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Elektrode zur Herstellung kohlenstoff- und siliciumarmer Metalle und
Legierungen Gegenstand der Erfindung ist eine Elektrode zur Herstellung kohlenstoff-
und siliciumarmer Metalle und Legierungen sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger
Elektroden.
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Die Erzeugung kohlenstoff- und siliciumarmer Metalle und Legierungen,
wie z. B. Chrom, Mangan, Wolfram, Vanadium, Molybdän und ihre Legierungen mit Eisen,
erfolgt durch Reduktion entsprechender Erze oder Oxyde im elektrischen Ofen mit
Hilfe von Silicium oder Siliciumlegierungen, wie Siliciumeisen, Siliciumaluminium
oder Siliciumcalcium, als Reduktionsmittel.
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Durch Benutzung von Silicium oder Siliciumlegierung mit geringen Mengen
Kohlenstoffgehalt kann die Einführung größerer Mengen von Kohlenstoff in den Prozeß
durch die Rohstoffe vermieden werden. Bei den üblichen Verfahren muß aber mit einem
großen Überschuß an Silicium gearbeitet werden gegenüber dem zu reduzierenden Erz
oder Oxyd, wobei ein großer Teil des wertvollen Legierungsmetalls von der Schlacke
aufgenommen wird, verlorengeht oder nur durch einen besonderen Reduktionsprozeß
zurückgewonnen werden kann. Das Arbeiten mit großen Überschüssen an Silicium ist
notwendig, um bei der üblichen Arbeitsweise eine Aufkohlung des Metalls oder der
Legierung durch die Elektroden zu vermeiden.
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Um die Aufkohlung zu vermeiden, ist früher schon der Vorschlag gemacht
worden, die Elektroden aus einer Mischung des Erzes und des Reduktionsmittels zu
verformen und diese Elektroden im elektrischen Ofen zu verschmelzen. Solche Elektroden
sind indessen wenig vorteilhaft. Sie sind schlecht leitend,
müssen
daher mit h-letalleinlagen oder Metallhüllen mit großem Querschnitt versehen werden.
Trotzdem ist (las Verschmelzen erschwert und die Reduktion unvollständig. Bei Benutzung
von Silicium oder Siliciumlegierung als Reduktionsnüttel legiert sich (las aus dem
Erz ausreduzierte Metall mit großen Mengen des Siliciums, das dann nicht ohne einen
kostspieligen Raffinationsprozeß und gegebenenfalls Umschmelzen entfernt werden
kann.
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Die den Gegenstand der Erfindung bildende Elektrode für die Herstellung
kohlenstoff-und siliciumarmer Metalle und Legierungen beseitigt alle bisher bestehenden
Schwierigkeiten. Die neue Elektrode besitzt vorzÜgliche elektrische, Leitfähigkeit,
ist kohlefrei, enthält keinen oder nicht ins Gewicht fallenden Siliciumüberschuß
und gestattet die unmittelbare Herstellung kohlenstoff- und siliciumarmer Metalle
und Metallegierungen, ohne daß es eines Raffinierens oder Umschmelzens bedarf.
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Die neuartige Elektrode besteht aus einer gesinterten nichtmetallischen
Grundmasse und weist, in dieser gleichförmig verteilt, Teilchen aus siliciumhaltigem
Metall oder Metallegierung auf bei solchem Gehalt an Metall oder Legierung, daß
der Körper eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzt. Dazu ist zu erwähnen, daß
diese gute elektrische Leitfähigkeit schon bei verhältnismäßig geringem Gehalt an
siliciumhaltigem Metall bzw. Metallegierung erreicht wird, vorausgesetzt, daß das
Metall bzw. die Legierung in feiner Form und gleichförmig verteilt vorliegt.
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Die neuartigen Elektroden können beispielsweise in folgender Weise
hergestellt werden.
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Chromerz und Siliciumeisen werden je für sich zu einer Pulvermasse
mittels hierzu geeigneter Maschinen zerkleinert und danach innig miteinander gemischt.
Das Erz soll dabei möglichst in geringem Ü'berschuß über die auf das Reduktionsmittel
theoretisch berechnete Menge vorliegen. Die Mischung wird einem Vorwärmer i aufgegeben,
in dem sie unter Rühren möglichst gleichförmig auf eine unterhalb der Reaktionstemperatur
liegende Temperatur erhitzt wird, z. B. auf etwa 100o° C. Der Vorwärmer, zweckmäßig
aus feuerfestem Metall, kann durch Gas, Ölfeuerung oller auch elektrisch, z. B.
durch Induktion, erhitzt werden.
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Die vorgewärmte Rohstoffmischung wird dann mit geregelter Geschwindigkeit
in ein senkrechtes Sinterungsrohr 2 aus dünnem Eisenblech eingespeist, das eine
Hülle für die zu sinternde Masse und die fertige Elektrode bildet. Das Rohr wird
am oberen Ende durch Sektionen zugebaut, je nachdem die fertige Elektrode in der
unten beschriebenen Weise verschmolzen wird. Ein Stück unterhalb des oberen Endes
passiert das Sinterrohr (furch eine Heizvorrichtung, die beispielsweise aus einem
Gehäuse 3 bestehen kann, das das Rohr ringförmig umschließt und mit Öl- oder Gasfeuerung
oller mit einer elektrischen Induktionsspule für Hochfrequenzstrom versehen ist.
Mittels der Beheizung kann der im Bereiche der Heizvorrichtung befindliche Teil
des Rohres auf die erforderliche Temperatur, z. B. 1200 bis 1250c' C, erhitzt werden,
um eine Reaktion der Rohstoffe und deren Sinterung herbeizuführen, indem der zugeführte
Rohstoff sich hier auf die schon gesinterte Masse legt und durch die Berührung mit
ihr und durch die äußereWärmezufuhr auf Reaktionstemperatur gebracht wird. Bei der
Reaktion wird das Chromerz unter Bildung von siliciumhaltigem Chromeisen und einer
hauptsächlich aus Silicaten bestehenden Schlacke "mit derartiger Viscosität reduziert,
(laß das Zusammenfließen des ausreduzierten Metalls verhindert wird. Dieses behält
die Form von feinen, in der gesinterten Masse gleichförmig verteilten Teilchen,
welche Metallteilchen bewirken, daß der Sinter eine gute elektrische Leitfähigkeit
erhält. Beim Sintern sinkt die Rohstoffmasse auf etwa die Hälfte ihres ursprünglichen
Volumens zusammen, wodurch sich ihr Raumgewicht von etwa 1,ß auf etwa q. erhöht.
Die Reaktion verläuft exothermisch, und die entwickelte Wärme bewirkt eine nicht
unbedeutende Temperatursteigerung in der blasse. Es ist von Bedeutung, daß diese
Temperatursteigerung nicht so weit geht, daß die Schlacke leichtflüssig wird oder
schmilzt, weil dann die ausreduzierten Metallteilchen zu größeren Tropfen zusammenfließen
würden. Dadurch würde die elektrische Leitfähigkeit des Sinters im wesentlichen
verlorengehen und der Sinterkörper als Elektrode unbrauchbar werden.
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Eine Regelung der bei der Reaktion erreichten Höchsttemperatur kann
durch Regelung der Vorwärmung und der äußeren Wärmezufuhr zu der Sinterungszone
bewirkt werden. Nachdem der Prozeß angelassen ist, kann unter Umständen die äußere
Wärmezufuhr zu der Sinterungszone vermindert oder sogar unterbrochen werden. Eine
Regelung der Temperatur kann auch durch Änderung der Zusammensetzung der Beschickung
bewirkt werden. Eine Vergrößerung der Erzmenge oder ein Zusatz schlackenbildender
Stoffe wirkt auf die in der Sinterungszone erreichte Höchsttemperatur herabsetzend,
während eine Steigerung durch Ersatz eines Teils des Siliciumeisens durch ein
reaktiotisfälligse
Reduktionsmittel, z. B. Siliciumaluniinium oder Siliciumcalciuni, bewirkt werden
kann.
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Unterhalb der Reaktionszone verliert die Elektrode Wärme durch Strahlung,
so daß die gesinterte Masse vollständig erstarrt und eine hohe mechanische Festigkeit
erhält.
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Das Verfahren der Erfindung sei beispielsweise durch folgende zahlenmäßige
Angaben noch weiter erläutert.
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Rohstoffmischung
| ioo kg gepulvertes Chromerz der Zusammen- |
| setzung |
| Cr. 03 . . . . . . . . . . . . . . . . 52.5 %1 |
| Fe O . . . . . . . . . . . . . . . . . 13,20/0, |
| Si0= ................. 5350101 |
| 1I- O . . . . . . . . . . . . . . . . . 15,5%, |
| Al= 03 . . . . . . . . . . . . . . . 11,2'/0, |
| Glühverlust ....:....... 1,6ojo; |
| aoo kg Siliciumeisen der Zusammensetzung: |
| Si .................... 95 °/°. |
| Fe . . . . . . . . . . , . . . . . 3,10/"- |
| Al . ................. .. i 0 10, |
| C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,21/,. |
Vorwärmung auf iooo° C, Erhitzung im Elektrodenrohr auf 125o° C, auf der Außenseite
des Rohres gemessen, durch Ölfeuerung.
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Versintertes Erzeugnis: dichte hellgrüne Grundmasse aus chromhaltiger
Silicatschlacke mit gleichförmig verteilten Metallteilchen, auf der Oberfläche eines
Sinterstiickes nach Schleifen und Polieren gut zu erkennen.
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Kontrolle der verlaufenden Reaktion durch Säurebehandlung ergab für
das ungesinterte Pulver o,io°/o Cr, durch Salzsäure gelöst, für die gesinterte Masse
25,6°1° Cr mit einem Si-Gehalt von 14 bis i50/0. Oxyde konnten aus dem Sinter nicht
herausgelöst werden.
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Zusammensetzung des im Sinter vorhandenen siliciumreichen Chromeisens:
14,8°%Si; 6o °/° Cr, o,25 °/° C.
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Die Herstellung des Sinterkörpers kann auch statt in senkrechten Rohren
in waagerecht liegenden oder in anderen V orrichtungen erfolgen.
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Die vorsteliend..genauer beschriebene Elektrode ist naturgemäß zur
Herstellung von Chromlegierungen bestimmt. Zur Erzeugung voll Eisenlegierungen mit
Vanadium, Mangan oder Molybdän werden in grundsätzlich gleicher Weise Elektroden
erzeugt unter Ersatz des Chromerzes durch die Rohstoffe, die die vorgenannten Metalle
als Oxyde enthalten.
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Das Verfahren der Erfindung zur Herstellung; der Elektroden kann unmittelbar
mit der Erzeugung der kohlenstof- und siliciuiiiarmen Metalle und Legierungen verbunden
werden, und zwar in der Weise, daß in dem gleichen Maße die zu benutzende Elektrode
neu gebildet wird, in dem sie an ihrem unteren Ende bei der Durchführung des Schmelzprozesses
verbraucht wird. Die Vorrichtung zur Herstellung der Elektrode ist dabei genau die
gleiche, wie sie oben konkret beschrieben ist. Das untere Ende der Elektrode ragt
z. B. in einen elektrischen Ofen -1 hinein, der ein Schlackenbad 5 enthält. Oberhalb
des Ofens wird die Elektrode voll Klemmbacken 6 getragen, die auch Stromzufuhrleitungen
7 an der Elektrode festgeklemmt halten und mit einer geeigneten Vorschubvorrichtung
versehen sind. Dadurch wird die Elektrode abwärts bewegt, je nachdem das obere Ende
der Elektrode in der Sinterungszone aus den zugeführten Rohstoffen neu gebildet
und das untere Ende in dem Ofen .4 verschmolzen wird.
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Auf Grund der hohen elektrischen Leitfähigkeit der Elektrode findet
die Verschmelzung äußerst gleichförmig statt, so daß das untere Elektrodenende eitle
praktisch ebene Endfläche in Berührung mit dem Schlackenbade des Ofens aufweist.
. Bei der Verschmelzung wird die Reaktion zwischen dem Erz und dein Reduktionsmittel
auf Grund der hohen Temperatur zu Ende geführt, und gleichzeitig findet eine Raffination
des ausreduzierten Metalls statt, das sich unterhalb des Schlackenbades als ein
Bad aus geschmolzenem Chromeisen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und niedrigem Siliciumgehalt
sammelt.
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Zur Erläuterung sei noch mitgeteilt, daß mit der oben durch ihre Zusammensetzung
gekennzeichneten Elektrode gemäß der Erfindung ein Chromeisen gewonnen wurde, das
i,j9°/° Si, 64o/0 Cr und 0,1q1°/, C enthielt. Die Raffinationsschlacke hatte etwa
folgende Zusammensetzung: 58,5°/° Si02, 9,6°/° Cr=03, 13,5 °/o Al., 03 und 18,6
°/° Mg O.