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Verfahren zur Herstellung von Metallen und deren Legierungen in einem
Hochfrequenz-Induktionsofpn Es ist ein- Verfahren zur Herstellung ;von Metallen
und deren Legierungen bekannt, insbesondere für Eisenlegierungen, wie Chrom, Eisen,
Ferromolybdän, Ferromangan, Ferrowolfram, Ferrotitan, ;Ferrovanadium und Ferroniobium
und ähnliche Legierungen mit einem niedrigen oder mäßigen Kohlenstoffgehalt, bei
welchem Verfahren mindestens ein Oxyd des betreffenden Metalls durch wenigstens
ein kohlenstofffreies Reduktionsmittel mit starker Affinität zum Sauerstoff, z.
B. Silicium, reduziert werden, und zwar nach einem Verfahren, bei dem es wesentlich
ist, daß man in einem an sich bekannten Induktionsofen mit in Richtung nach oben
zunehmendem Durchmesser mit hoher Frequenz arbeitet, in welchem die Charge dem Einfluß
teilweise eines hochfrequenten Heizstromes und teilweise eines niedrig frequenten
Umwälzstromes ausgesetzt wird, wobei der letztere Strom unabhängig vom iHeizstrom
steuerbar ist. Hierbei spielt sich der Vorgang so ab, daß durch das Niederschmelzen
eines metallischen Materials, .das aus dem Metall selbst und einer oder mehreren
Komponenten .der herzustellenden Legierung besteht, vorerst ein iMetallba-d entsprechender
Zusammensetzung hergestellt wird, das lediglich einen Teil des Ofens ausfüllt, worauf
eine ungeschmolzene Mischung des aufgeschlossenen Materials (Metalloxyd und Reduktionsmittel)
und eventuellem Schlackenmaterial hinzugefügt wird. Diese Mischung wird nun unter
den Einfluß des Umwälzstromes gebracht, und zwar in unmittelbarem Kontakt mit dem
Metallbad,,und wird dabei
auf die Reaktionstemperatur aufgeheizt,
wobei sich dann -das Metall und'die Schlacke bildet, wonach Schlacke und Metall
.vorzugsweise bei ausgeschaltetem Umwä zstrom getrennt abgestochen werden.
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Beim Abstich des Metalls läßt man im Ofen eine Menge, die ungefähr
der Menge des ursprünglichen Metallbades entspricht, zurück, worauf das Verfahren
in kontinuierlichem .Prozeß mit periodischem Abstechen von Schlacke und )Metall
wiederholt wird.
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Bei diesem bekannten Verfahren wird in folgender Weise abgestochen:
Es sei angenommen, daß das Metall eben abgestochen worden ist und daß ein Sumpf
von beispielsweise 5o% des effektiven Ofenvolumens zurückgeblieben ist. Unter dem
effektiven Ofenvolumen wird dabei das Volumen des Tiegels bis zum oberen Rand der
Induktionsspule verstanden. tEs sei ferner angenommen, daß man es mit einem Ofen
zu tun hat, dessen effektives Volumen etwa iooo kg Metall entspricht. Nunmehr wird
eine Charge von ungefähr Zoo kg eingebracht, die ungefähr 16o kg Schlacke und 4o
kg Metall enthält. Wenn die Charge restlos reduziert ist, wird der Umwälzstrom abgeschaltet
und die Schlacke vom Metall getrennt. Hierauf wird die Schlacke abgestochen und
eine neue Charge von ungefähr 200/kg hinzugefügt. Auf diese Weise wird fortgefahren,
bis der Ofen praktisch voll Metall ist. Nun wird zuerst die von der letzten Charge
entstandene Schlackenmenge abgestochen und anschließend ungefähr 5oo kg Metall,
so daß im Ofen ein Sumpf von ungefähr 5oo kg zurückbleibt.
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Es hat sich nun herausgestellt, daß dieses Verfahren mit verschiedenen
Nachteilen behaftet ist: Vorerst hat sich herausgestellt, daß große Schwierigkeiten
bezüglich der Dauerhaftigkeit der Ofenausmauerung bestehen., iweil die Lage der
Badoberfläche im Ofen mit .der Größe des Metallbades ändert. Da nun die Größe des
Metallbades während des Verfahrens starken Änderungen unterworfen ist, ist eine
große 0fenwandfläche großen Temperaturschwankungen unterworfen.
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In dem obenerwähnten iBeispiel des bekannten Verfahrens rvariiert
z.13. das Metallbad zwischen 5o und ioo% des Ofenvolumens. In dem eingangs erwähnten
Beispiel des bekannten Verfahrens, in welchem man mit einem iSumpf von bloß 1/3
des Ofenvolumens arbeitet, mu8 das Metallbad sogar zwischen 33 und ioo% variieren.
Bei diesem bekannten Verfahren ist sicher festgestellt worden, daß es vorteilhafter
ist, mit einem Sumpf von mehr als 1/3, vorzugsweise p/3 oder noch mehr, zu arbeiten.
Aber selbst wenn man mit einem Sumpf von beispielsweise 70% arbeitet, so wird sich
das Niveau in einem konischen Ofen sehr beträchtlich ändern. Es hat sich dabei herausgestellt,
daß derjenige Teil der Ofenausmauerung, der Temperaturschwankungen ausgesetzt ist,
sehr starkem Verschleiß unterworfen ist, indem die Ofenausmauerun.g an der @Badoberfläche
abblättert, so daß schließlich das Bad durch das Mauerwerk durchbricht, bis zur
Hochfrequenzspule. Da nun die Hochfrequenzspule wassergekühlt ist, ist ein solcher
,Durchbruch eine sehr ernste Angelegenheit, und es muß daher das Risiko eines solchen
Ereig-, nisses so stark wie möglich .ausgeschaltet werden. Es hat sich ferner herausgestellt,
daß es sehr schwierig ist, solche Zerstörungen in der Ofenausmauerung durch Wiederaufstampfen
von Mauerwerk an der betreffenden Stelle auszubessern. Jedenfalls ist es erforderlich,
die ganze Ofenausmauerung herauszureißen und neu aufzustampfen. Das Ofenausmauerungsproblem
ist infolgedessen von einschneidender, wirtschaftlicher Bedeutung für die Durchführung,des
Verfahrens.
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Eine weitere Schwierigkeit für die Durchführung dieses bekannten Verfahrens
besteht darin, daß die Reduktion der Metalloxyde verhältnismäßig langsam vor sich
geht.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt nun; diese Nachteile der bekannten
Verfahren zu beseitigen, und beruht auf der Erkenntnis, daß es einerseits mit Rücksicht
auf die Ofenausmauerung wichtig ist, das Verfähren so zu führen, daß sich das Niveau
des Metallbades während des ganzen Verfahrens so wenig wie möglich ändert und .daß
anderseits zur Erreichung einer möglichst großen Reaktionsgeschwindigkeit mit einer
möglichst großen Badoberfläche gearbeitet werden sollte.
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Ferner ist die Erfindung auf der Erkenntnis basiert, daß es zur Erreichung
zufriedenstellender Resultate Bedingung ist, daß die Schlacke und das Metall nicht
getrennt abgestochen werden, sondern die Schlacke und das Metall werden gleichzeitig,
also ohne eine Trennung in dem Ofen zu bewirken, abgestochen, indem die Trennung
der Schlacke und des Metalls außerhalb des iSchmelzofens, z. B. in Kokillen ausgeführt
wird. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung geht in Übereinstimmung hiermit
darauf hinaus, daß man bei der Ausführung des Verfahrens die folgenden Arbeitsregeln
befolgt: Während des ganzen Betriebes ;wird mit praktisch konstanter Sumpfgröße
gearbeitet, und diese Größe des Sumpfes soll mindestens 850io, vorzugsweise 9o bis
95% des effektiven Ofenvolumens betragen, und schließlich soll Schlacke und Metall,
ohne im Ofen vorher getrennt zu werden, gleichzeitig ,vom Ofen abgestochen werden.
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Wenn man in Übereinstimmung mit diesem Verfahren arbeitet, wird erreicht,
@daß die Ofenfütterung schädlicher Temperaturwechselungen nicht ausgesetzt wird.
Eine noch höhere Lebenszeit der Fütterung oder Ausmauerung kann übrigens dadurch
erreicht werden, daß die Ausmauerung etwas dicker im obersten Drittel als im übrigen
Teil gemacht wird, so daß die Ausmauerung an der Stelle, wo das Badniveau doch etwas
bei dem Verfahren variiert, extra haltbar ist.
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Durch den großen Sumpf läßt sich ferner erreichen, daß die Umwälzkraft
im Bad, welche der Ofenwandung entlang eine nach oben gerichtete Strömung erzeugt,
stärker ausfällt. Damit nun diese Badbewegung so kräftig wie möglich ausfällt, sollte
man die Umwälzkraft auf einen möglichst
langen Weg zur Wirkung kommen
lassen. Je stärker der Ofen angefüllt ist, um so größer ist infolgedessen die Umwälzbewegung,
und infolgedessen spielt sich auch die Reduktion schneller ab.
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Mit einem großen Metallsumpf läßt sich auch der Vorteil eines guten,
elektrischen Leistungsgrades des Ofens erreichen, weil dann die ganze Hochfrequenzspule
für alle Ofenchargen aus.nützbar ist, da das Metall meist den Oberrand der Spule
erreicht.
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In dem Folgenden soll die Bedeutung des Merkmals, daß die Schlacke
und das Metall bei -vorliegendem Verfahren gleichzeitig abgestochen wird, ohne erst
im Ofen getrennt zu werden, näher klargemacht werden.
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Bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ist allerdings das
ausnützbare Volumen des Ofens bedeutend geringer als bei den bekannten Verfahren,
nämlich z. B. nur etwa 5 bis 15% des effektiven Ofenvolumens. Das bedeutet jedoch
an sich keinen Nachteil, wenn man nach dem Verfahren gemäß der Erfindung arbeitet.
Versuche haben nämlich erwiesen, daß z. B. in einem Ofen, welcher ungefähr iooo
kg Metall faßt, zwischen jedem Schlackenabstich keine größere Charge als eine solche
von 200 bis 3oo kg eingebracht werden kann, die also ungefähr ,Io bis 6o kg Metall
entspricht. Wenn diese Metallmenge abgestochen wird, so bleibt ein Sumpf von 94.
bis 96% des Ofenvolumens übrig. Infolgedessen vermindert ein Sumpf von 85 bis 95%
des @Ofenw-olumens die Größe der Charge, welche zwischen zwei Abstichen in .den
Ofen eingebracht werden kann, nicht. Gin Sumpf von der Größe, wie er nach der vorliegenden
Erfindung .vorzugsweise vorgesehen ist, hat jedoch andere Schwierigkeiten zur Folge.
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Während es nämlich bei den bekannten Verfahren, die mit einem Sumpf
von 6o bis 70% des Ofenvolumens arbeiten, nur etwa stündlich einmal zu einem Abstich
kommt, muß bei der Verwendung eines Sumpfes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
von z. 13.9o bis 95% das Metall ungefähr alle io bis 15 Minuten abgestochen @wer-den.
Wenn man nun, wie bei den bekannten Verfahren vorausgesetzt, jedesmal Metall und
Schlacke im Ofen trennen sollte, bevor der Abstich 'vorgenommen wird und während
dieser Zeit der Strom vom Ofen abgeschaltet würde, so hätte ein solches Verfahren
einen so großen Zeitverlust zur Folge, daß die effektive Arbeitszeit des Ofens um
25 bis 300/0 gegenüber derjenigen nach dem bekannten Verfahren herabgesetzt würde.
Außerdem ist es schwierig und zeitraubend, die abgesetzte Schlacke zu ent-' fernen,
wenn das Schlackenbad eine relativ große Oberfläche und daher die Schlacke nur eine
geringe Höhe aufweist. Wenn man nicht ganz besonders sorgfältig vorgeht, so läßt
sich nicht vermeiden, daß beträchtliche Metallmengen mit der Schlacke abgestochen
werden. Es hat sich daher herausgestellt, daß eine zufriedenstellende Verfahrensführung
bei einer solchen Abstichmethode nach dem bekannten Verfahren in der Anwendung auf
einen großen Sumpf nicht zufriedenstellend erreichbar ist. Nun,wird bei der erfindungsgemäßen
Verfahrensführung diese Schwierigkeit dadurch vermieden, daß Schlacke und Metall
gleichzeitig abgestochen werden, ohne daß eine vorherige Trennung im Ofen vorgenommen
wird. Es empfiehlt sich daher, den Abstich sofort nach Abstellen des Stromes vorzunehmen.
Ein Teil des Metalls wird sich natürlich irgendwie absetzen, wogegen der restliche
Teil in der Schlacke emulgiert bleibt. Infolgedessen muß die Trennung von Metall
und Schlacke außerhalb des Schmelzofens vorgenommen werden. Vorteilhaft geht man
hierbei so vor, .daß man so schnell wie möglich in eine Schale o. dgl. absticht
und sich das Metall am Boden der Schale absetzen läßt. Es hat sich gezeigt, daß
diese Arbeitsweise nicht zu einem größeren Metallverlust führt als die früheren
Methoden mit den bekannten Verfahren, im :Gegenteil läßt sich der Verlust sogar
kleiner halten, was auf der Tatsache beruhen dürfte, daß alle Metallperlen in der
Schlacke durch die verhältnismäßig große Metallmenge, die nun in jedem Abstich vorhanden
ist, absorbiert werden. Lias Metall setzt sich auf dem Boden der Schale mit einer
scharfen Trennfläche von der Schlacke ab, wogegen bei dem gesonderten Schlackenabstich
nach den vorbekannten Verfahren die verschiedenen, aber im Verhältnis wenigen iMetallperlen
für sich selbst erhärten, ohne daß sie Gelegenheit finden, zusammenzufließen. Aus
diesem Grunde waren sie bisher nur unter Schwierigkeiten zurückzugewinnen.