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Verfahren zum Herstellen reinen Eisens Die Flußeisenherstellungsverfahren,
die auf dem Prinzip des Frischens des Einsatzes beruhen, Windfrisch- und Herdofenverfahren,
sauer wie basisch, verwenden nach der Frischperiode zur Desoxydation Ferromangan
oder andere Metallegierungen. Bekanntlich gelingt es mit diesen Zusätzen nicht,
den Stahl frei von Oxyden und Schlacken herzustellen. Die Beseitigung dieser Verunreinigungen
des Bades, die Zurückbleibsel der festen Verbindungen sind, die durch die Einwirkung
der festen Desoxydationsmittel auf den Sauerstoff des Bades entstehen, ist bis heute
nicht möglich.
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Es ist vorgeschlagen worden, die Desoxydation mit festen Desoxydationsmitteln
zu umgehen und zur Entfernung der sauerstoffhaltigen Verbindungen das im Konverter
gefrischte Metall abzuschlacken, in einen Flammofen zu überführen und die blanke
Badoberfläche mit einem reduzierend wirkenden Gas zu bespülen. Um die dabei eintretende
Abkühlung der Schmelze, die zum Einfrieren führen kann, zu vermeiden, wird dieses
Gas im oberen Teil des Ofens mit Luft gemischt und zur Verbrennung gebracht. Voraussetzung
für dieses Verfahren ist das Frischen nach der sogenannten schwedischen Arbeitsweise,
d. h. das Bad wird im Gegensatz zum Thomas- oder Bessemer-Prozeß nur so weit heruntergefrischt,
bis der Gehalt an Silizium und Mangan, wie er im fertigen Metall verlangt wird,
annähernd erreicht ist. Man ist gezwungen, zu dieser Arbeitsweise zu greifen, weil
durch die Behandlung der Oberfläche mit reduzierend wirkenden Gasen nur eine verhältnismäßig
geringe Desoxydation möglich ist. Ein weiterer Nachteil dieser Methode ist, daß
man zur Herabsetzung des Gehaltes an Eisenschädlingen das Bad stark erzen muß und
damit naturgemäß eine Schlackenbildung im Bade infolge der Reaktion der Eisenschädlinge
mit dem Sauerstoff des Erzes eintritt, also eine ähnliche ungünstige Wirkung wie
bei der Entfernung des Sauerstoffes mit festen Desoxydationsmitteln.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Verfahren, mit dem
es gelingt, ein Flußeisen frei von Eisenschädlingen, Phosphor, Arsen, Schwefel usw.
herzustellen. Gleichzeitig ist das nach den neuen Verfahren hergestellte Metall
frei von Schlackeneinschlüssen, die sich bei der Desoxydation nach anderen Verfahren
zwangsläufig bilden, und ähnlich wie Elektrolyteisen und Elektrostahl durchaus rotbruchsicher,
d. h. frei von sonstigen Sauerstoffverbindungen.
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Bei allen bisherigen Stahlherstellungsverfahren hat man den Frischvorgang
nicht bis zur restlosen Verbrennung der Eisenschädlinge getrieben. Mit der Dauer
des Frischens nimmt der Sauerstoffgehalt des Bades zu, «-as wiederum einen erhöhten
Verbrauch von teuerenFerrolegierungen zurFolge hat. Gleichzeitig steigt mit der
Menge der angewandten Desoxydationsmittel aber auch die Menge des im Bade verbleibenden
Rückstandes der bei der Desoxydation entstehenden Verbindungen.
Mit
anderen Worten, die Zahl der Schlackeneinschlüsse im Stahl steigt. Bei der Stahlherstellung
hütet man sich daher sorgfältig vor dem zu langen Frischen, dem sogenannten Überfrischen.
Zum Teil ist sogar in wissenschaftlichen Kreisen die Ansicht vertreten, daß ein
Überblasen zur restlosen Beseitigung der Eisenschädlinge zwecklos sei, und daß beim
Thomasverfahren der -P-Gehalt nur bis auf 0,05 °f, heruntergebracht werden
könne.
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Der Erfinder hat nun erkannt, daß der Frischvorgang gefahrlos so weit
getrieben werden kann, daß im Stahlbad sämtlicher Kohlenstoff, Phosphor sowie sämtliches
Mangan und Silizium vollständig verbrennen, so! daß das Bad nur noch Eisen und Eisenoxydul
enthält, und das schädliche Eisenoxydul mittels eines gasförmigen Desoxydationsmittels
restlos entfernt werden kann.
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Nach der Lehre vom chemischen Gleichgewicht kann man folgern, daß
mit festen Desoxydationsmitteln, die wieder feste Desoxydationsprodukte bilden,
eine Reinigung des Bades (Desoxydation) nur bis zu einer gewissen Konzentration
der in Frage kommenden Komponenten im Metallbad getrieben werden kann. Im Metallbad
bleibt ein Teil des Sauerstoffs gelöst. Neben diesem, bisher durch kein chemisches
und mechanisches Mittel entfernbaren Sauerstoff bleiben noch die vorher erwähnten
Reste der sich beim Desoxydieren bildenden festen sauerstoffhaltigen Verbindungen
im Stahl zurück.
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Eine weitere Folge aus der Lehre vom chemischen Gleichgewicht ist,
daß es möglich sein muß, mit gasförmigen *Desoxydationsmitteln, deren Reaktionsprodukte
mit dem Sauerstoff des Bades wieder gasförmig sind, eine restlose Desoxydation zu
erreichen, weil die Konzentration der Reaktionsprodukte im Metallbad ständig annähernd
Null ist.
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Auf dieser technisch wichtigen Folgerung, die bisher nirgends gezogen
worden ist, baut sich die vorliegende Erfindung weiter auf. Das durch Überfrischen
von den Begleitelementen des Eisens befreite Bad, das, wie bereits erwähnt, nur
noch Eisen und Eisenoxydul enthält, wird mit einem stark reduzierend wirkenden Gas
behandelt. Ein Zurückbleiben von sauerstoffhaltigen Einschlüssen im Bade ist dabei
nicht möglich.
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D_ie Desoxydation mit reduzierend wirkenden Gasen gemäß der Erfindung
läßt sich aber durch bloßes Bespülen der blanken Badoberfläche nicht erreichen.
Das neue Verfahren sieht deshalb ein Verblasen durch Hindurchpressen des reduzierend
wirkenden Gases vor, in der gleichen Weise wie das Hindurchpressen des Windes beim
Windfrischverfahren. Es ist leicht einzusehen, daß in einem Metallbad, das einen
hohen Sauerstoffgehalt hat, nicht jedes reduzierend wirkende Gas angewandt werden
kann. Ein an sich kräftig reduzierend wirkendes Gas, beispielsweise Benzoldampf,
würde mit den Sauerstoffverbindungen des Bades nach folgender Gleichung reagieren:
C"H,+r5Fe0-6C021-3H20+z5Fe, d. h. aus einem Raumteil Benzoldampf würden im Konverter
9 Raumteile Kohlensäure und Wasserdampf entstehen. Durch diese starke Volumenvermehrung
würde das flüssige Bad explosionsartig aus dem Konverter fortgeschleudert. Ein wesentliches
Merkmal der Erfindung ist deshalb die Anwendung eines reduzierend wirkenden Gases,
das bei seiner Verbrennung keine Volumenvermehrung erleidet. Als gasförmiges Desoxydationsmittel
kommt Wasserstoff, obwohl er ohne Volumenvermehrung verbrennt, nicht in Frage, da
seine Reduktionskraft bei höheren Temperaturen abnimmt und bei der Stahlbadtemperatur
merklich gering ist.
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Ebenso kann Wassergas nicht in Frage kommen, weil das Kohlenoxyd dieses
Gases, so ungewöhnlich dies auf den ersten Blick auch erscheinen mag, bei den hohen
Temperaturen infolge seines hohen Wasserstoffgehaltes durch Beschleunigen der Eisencarbidbildung
stark kohlend wirkt.
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Es wurde gefunden, daß Gasgemische mit C O : CO, =
2-,5 bis 7 z. B. folgender Zusammensetzung: CO== 25 bis 35
°i"; C O# 1o bis 5 °/o, nebst einem Rest von indifferentem Gas, das
beispielsweise Stickstoff sein kann, ohne Volumenvermehrung verbrennen und bei der
Stahlbadtemperatur das im Bad vorhandene Fe 0 vollständig. zu reduzieren vermögen.
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Von den mannigfachen möglichen Ausführungsformen der Herstellung des
reinen Eisens hat sich die folgende besonders bewährt: In dem Windkasten eines Bessemer-
oder Thomasstahlkonverters wird außer der Windzuleitung eine Gaszuleitung eingebaut.
Durch die Gaszuleitung kann ein Gas der oben angegebenen Zusammensetzung mit einem
Druck von 2 bis 6 Atm. in den Konverter gepreßt werden.
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Bei der Herstellung des reinen Eisens im Windfrischverfahren wird
ein Roheiseneinsatz von derselben Zusammensetzung, wie er auch sonst beim Bessemer-
oder Thomasprozeß genommen wird, in üblicher Weise bei verschlossener Gaszuleitung
verblasen. Nur wird dann, wenn der Kohlenstoff-, Mangan-, Phosphor- ündSiliziumgehalt
die im fertigen, noch nicht desoxydierten Bessemer- oder Thomasstahlbad übliche
Höhe erreicht hat;
nicht wie beim normalen Verfahren mit dein Desoxydieren
begonnen, sondern das Blasen fortgesetzt, bis der Phosphorgehalt auf weniger als
o,ot °j. gesunken ist, und der Mangan-und Siliziumgehalt nicht mehr als 0,02 °j"
betragen. Die Dauer dieser Blasezeit kann in mehreren Vorversuchen mit Hilfe der
chemischen Analyse festgelegt werden.
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Ist dieser Zeitpunkt erreicht, so schaltet man um, d. h. man sperrt
den Luftstrom ab und öffnet das Ventil der Gaszuleitung. Durch den Windkasten und
die Bodendüsen tritt nun das desoxydierend wirkende Gas ins Bad. Der Gasstrom wird
so lange durchgeleitet, bis aller Sauerstoff entfernt ist, d. h. bis eine aus dem
Bad genommene Probe völlig rotbruchfrei ist.
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Beim Herdfrischverfahren, sauer oder basisch, werden ebenfalls die
Einsätze in der beim Herdofenverfahren üblichen Weise geschmolzen, heruntergefrischt
und stark überfrischt. Die Feststellung, wann die Überfrischung ausreichend ist,
geschieht wieder mit Hilfe der chemischen Analyse. Beim Schmelzen und Frischen im
Herdofen kann nach dem Roheisen-, Erz- oder Schrottverfahren oder irgendeinem sonstigen
Verfahren gearbeitet werden. Nach Beendigung der Frischperiode wird dann der flüssige
Stahl in einen Konverter, wie vorstehend beschrieben ist - nur kann hier natürlich
die Windzuleitung fehlen - gebracht und durch Durchleiten des reduzierend wirkenden
Gases desoxvdiert.
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Zurn vollständigen Entfernen des Schwefels kann man in der jedem Stahlwerker
geläufigen Weise mit doppelter Schlackendecke arbeiten.
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Durch Anwendung des neuen Verfahrens erhält man ein vollkommen desoxy
diertes Schmelzbad von reinem Eisen.
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Das so gewonnene reine Eisen, das sich außer durch seine Reinheit
durch Homogenität, Duktilität und Korrosionswiderstandsfähigkeit auszeichnet, kann
in der Technik weitgehende Verwendung finden, mit besonderem Vorteil auch als Ausgangsstoff
für die Herstellung legierter und unlegierter Stähle jeder Art.