der Erfindung gerade genauestens hierauf abgestellt, indem das Titan praktisch ganz
in die Schlacke gedrängt, trotzdem aber seine Reinigungswirkung auf das Vorprodukt
für die Stahlbereitung ausgiebigst ausgenutzt und ferner die Reduktionsarbeit so
schnell, als es die vorstehenden Bedingungen nur zulassen, durchgeführt wird, und
zwar unter genauer Einregelung der Betriebstemperatur, die innerhalb enger Grenzen
gehalten wird. Dadurch wird ein Hinarbeiten auf ein vorraffiniertes Eisen solcher
Kohlungsstufe und sonstiger Beschaffenheit, daß sich die Stahlbereitung nach Abtrennung
der titanhaltigen Schlacke unmittelbar anschließen kann, ermöglicht. Bei der Ausführung
der Erfindung unterwirft man die Erze oder Eisensande zunächst einer an sich bekannten
magnetischen Scheidung. Das Konzentrat wird hierauf in einem elektrischen Ofen in
sqlcher Weise reduziert, daß, obwohl das Eisenoxyd und andere in den Erzen oder
Sanden vorhandene Oxyde reduziert werden, nicht so viel Kohlenstoff oder sonstiges
Reduktionsmittel zugesetzt wird, daß das Titanoxyd zu metallischem Titan reduziert
wird.
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Nach Beendigung der Reduktion wird die flüssige Schlacke aus dem elektrischen
Ofen abgezogen, oder das Metall wird in noch geschmolzenem Zustande in einen benachbarten
elektrischen Ofen laufen gelassen und darauf in üblicher Weise raffiniert, so daß
man reines Eisen mit irgendeinem gewünschten Kohlenstoffgehalt erhält und durch
den erforderlichen Zusatz von Kohlenstoff oder Metallegierungen das noch flüssige
Metall in Stahl oder eine Stahllegierung von irgendeiner gewünschten Beschaffenheit
oder Zusammensetzung übergeführt wird. Man erhält also Stahl oder irgendeine beliebige
Stahllegierung unmittelbar aus titanhaltigen Erzen oder Eisensanden in einem einzigen
Arbeitsgang, und der Verbrauch an elektrischer Energie wird vermindert, weil man
das Metall, nachdem es durch Reduktion aus den Erzen oder Eisensanden erhalten worden
ist, nicht erstarren läßt, sondern es bis zur Beendigung des Verfahrens geschmolzen
erhält.
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Wenn ein besonderer Raffmierofen benutzt ,vird, kann man die Schlacke
zuerst abziehen, ehe das Metall in den Raffinierofen fließt, oder die Schlacke kann
aus dem Reduktionsofen nach dem Metall abgezogen und der Reduktionsofen neu beschickt
werden, so daß die Verfahren der Reduktion und der Raffination ununterbrochen verlaufen.
Es ist zu bemerken, daß das Titanoxyd vollständig oder doch praktisch vollständig
während der Reduktion in die Schlacke übergeht. Da das Titanoxyd nicht reduziert
wird, sondern in die Schlacke übergeht, so verleiht es dieser besondere Eigenschaften,
und die Schlacke wird nach einer etwa erforderlichen Nachbehandlung technisch für
die verschiedenen Zwecke benutzt, zu denen sie besonders geeignet ist. Erforderlichenfalls
und bei Titanerzen, die nicht in körniger Form vorliegen, können diese einer Zerkleinerung
unterworfen werden, und es hat sich ergeben, daß, nachdem die Erze oder Eisensande
durch eine magnetische Scheidung konzentriert worden sind, das durch die Scheidung
erhaltene Produkt in manchen Fällen kaum noch Schwefel oder Phosphor enthält, aber
reich an Eisen und Titan ist. Eisensande sind hinsichtlich des Eisengehalts nach
der magnetischen
Scheidung einem guten Magnetit ähnlich, d. h. sie
enthalten 72 bis 75 °/o Eisenoxyd, die nach der Reduktion 5o bis 53 °/o metallisches
Eisen ergeben, und außerdem haben sie einen Gehalt von 2o bis 25 % Titanoxyd,
entsprechend I2 bis 15 °/o Titan.
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Die Raffination, die entweder nach der Entfernung der Schlacke aus
dem ersten Ofen erfolgt, in dem die Reduktion ausgeführt wird, oder nachdem das
Eisen in einen benachbarten elektrischen Ofen geflossen ist, wird bei den üblichen
Temperaturen der Stahlraffinierung durchgeführt, d. h. bei 1500
bis i 6oo°
C. Man kann auch eine gewisse Menge der Schlacke während der Reduktion abziehen,
besonders wenn die Arbeit in einem einzigen elektrischen Ofen durchgeführt wird,
aber in jedem Falle wird die flüssige Schlacke vollständig von dem Metallbade abgezogen,
ehe mit der Raffinierung begonnen wird, wenn ein einziger elektrischer Ofen benutzt
wird.
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Bei Verarbeitung von Eisensanden besteht ein geeignetes Verfahren
zur Durchführung den unmittelbaren Herstellung von Stahl darin, daß man die Sande
einer magnetischen Scheidung unterwirft, um die Erze zu konzentrieren. i ooo Teile
der konzentrierten Eisensande können dann mit Zoo bis 33o Teilen Anthrazit gemischt
werden, und in diesem Stadium können 7o bis 75 Teile Kalk und 15 bis 3o Teile
Flußspat mit den konzentrierten Erzen gemischt werden, oder der Kalk und der Flußspat
können allmählich während des Reduktionsvorganges derart zugesetzt werden, daß die
Flüssigkeit der Schlacke aufrechterhalten und dadurch der Reduktionsvorgang unterstützt
wird. Während-des Reduktionsvorganges bildet sich eine gewisse Menge Calciumcarbid
durch die Reaktion zwischen Kalk und Koks, und dieses Calciumcarbid beschleunigt
den Reduktionsvorgang, so daß eine weitere Ersparnis an elektrischem Stromverbrauch
eintritt.
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Vor Beginn der Reduktion ist es erwünscht, einen heißen Ofen anzuwenden;
darauf werden die Erze oder Eisensande in bekannter Weise im Gemisch mit Kohlenstoff,
vorzugsweise in Form von gepulvertem Anthrazit, und mit oder ohne Zusatz von Kalk
und Flußspat in den Ofen eingefüllt, bis letzterer etwa zu drei Viertel gefüllt
ist. Der benutzte Ofen ist vorzugsweise ein solcher nach G r e a v e s - E t c h
e 11 mit Elektroden oberhalb der Beschickung und mit oder ohne Bodenelektroden und
zur Benutzung mit Drei- oder Vierphasenstrom. Man kann auch eine Einrichtung treffen,
um den Körper des Ofens in irgendeiner bekannten Weise in Umdrehung zu setzen und
so den Reduktionsvorgang zu unterstützen und die Schlacke oder das Metall zu konzentrieren,
oder der Ofen kann selbst feststehend sein und die flüssige Beschickung so angeordnet
sein, daß man sie in bekannter Weise in Umdrehung setzen kann, indem man am Boden
des Ofens oder in dessen Nähe ein elektromagnetisches Drehfeld anordnet. Nachdem
der Ofen beschickt ist, werden die Elektroden so weit gesenkt, daß sie mit dem Beschickungsgut
in Berührung kommen, und der Strom wird dann eingeschaltet. Die Elektroden werden
dann wieder gehoben, so daß sich ein Lichtbogen oder mehrere Lichtbögen bilden,
und der Erhitzungsvorgang beginnt. Die Reduktion tritt in der Nähe von i 3oo bis
r 5oo° C ein, und es wird eine genügend hohe Temperatur aufrechterhalten, bis die
Reduktion vollständig ist. Außerdem dient die Gegenwart des Titanoxyds in den Erzen
dazu, den Eintritt von Stickstoff zu beseitigen oder zu verhindern und das Freiwerden
von Sauerstoff zu unterstützen.
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Bei Verwendung von magnetischem Eisenoxyd ist die Reaktion die folgende:
Fe..0, + ..1. CO = Fe;, 1- .I C0_. Sobald die Reduktion des Bades beginnt oder lebhaft
im Gang ist, was man an dem Glühzustand des Bades erkennen kann, können weitere
Mengen der konzentrierten Erze zugesetzt werden, um das Reduktionsvermögen des Bades
vollständig auszunutzen. Der Reduktionsvorgang beginnt, sobald eine genügende Temperatur
erreicht ist, und die zur Vollendung des Reduktionsvorganges notwendige Zeit hängt
von der Größe des benutzten Ofens und der zum Durchrühren oder Drehen der Beschickung
benutzten Arbeitsweise sowie von der chemischen Zusammensetzung des Erzes oder Sandes
ab. Die Beschaffenheit der flüssigen Schlacke kann in verschiedenen Weisen geregelt
«-erden, z. B. indem man die Reaktionstemperatur ändert. Dies kann geschehen, indem
man die Stromstärke oder die Menge der benutzten Flußmittel oder beides ändert.
Ein anderes Verfahren besteht darin, daß man die Zeitdauer ändert, während der man
das Material in der Reaktionszone beläßt, ehe es verschlackt, indem man einen Oberschuß
an Flußmittel, nämlich den gepulverten Anthrazit, Kalk und Flußspat zusetzt. Infolgedessen
tritt nur eine geringe oder keine Reduktion des Titanoxyds ein. Es hat sich in der
Praxis indessen als erwünscht gezeigt, die Flüssigkeit der Schlacke so zu regeln,
daß die Reduktion unterstützt und nicht verzögert wird. Wenn die Schlacke zu flüssig
ist, so wird das Ofenfutter angegriffen. Wenn dagegen die Schlacke zu teigartig
ist, so erhält man nicht die freie
Bewegung, die notwendig ist,
um den Eintritt des unreduzierten Gutes in die Reduktionszonen zu sichern. Eine
Schlacke von etwas höherem Schmelzpunkt als die letztere ist genügend flüssig, um
bei der Reaktionstemperatur frei in dem Ofen umzulaufen, und unterstützt infolgedessen
den Fortgang des Reduktionsvorganges, ohne daß ein so schnelles Schmelzen der Beschickung
eintritt, daß die Regelung der gewünschten Temperatur in der Reaktionszone schwierig
oder unmöglich wird.
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Es ist indessen selbstverständlich, daß die Einzelheiten des Verfahrens
innerhalb der für den Sachverständigen ersichtlichen Grenzen geändert werden können,
besonders wenn man Stoffe von verschiedenen Eigenschaften verarbeitet. Der Kohlenstoffgehalt
des erhaltenen Metalls kann während des Reduktionsvorganges geändert werden, indem
man Flußmittel zusetzt, und kann auf die gewünschte genaue Höhe gebracht werden,
nachdem die Schlacke entfernt oder das Metall in einen benachbarten Stahlherstellungsofen
übergeführt ist, oder man kann zuerst reines Eisen durch ein Raffinationsverfahren
im Anschluß an den Reduktionsvorgang herstellen, und aus diesem reinen Eisen kann
man durch geeignete Zusätze Stahl von der weichsten bis zur härtesten Beschaffenheit
herstellen. Außerdem ist ersichtlich, daß man durch geeignete Zusätze zu dem geschmolzenen
Metall die verschiedensten Stahllegierungen herstellen kann.
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In einem typischen Beispiel, in dem konzentrierter Javasand benutzt
wurde, um das beschriebene ununterbrochene Verfahren auszuführen, waren die Gewichte
des benutzten Sandes und des erhaltenen Stahls sowie der Gesamtstromverbrauch die
folgenden:
| Gewicht des eingeführten Sandes. . . . . . . . 9oz kg |
| - |
| Gewicht des hergestellten Stahls . . . . . . . . . . 408 |
| Ausbeute............................. 45,40/0 |
| Stromverbrauch zur Reduktion des konzen- |
| trierten Sandes zu Metall. . . . . . . . . . . . . . 1550
Kilowattstunden |
| Stromverbrauch zur Raffinierung des Metalls |
| und zur Herstellung guten Stahls daraus 390 - |
| zusammen .... 1940 Kilowattstunden |
Es hat sich ergeben, daß das neue Verfahren zur Herstellung von Stahl oder Stahllegierungen
unmittelbar aus konzentrierten titanhaltigen Erzen oder Eisensanden in der beschriebenen
Weise eine einwandfrei vorteilhafte Wirkung auf die mechanischen und physikalischen
Eigenschaften des so erhaltenen Stahls oder der Stahllegierungen hat, und Vergleichsversuche
mit nach anderen Verfahren hergestelltem Stahl und solchem nach dem vorliegenden
Verfahren zeigen, daß letzterer hinsichtlich -Ausbeute, Beanspruchungsfähigkeit,
Duktilität, Ermüdungserscheinungen und Abnutzung gewöhnlichem Stahl weit überlegen
ist.