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Verfahren zur Herstellung von Eisen und Eisenlegierungen Die vorliegende
Erfindung bezweckt ein Verfahren zur Herstellung von Eisen und Eisenlegierungen,
wobei eine eisenhaltige Beschickung, gegebenenfalls im Zusammenhang mit oder nach
ihrer Reduktion unter Bildung von Metall und Schlacke auf und in einem Schlackenbad,
in einem mit einer oder mehreren über dem Bade angebrachten, abwärts gerichteten,
heb- und senkbaren Elektroden versehenen Elektroofen geschmolzen wird. Das Schlackenbad
kann, ehe die Beschickung eingeführt wird, oder während des Verlaufs der Schmelzung
gebildet werden und wächst dann allmählich während der Schmelzung wegen der aus
der Beschickung gebildeten Schlacke an Tiefe.
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Die Erfindung kann bei Verfahren der angegebenen Art verwendet werden,
wo große Öfen von technischer Bedeutung, z. B. iooo Kilowatt oder noch größer, erforderlich
sind; für kleine Laboratoriumsöfen kommt sie dagegen weniger in Betracht.
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Es wurden Schmelzungen u. a. von Beschickungen durchgeführt, die Eisenerz
und Holzkohle oder Steinkohle und Kalk in Verhältnissen enthielten, die auf Gewinnung
einer geeigneten Schlacke und eines gewünschten Kohlenstoffgehaltes im Eisen abgestellt
waren; die Beschickungen bestanden entweder aus Briketten der fein zerkleinerten
Rohmaterialien oder aus einer mehr oder weniger guten Mischung abgepaßter Mengen
von mehr oder weniger feinkörnigen Rohcnaterialien dieser Art. Hierbei hat es sich
erwiesen, daß die im Ofen zwischen einer Elektrode und dem Metallbad bzw. dem Ofenboden
im Anfang der Schmelzung angewandte Spannung in einem gewissen Verhältnis zu der
angewandten Stromstärke stehen soll, d. h. daß der Widerstand zwischen der Elektrode
und dem Metallbad einen gegebenen Wert haben soll, um die beste Ausnutzung des Stromes
im Ofen sowie des Ofens selbst und den besten Verlauf des ganzen Metallherstellungsprozesses
sowie einen kleineren Elektrodenverbrauch zu erzielen. Es genügt demnach nicht,
wie man glauben könnte, den Strom mit einer gewissen Spannung und einer Stromstärke
den Elektroden zuzuführen, die für einen gewünschten Leistungsbetrag des Ofens erforderlich
ist, wie es in bisher bekannten elektrischen Stahlöfen, z. B. dem Heroult-Ofen,
oder in elektrischen Öfen zur Herstellung von Roheisen der Fall gewesen ist. Die
Spannung zwischen zwei Elektroden in Stahlöfen wird gewöhnlich
auf
i i o bis i :2o Volt gehalten, wenn dreiphasiger Wechselstrom und drei Elektroden
verwendet -werden. Die für einen Ofen bestimmter Größe erforderliche Leistung wird
durch die zugeführte Stromstärke geregelt, und zwar bei Verwendung von im Dreieck
geschalteten Elektroden gemäß der gewöhnlichen Gleichung
wobei N die Leistung in Watt, e die Spannung in Volt, i die Stromstärke in Ampere
und cos (p der Leistungsfaktor ist.
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Angenommen, daß cos p - o,go und e - iio Volt ist, so wird für einen
Ofen von 3 oookW die Stromstärke --etwa 17 5ooAmp. sein. Die Elektroden sind dabei
derart zu bemessen, daß eine Stromdichte z. B. nicht über 5 Amp.[cm° für Elektroden
aus amorpher Kohle und von etwa 15 bis 2o Amp./cm2 für Graphitelektroden erhalten
wird, entsprechend einem Durchmesser von 675 mm im ersten und 375 mm im zweiten
Falle.
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In dieser Weise können aber Öfen zur Ausführung von Reduktions- und
Schmelzungsprozessen der hier beabsichtigten Art nicht bemessen werden. Für einen
Heroult-Ofen oben angegebener Größe wird die Spannung zwischen einer Elektrode und
dem Metallbade während die Stromstärke
17 50o Amp. ist. Der Ohmsche Widerstand zwischen einer Elektrode und dem Metallbade
wird somit
was folglich für einen gewöhnlichen Stahlofen genügt. Derselbe niedrige Widerstand
oder ein noch niedrigerer ist auch bei den gewöhnlichen Roheisenöfen üblich, in
welchen die Spannung zwischen jeder Elektrode und dem Eisenbade bei Verwendung einer
Stromstärke von 12 ooo bis 16 ooo Amp. normalerweise 3o bis 40 Volt beträgt, was
einem Ohmschen Widerstand von etwa 0,0025 Ohm entspricht.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb
großer Ofen der oben angegebenen Art, das eine wirksamere Ausnutzung der zugeführten
elektrischen Energie sowie des Ofens selbst, einen besseren Verlauf des ganzen Metallherstellungsprozesses
und einen kleineren Elektrodenverbrauch ermöglicht.
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Dieser Zweck wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß Strom
und Spannung der Elektroden während des Hauptteiles der Schmelze so gewählt werden,
daß der Gesamtwiderstand im Lichtbogen und in der Schlacke mindestens o,o2o Ohm
je Elektrode beträgt.
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In diesem Zusammenhang wird mit dem Ausdruck Ohinscher Widerstand
das Verhältnis zwischen Spannung und Stromstärke und mit dem Ausdruck Schmelzung
die Zeit zwischen zwei Abstrichen gemeint.
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Beim Betrieb des Ofens mit einem Ohmschen Widerstand, der niedriger
als o,o2o Ohm per Elektrode ist, hat es sich gezeigt, daß das Verfahren zwar durchgeführt
werden kann, jedoch nur mit Schwierigkeit; im Vergleich mit einem Ofenbetrieb mit
höherem Widerstand ist der Stromverbrauch und der Elel:-trodenverbrauch erheblich
höher, die Reduktion verläuft langsamer, und die Temperatur am Boden des Ofens hat
die Neigung, allzu hoch zu werden, was den Bestand des Ofens beeinträchtigt. je
höher der Widerstand gehalten wird, desto besser wird die Reduktion und Schmelzung
der Beschickung auf oder in dem Schlackenbad vor sich gehen. Schmelzungen sind dementsprechend
mit sehr gutem Erfolg mit Ohmschen Widerständen bis auf 0,o6 Ohm per Elektrode und
in allen dazwischenliegenden Stufen, z. B. 0,025, 0,030, 0,035, 0,040, 0,045, 0,05o
Ohm usw., per Elektrode durchgeführt worden. Beim Reduzieren und Schmelzen in einem
elektrischen Ofen von z. B. 3000 kW von einer brikettierten oder sonstwie
stückig gemachten Beschikkung, die eine Mischung von fein verteiltem Oxyderz und
fein verteiltem Reduktionsmittel enthielt, hat es sich gezeigt, daß der beste Erfolg
dann erreicht wird, wenn der Ofen mit einem Ohmschen Widerstand von 0,035
bis 0,045 Ohm zwischen jeder der drei Elektroden und dem Metallbade betrieben wird.'
In noch größeren Ofen, z. B. von 5ooo kW oder mehr, ist es indessen aus praktischen
Gründen schwer, den Widerstand auf den höchsten Werten, z. B. über 0,040 Ohm, zu
halten, da die Spannungen zwischen den Elektroden, d. h. die Hauptspannungen, dabei
bis auf solche Höhe steigen, daß Schwierigkeiten bezüglich der Isolierung der Elektröden
und damit Gefahren für die Arbeiter entstehen, falls der zugeführte Strom nicht
auf eine große Anzahl kleinerer Elektroden aufgeteilt wird; dies ist indessen aus
verschiedenen Gesichtspunkten unzweckmäßig, z. B. weil das Gewölbe des Ofens abgeschwächt
wird und eine entsprechend größere Anzahl von Kühlstellen und Stromzuführungsvorrichtungen
erforderlich werden. In solchen sehr großen Ofen kann es notwendig sein, sich mit
niedrigeren Widerständen per Elektrode, z.B. o,o2o bis 0,030 Ohm, zu begnügen,
obwohl höhere Widerstände wünschenswerter sind. Insbesondere wenn Beschickungen
reduziert und (oder) geschmolzen werden sollen, die nicht aus einer brikettierten
oder sonstwie stückig gemachten Mischung der fein verteilten Rohstoffe, sondern
aus einer mehr oder weniger losen Mischung dieser Rohmaterialien bestehen,
hat
es sich als notwendig erwiesen. den Ofen mit hohem Widerstand zu betreiben. Für
solche Beschickungen soll ein Widerstand von mindestens o,o2o Ohin verwendet werden,
wobei aber Widerstände höherer Werte zweckmäßiger sind.
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Bei der Herstellung von Flußeisen oder Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt
durch Reduzieren und Schmelzen einer Beschickung, die Oxyderz und Reduktionsmittel,
z. B. kohlenstoffhaltige Stoffe, enthält, wird der Gesamtwiderstand im Lichtbogen
und in der Schlacke zweckmäßig zwischen 0,03 und 0,o3 Olim per Elektrode
gehalten.
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Es hat sich auch erwiesen, daß der Widerstand zwischen der Elektrode
bzw. jeder Elektrode und dem Metallbad je nach der Natur des herzustellenden Metalles
eingestellt «-erden kann. Wenn z. B. Eisenlegierungen aus einer Eisenerzbeschickung
und einer anderen. Oxvderz des Legierungsnietalles enthaltenden Beschickung hergestellt
werden sollen und diese Beschickungen in beliebiger Reihenfolge nacheinander reduziert
und geschmolzen werden, so wird der beim Reduzieren und Schmelzen der Eisenerzbeschickung
zu verwendende Widerstand vorteilhaft einen anderen Wert erhalten als der beim Reduzieren
und Schmelzen der Legierungsmetallbeschickung angewandte. Als allgemeine Regel kann
gesagt werden. daß der Widerstand um so niedriger gehalten «erden soll, je schwerer
das herzustellende #letall bzw. die Legierung zii reduzieren und (oder) zu schmelzen
ist.
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Der Grund dafür. daß bei den in Rede stehenden Verfahren der Ohtnsche
Widerstand so viel höher als in gewöhnlichen elektrischen Stahl- oder Roheisenöfen
gehalten werden soll, liegt in der besonderen Weise des Reduzierens und (oder) Schmelzens
der Beschikkung, die auf oder in dem Schlackenbad im Ofen schwimmt oder liegt. Die
Wärme soll dabei so gut wie möglich über die Oberfläche des Schlackenbades, wo der
Wärmeverbrauch der größte ist, verteilt werden, was durch Bildung hinreichend langer
Lichtbogen zwischen den Elektroden und dem Schlackenbad erreicht wird. Da im Schlackenbad
ein verhältnismäßig hoher Widerstand immer vorhanden ist, der mit der Höhe des Bades
anwächst, muß deshalb ein ziemlich hoher Widerstand zwischen der Elektrode und dem
Metallbad eingelegt werden, d. h. die Spannung muß im Vergleich zu der Stromstärke
hoch sein, damit die Elektrode nicht in das Bad eintaucht, sondern in einem solchen
Abstand von der Schlacke gehalten wird, daß ein Lichtbogen gebildet wird. Die Temperaturverteilungskurve
eines Lichtbogens zeigt deutlich, daß der Lichtbogen eine gewisse, nicht unerhebliche
Länge haben muß. um eine gute Wärmeverteilung über das Bad hin zu erhalten. Die
Länge des Lichtbogens und die verhältnismäßig hohe Schlackenschicht sind somit die
Ursachen des erforderlichen großen Widerstandes oder, in anderen Worten ausgedrückt,
der erforderlichen großen Verhältniszahl zwischen Spannung und Stromstärke. Lichtbogenbetrieb
während des Reduzierens und (oder) Schmelzens bringt bekanntlich außerdem den Vorteil
mit sich, daß die Elektrode mit der Beschickung nicht in Berührung kommt, was von
besonderer Bedeutung ist, wenn kohlenstoitarmes, kohlenstoffaufnehmendes Metall
bzw. eine entsprechende Legierung hergestellt werden soll.
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In einem Verfahren der in Rede stehenden Art hat der Widerstand in
der Schlacke die wichtige Aufgabe, die zum Aufrechterhalten der Temperatur in der
Schlacke und dem Barunterliegenden Metall erforderliche Wärme zu entwickeln. Verfahren,
bei welchen die Beschickung auf oder in der Oberfläche der Schlacke schwimmend reduziert
und (oder) geschmolzen wird, wobei die Oberfläche eine etwas steife Haut an den
Stellen bilden kann, wo die Beschickung liegt, können mit gutem Erfolg nicht durchgeführt
werden, wenn die elektrische Wärme ohne einen solchen Widerstand in der Schlacke,
z. B. nur durch zwei über dem Bade spielende Lichtbögen, zugeführt wird; der Wärmeverbrauch
an der Oberfläche des Schlackenbades macht es unmöglich, eine genügend hohe Temperatur
am Boden des Ofens zu erhalten, da die Temperatur über dem Bade unterhalb der für
den Bestand des Ofens kritischen Temperatur gehalten werden muß. Wenn der Strom
durch die Schlacke geht, wird eine erhebliche Wärmemenge darin zufolge des Widerstandes
entwickelt, so daß die Schlacke genügend warm wird. um das Metall im erforderlichen
lfaß zu erhitzen und auch Wärme an die auf der Oberfläche der Schlacke schwimmende
oder liegende Beschickung abzugeben. Je schwerer schmelzbar das herzustellende Metall
ist, um so wärmer muß selbstverständlich das Metall am Boden des Ofens gehalten
werden, damit es dort nicht erstarrt. Bei Herstellung von Legierungen, die einen
hohen Gehalt an Legierungsmetall enthalten, z. B. kohlenstoffarmem Ferrochrom oder
sogenanntem rostfreiem Eisen mit i 3 bis 15 % Chrom, muß somit ein verhältnismäßig
großer Teil des Widerstandes per Elektrode in die Schlacke gelegt werden. Der Gesamtwiderstand
in der Schlacke und im Lichtbogen soll indes während des hauptsächlichen Teiles
der Schmelzung mindestens o.o2o Ohm per Elektrode oder besser noch höher sein.
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Wenn während der Schmelzung die Temperatur
des Metalles
allzu niedrig zu werden droht, so daß die Gefahr entsteht, daß das Metall erstarrt
oder daß die Umsetzung zwischen Metall und Schlacke nicht so gut vor sich geht,
wie dies z. B. für Entschwefelung des Metalles erwünscht ist, so ist es zweckmäßig,
die Elektrode bzw. die Elektroden während kürzerer oder längerer Zeiträume der Schmelzung
in die Schlacke niederzusenken, d. h. den Widerstand per Elektrode zu vermindern
und dadurch eine große Wärmemenge den unteren Schichten des Schlackenbades zuzuführen.
Durch Veränderung des Widerstandes per Elektrode oder der Stellung der Elektroden
gegenüber dem Schlackenbad kann man somit in an sich bekannter Weise nach Wunsch
die Wärme verschiedenen Schichten des Schlackenbades zuführen und dadurch die Temperatur
in den verschiedenen Teilen des Ofens regeln. Großer Widerstand bedeutet Lichtbogen
und große Wärmezufuhr zur Oberfläche des Schlackenbades, mittlerer Widerstand bedeutet
beginnende Berührung zwischen Elektrode und Schlackenbad, wobei die größte Wärmezufuhr
immer noch zum oberen Teil des Schlackenbades stattfindet, und niedriger Widerstand
bedeutet Eintauchen der Elektrode in die Schlacke und größte Wärmezufuhr zum unteren
Teil des Schlackenbades.
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Da bei Schmelzprozessen hier in Frage kommender Art, bei welchen eine
metallhaltige Beschickung auf das Schlackenbad im Ofen entweder ununterbrochen oder
in dem Verfahren angepaßten Zwischenräumen eingeführt wird, die Höhe des Schlackenbades
und damit der Widerstand im Schlackenbad während der Schmelzung stetig anwächst,
ist es zweckmäßig, zwecks Verhinderung einer Herabsetzung des Widerstandes und damit
des Spannungsabfalles im Lichtbogen einen geeigneten Teil der Schlacke ein- oder
mehrmals während der Schmelzung abzustechen oder in anderer Weise zu entfernen.
Von diesem Gesichtspunkt aus gesehen, ist ein ununterbrochenes Abstechen der Schlacke
am zweckmäßigsten, so daß die Schlackenschicht auf einer bestimmten Höhe gehalten
wird; aber dies ist ziemlich schwer durchzuführen. Bei Verwendung kippbarer Öfen
ist es jedoch verhältnismäßig leicht, die Schlacke beliebig oft zu entfernen, ohne
daß eine nennenswerte Unterbrechung des Verfahrens stattzufinden braucht. Die Höhe
der Schlackenschicht wird dabei zweckmäßig derart abgepaßt, daß der Widerstand in
der Schlacke nur die zum Warmhalten des Metallbades und der Schlacke erforderliche
Wärme liefert, während der Rest des Widerstandes in den Lichtbogen zwischen der
Elektrode und dem Schlackenbade gelegt wird. Die Erhöhung des Widerstandes und folglich
des Spannungsgefälles im Schlackenbad während des Verlaufes der Schmelzung, besonders
bei allmählicher Einführung der Beschickung, kann indes auch in anderer Weise als
durch Entfernen der Schlacke erfolgen, und zwar z. B. durch Erhöhung der Spannung
zwischen jeder Elektrode und dem Metallbade in einer oder mehreren Stufen, je nachdem
der Widerstand in dem während der Schmelzung immer tiefer werdenden Schlackenbad
steigt, so daß der Spannungsabfall oder der Widerstand des Lichtbogens und damit
dessen Länge aufrechterhalten werden kann. Bei unveränderter Stromstärke wird dabei
die dem Ofen zugeführte elektrische Energie erhöht. Solche Regelung der Spannung
kann z. B. durch Veränderung der Schaltung der Transformatoren oder der Verhältniszahl
der Wickelungen durch Verwendung von geeigneten Zapfstellen der Transformatoren
erreicht werden. Wenn die elektrische Energie konstant gehalten werden soll, was
gewöhnlich der Fall ist, wird die Stromstärke in einem der Erhöhung der Spannung
entsprechenden Grad vermindert, wodurch der Widerstand noch entsprechend erhöht
wird. Die Stromzufuhr wird somit zweckmäßig derart geregelt, daß der Widerstand
zwischen jeder Elektrode und dem Metallbad etwa in demselben Grad erhöht wird, als
der Widerstand im Schlackenbad im Verlaufe der Schmelzung gesteigert wird.
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Die Nachteile der Erhöhung des Widerstandes, die infolge der anwachsenden
Höhe des Schlackenbades während der Schmelzung eintritt, werden selbstverständlich
kleiner, wenn die Schlacke ein hohes elektrisches Leitvermögen hat. Es ist somit
möglich, auch durch zweckmäßige Anpassung der Zusammensetzung der Schlacke diese
Nachteile auszugleichen, und zwar z. B. durch Bildung einer stark basischen Schlacke
oder dadurch, daß der Schlacke ein hoher Gehalt an Metalloxyden gegeben wird; letztere
Maßnahme ist von besonderem Vorteil, wenn es sich um die Herstellung von Metallen
mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt handelt, z. B. von Eisen oder Eisenlegierungen
mit weniger als 0,05 °/o Kohlenstoff.
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Öfen, in welchen das Verfahren gemäß der Erfindung durchgeführt werden
soll, nebst den zugehörigen elektrischen Transformatoren und Leiturigen usw. können
entweder für hohe Betriebsspannung, z. B. i io bis zao Volt zwischen der Elektrode
bzw. jeder der Elektroden und dem Metallbade, oder für eine Spannung unter i i o
Volt berechnet werden. Indessen können im Rahmen der Erfindung auch höhere Spannungen
verwendet werden. Im ersten Falle wird bei
Verwendung von dreiphasigem
Wechselstrom und drei Elektroden die Hauptspannung zwischen zwei Elektroden igo
bis 38o Volt; diese Spannung hat bei elektrischen Elektrodenöfen bisher keine Verwendung
gefunden. Bei solch hohen Spannungen wird die Elektrodenzahl verhältnismäßig klein,
insbesondere bei der höchsten Spannung, auch bei einem Widerstand von z. B. 0,03
bis o,od.Ohm per Elektrode. Im zweiten Falle, und zwar bei Verwendung von Spannungen
unter i io Volt, muß die Elektrodenzahl erhöht werden, damit man eine kleinere Stromstärke
und damit einen genügend hohen Widerstand per Elektrode erhält. Im ersten Fall wird
der Vorteil erreicht, daß die Energieverluste in Transformatoren und Leitungen kleiner
werden und die elektrische Ausstattung des Ofens billiger wird, während im zweiten
Falle eine bessere Wärmevertei-Iung über die ganze Badoberfiäche erreicht wird.
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Gegen die vorgeschlagene Weise zur Regehing der Stromzufuhr entsprechend
einem bestimmten Widerstand zwischen Elektrode und Metallbad bzw. Schlackenbad könnte
der Einwand erhoben werden, daß die Verteilung des Widerstandes auf die Schlacke
und den Lichtbogen bei verschiedenen Querschnitten der Elektrode verschieden ist,
indem der zugeführte Strom sich über eine um so größere Fläche des Schlackenbades
verteilt und somit der fViderstand um so kleiner wird, je größer . der Elektrodenquerschnitt
ist. Dies mag richtig sein, wenn die Elektrode die Schlacke berührt oder in dieselbe
eintaucht, aber sobald ein Lichtbogen zwischen Elektrode und Schlacke gebildet wird,
wird dieser hauptsächlich zwischen einem Teil des unteren Randes der Elektrode und
dein Bade spielen und siele gewöhnlich um den Umfan- der Elektrode herumbewegen.
Die Verteilung des Stromes in die Schlacke wird deshalb beim Lichtbogenbetrieb bei
verschiedenen Elektrodendurchmessern praktisch die gleiche sein, wenigstens innerhalb
derjenigen Grenzen, die für Öfen, die technisch und wirtschaftlich brauchbar sind,
in Frage kommen. Ein anderer Grund dafür, daß dem Elektrodendurchmesser nicht besonders
Rechnung getragen zu werden braucht, liegt darin, daß der untere Teil der Elektrode
während des Betriebes immer zerfressen wird und in verschiedenen Zeitpunkten sehr
schwankenden Querschnitt haben kann. _ Bei Verwendung von Elektroden größerer Querschnitte
kann jedoch zweckmäßig der Widerstand per Elektrode etwas niedriger gehalten werden
als bei kleinerem Querschnitt, wobei jedoch die oben angerebene untere Grenze von
0,020 Ohm pur Elektrode immer innegehalten werden soll.