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Verwendung eines windgefrischten Stahles als Werkstoff für Konstruktionsteile
mit geringer Neigung zum Trennungsbruch Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
die Verwendung von windgefrischtem Stahl mit sehr niedrigem Durchschnittsgehalt
an Kohlenstoff von der Größenordnung unter 0,015 °/o für Konstruktionszwecke, bei
denen es von Bedeutung ist, daß das Material zähe ist und seine Zähigkeit auch in
gealtertem Zustand beibehält. Der Stahl soll, mit anderen Worten, geringe Neigung
zum sogenannten Trennungsbruch haben. Die für den fraglichen Verwendungsbereich
notwendige Härte wird hierbei durch verhältnismäßig hohen Gehalt an anderen härteverleihenden
Stoffen als an Kohle, vorzugsweise durch Phosphor und Stickstoff, erzielt.
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Trennungsbruch (verformungsloser Bruch) tritt in gewöhnlichen Stahlsorten,
besonders bei hoher Belastungsgeschwindigkeit (Schlagbeanspruchung), mehrachsigen
Spannungszuständen (z. B. bei Kerben) und bei niedrigen Temperaturen ein. Die zur
Beurteilung der Neigung zum Trennungsbruch zunächst liegende Prüfungsmethode ist
die gewöhnliche Kerbschlagprobe, bei verschiedenen Temperaturen ausgeführt, z. B.
gemäß Charpy. Man erhält dann in einem
oberen Temperaturintervall
hohe und von der Temperatur verhältnismäßig unabhängige Werte der Kerbzähigkeit.
Beim Senken der Versuchstemperatur sinkt die Kerbzähigkeit innerhalb eines im allgemeinen
ziemlich begrenzten Temperaturintervalls zu sehr niedrigen Werten herab. Man kann
dann den mittleren Temperaturwert innerhalb dieses Intervalls (im folgenden Umschlagstemperatur
benannt) als ein Kriterium für die Neigung des Stahles zum Trennungsbruch annehmen.
Je höher dieser Wert liegt, um so schlechter ist der Stahl in bezug auf seine Sprödigkeit.
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Durch Kaltverformung und eine darauffolgende längere Lagerungszeit
bei gewöhnlicher Temperatur, alternativ einige Stunden bei einer etwas höheren Temperatur,
z. B. 20o° C (künstliche Alterung), werden im Stahl Änderungen der Eigenschaften
hervorgerufen, welche gewöhnlich unter dem Begriff Alterung zusammengefaßt werden
und welche unter anderem zur Folge haben, daß bei Kerbzähigkeitsprüfungen eine mehr
oder weniger starke Erhöhung der Umschlagstemperatur erzielt wird. Da örtliche Kaltverformungen
oftmals schwer zu vermeiden sind, muß der Stahl bei Konstruktionen in bezug auf
die Neigung zum Trennungsbruch oft als gealtert betrachtetwerden. Bei Schweißarbeiten
treten oft ähnliche Versprödungserscheinungen auf. Es hat sich gezeigt, daß die
Neigung zum Trennungsbruch bei Schweißarbeiten mit der Tendenz zum Altern wächst.
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Die Umschlagstemperatur für Stahl in einem durch Alterung nach einer
Kaltverformung entstandenen Zustand kann als die Summe der Umschlagstemperatur des
Stahles vor der Kaltverformung und der durch die Alterungsbehandlung erhaltenen
Erhöhung betrachtet werden. Auch die Umschlagstemperatur vor der Kaltverformung
wird als mit den Alterungserscheinungen des Stahles zusammenhängend betrachtet,
so daß ein zur Alterung neigender Stahl im allgemeinen eine hohe und ein alterungsbeständiger
Stahl eine niedrige Umschlagstemperatur im allgemeinen auch in nicht alterungsbehandeltem
Zustand aufweist.
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In welchem Grade die im Stahl vorkommenden Stoffe auf die Alterungseigenschaften
und die Neigung . zum Trennungsbruch einwirken, ist eine noch nicht vollständig
geklärte Frage. Allgemein ist man jedoch der Ansicht, daß Kohlenstoff, Stickstoff
und in gewissem Grade Phosphor die für die Alterung am meisten wirksamen Bestandteile
sind. Da der Kohlenstoff derjenige Stoff ist, womit die Härte des Stahles in erster
Linie geregelt zu werden pflegt, und die Möglichkeit, in den gewöhnlich vorkommenden
Stahlprozessen den Gehalt desselben zu so niedrigen Werten herabzudrücken, die sich
in diesem Falle als notwendig erwiesen haben, nicht näher geklärt worden ist, hat
man bei der Herstellung von Stahl mit der Forderung auf eine niedrige Umschlagstemperatur
in kaltverformtem und gealtertem Zustand bisher in erster Linie darauf geachtet,
daß der Stickstoffgehalt unter einer gewissen Grenze gehalten wurde. Dieses ist
von Bedeutung besonders bei der Herstellung von nicht vollständig desoxydiertem
(unberuhigtem oder halbberuhigtem) Stahl. Bei vollständig desoxydiertem (beruhigtem
)Stahl und besonders bei aluminiumberuhigtem Stahl ist die Umschlagstemperatur oft
für übliche Zwecke, auch bei verhältnismäßig hohem Stickstoffgehalt, zufriedenstellend
niedrig.
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Es ist nun bekanntgeworden, im Thomasverfahren Stähle zu erblasen,
die unter 0,015 % C bei den entsprechenden, für Thomasstähle üblichen Stickstoff-
und Phosphorgehalten enthalten. Diese Stähle sind aber anfällig gegen Sprödbruch
und deswegen nicht für alle Konstruktionsteile verwendbar.
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Erfindungsgemäß wird ein windgefrischter Stahl mit höchstens 0,0,50/0,
zweckmäßigerweise höchstens o,oio % Kohlenstoff, zwischen o,o6o und 0,015 0/0 Phosphor,
zwischen o,oio und 0,030 % Stickstoff, Rest Eisen mit den üblichen Gehalten an den
Stahlbegleitelementen Silizium, Schwefel sowie Mangan, wobei der Mangangehalt um
so höher ist, je höher der Schwefelgehalt ist und bei einem Schwefelgehalt von etwa
0,025 % der Mangangehalt mindestens 0,30 % betragen soll, als Werkstoff für Konstruktionsteile
mit geringer Neigung zum Trennungsbruch verwendet.
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Die aus windgefrischtem Stahl mit solchen C - P - N,-Gehalten hergestellten
Konstruktionsteile sind nicht mehr sprödbruchanfällig.
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Es hat sich erwiesen, daß die Herabsetzung des Kohlenstoffgehaltes
keine nennenswerte Wirkung mit sich bringt, bevor der Gehalt unter etwa 0,015 %
herabgedrückt worden ist. Bei diesem Gehalt beginnt jedoch eine stark hervortretende
Verbesserung einzutreten, insofern, als die Umschlagstemperatur in nicht alterungsbehandeltem
Zustand höchst bedeutend herabsinkt. Eine Verformung und künstliche Alterung bewirkt
zwar ebenso wie in Material mit höherem C-Gehalt eine gewisse Steigerung der Umschlagstemperatur,
welche jedoch bei Werten stehenbleibt, die in normalem Stahl mit entsprechender
Festigkeit nur bei sehr niedrigen Stickstoff- und Phosphorgehalten sowie vollständigem
Desoxydieren mit Silizium und/oder Aluminium erzielt werden kann. Die Verbesserung
erhöht sich noch mehr bei herabgesetztem Kohlenstoffgehalt. Eine normale obere Grenze
des Kohlenstoffgehaltes, die erstrebt werden sollte, ist o,oi2%; will man jedoch
Spitzenergebnisse erzielen, sollte der Durchschnittsgehalt o,oio % nicht übersteigen
und möglichst bis auf etwa o,oo5 % herabgedrückt werden.
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Ein Gehalt an Kohlenstoff dieser Größenordnung ist schwer mit Sicherheit
zu bestimmen. Eine Toleranz von einigen tausendstel Prozent ist bei den bisher bekannten
Methoden auch bei genauester Ausführung immer vorhanden. Es hat sich jedoch erwiesen,
daß man eine gute Kontrolle dafür, ob der Kohlenstoffgehalt niedrig genug ist, in
vielen Fällen allein durch das Studium der Erscheinungen bei der Erstarrung des
nicht desoxydierten Stahles erhält. Keine oder nur eine äußerst unbedeutende Gasentwicklung
findet bei der Erstarrung statt, wenn der Kohlenstoffgehalt einen zufriedenstellenden
niedrigen Wert erhalten hat. Man kann auch später im Mikroskop feststellen, ob der
Kohlenstoffgehalt genügend niedrig ist. Die Werte des Kohlenstoffgehaltes, welche
den obenerwähnten Grenzen für den Kohlenstoffgehalt zugrunde liegen, sind nach langen
Erfahrungen bei Verwendung genauer chemischer Analysemethoden und unter Beobachtung
der größten Genauigkeit erhalten worden.
Wenn aus irgendeinem Anlaß
die Prüfung des Stahles durch obenerwähnte Verfahren sich nicht als zuverlässig
erweisen sollte, hat man immer noch die Möglichkeit, ein praktisches Verfahren für
die Herstellung des Stahles zu entwickeln, welches gemäß den Erfahrungen einen genügend
niedrigen Kohlenstoffgehalt ergibt, um die gewünschten Eigenschaften hervorzurufen.
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Es ist, wie gesagt, die überraschende Erfahrung gemacht worden, daß
die Neigung zum Trennungsbruch bei Stahl mit dem obenerwähnten niedrigen Kohlenstoffgehalt
nur unbedeutend oder überhaupt nicht vom Stickstoffgehalt des Stahles beeinflußt
wird. Ein Stickstoffgehalt bis zu 0,030% und sogar noch höher kann im Stahl vorkommen,
ohne Schwierigkeiten von diesem Gesichtspunkt aus zu verursachen. Da der Stickstoffgehalt
die Festigkeit des Stahles erhöht und auch die Tendenz zu haben scheint, die Korngröße
des Stahles herabzudrücken, ist ein Stickstoffgehalt sogar von Vorteil. Ein Gehalt
davon von mindestens 0,010% ist daher geeignet.
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Als ein geeigneter Legierungsstoff zur Erhöhung der Härte des Stahles
hat sich bemerkenswerterweise auch Phosphor gezeigt. Ein Gehalt bis zu o,150/0 P
kann mit Vorteil im Stahl enthalten sein, ohne Nachteile für die Kerbzähigkeit desselben,
und schon bei einem Gehalt von o,o6o % tritt eine merkliche Erhöhung der Festigkeit
ein.
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Der Stahl soll auch einen gewissen Mangangehalt aufweisen. Dadurch
wird seine Warmwalzbarkeit gesteigert. Je höher der Gehalt an Schwefel im Stahl
ist, um so höher sollte der Mangangehalt sein. Ein niedrigerer Mangangehalt als
0,3% sollte bei einem Schwefelgehalt von etwa 0,o25 % nicht vorkommen. Es muß beachtet
werden, daß Mangan, welches dem Stahl beim A bstich zugesetzt werden muß, in genügend
kohlenstoffarmer Form vorliegt. Auch noch stärker desoxydierende Metalle, wie beispielsweise
Silizium, können zugesetzt werden. Der Sauerstoffgehalt des Stahles wird hierdurch
gleichzeitig herabgesetzt, was in gewissen Fällen wünschenswert sein kann. Wenn
der Stahl mit Aluminium, unter Umständen in Kombination mit Silizium, vollständig
desoxydiert wird, erhält man ein Material mit äußerst niedriger Umschlagstemperatur.
In den meisten Fällen erhält man jedoch völlig befriedigende Eigenschaften auch
ohne andere desoxydierende Zusätze als Mangan, obwohl dieses Metall den Sauerstoffgehalt
des Stahles nicht nennenswert herabzusetzen vermag.
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Umfassende praktische Untersuchungen haben gezeigt, daß man bei dem
sogenannten Thomasprozeß unter gewissen Umständen Verhältnisse schaffen kann, die
eine Direktherstellung von Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt unterhalb der angegebenen
Grenze von 0,015 % Kohlenstoff im regelmäßigen Betrieb ermöglichen. Dieses hängt
damit zusammen, daß der Kohlenstoffgehalt bei diesem Verfahren verhältnismäßig vollständig
fortgefrischt wird, während noch ein bedeutender Teil des Phosphorgehaltes im Stahl
vorhanden ist. Der Hauptteil des Phosphors wird erst dann oxydiert, wenn eine flüssige
hochbasische Schlacke sich von dem beim Beginn des Blasens zugesetzten Kalk samt
anderen Oxyden gebildet hat, welche durch die Oxydation hauptsächlich von Si, Mn
und Fe im Roheisen entstanden sind, welche Schlackenbildung erst am Ende des Vorblasens
bei dem sogenannten Übergang geschieht. Während des darauffolgenden Nachblasens
wird in der Hauptsache Phosphor oxydiert, ohne daß eine nennenswerte Verschlackung
des Eisens stattfindet, welches mit der höheren Affinität des Kalks zur Phosphorsäure
im Verhältnis zum Eisenoxydul zusammenhängt. Gleichzeitig sinkt jedoch der Kohlenstoffgehalt
noch weiter auf Grund des niedrigen Kohlenoxyddruckes im Gas.
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Somit ist es möglich, den C-Gehalt unter o,oio0/0 herabzudrücken.
Es hat sich sogar als möglich erwiesen, diesen Kohlenstoffgehalt zu erzielen, während
der Stahl noch den verhältnismäßig hohen Phosphorgehalt von o,o6o bis 0,150°/o aufweist,
welcher sich im Stahl als geeignet erwiesen hat, um diesem die gewünschten Festigkeitseigenschaften
zu verleihen.
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Daß das Blasen bei einem verhältnismäßig hohen Phosphorgehalt abgebrochen
werden kann, ist zum Vorteil auch dadurch, daß der Verlust an Eisen und auch an
noch vorhandenem Mangan durch Verschlackung gleichzeitig geringer wird. Auch der
Gehalt an Sauerstoff im Stahl wird geringer, je früher das Blasen abgebrochen werden
kann, was für die Qualität des Stahles von Bedeutung ist.
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Der Stickstoffgehalt im Stahl wird im allgemeinen unter den vorherrschenden
Verhältnissen verhältnismäßig hoch, da der Kohlenstoffgehalt bei der Verwendung
gemäß der Erfindung auf die geringstmöglichen Werte herabgedrückt werden soll. Wie
jedoch oben betont worden ist, werden Stickstoff und Phosphor in der Stahlqualität
gemäß der Erfindung verwendet, um in derselben die gewünschte Härte zu erzielen;
dieses hat bei dem in Frage kommenden niedrigen Kohlenstoffgehalt keineswegs den
ungünstigen Einfluß auf die Qualität, wie man ihn bei gewöhnlichem Thomasstahl gerade
dem Stickstoff-und Phosphorsgehalt zuschreibt. Durch das Herabdrücken des Kohlenstoffgehaltes
bei den in Frage kommenden sehr niedrigen Werten sind somit die früheren Nachteile
von Stickstoff und Phosphor in Vorteile umgewandelt worden.
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Dadurch, daß der Stahl auf Grund des niedrigen C-Gehalts auch in nichtdesoxydierter
Form praktisch ohne Gasentwicklung erstarrt, wird der Block bedeutend gleichmäßiger
in der Zusammensetzung als der gewöhnliche Block von nicht desoxydiertem Stahl,
weil keine Zirkulation der Restschmelze entsteht, was beim Erstarren von Guß der
letzteren Art der Fall ist. Das Gießen kann zweckmäßig gemäß gewöhnlicher Praxis
mit halbberuhigtem Stahl geschehen, was höhere Ausbeute und niedrigere Kosten bedeutet.
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Der Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt erweist sich auch in bezug
auf seine Korrosion als dem gewöhnlichen Stahl überlegen. Die Struktur ist gleichmäßiger,
die Zahl der als Kathode wirkenden Zementteilchen geringer, und außerdem trägt ein
höherer Phosphorgehalt zu einer schnelleren Beendigung des Korrosionsprozesses bei.
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Im folgenden werden einige Ergebnisse bekanntgemacht, welche bei Verwendung
des Stahles in der erfindungsgemäßen Weise erzielt worden sind, sowie
die
entsprechenden Werte bei einigen normalen, kohlenstoffhaltigen Stahlqualitäten innerhalb
desselben Festigkeitsbereiches.
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Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt, enthaltend:
| C.............................. 0,012°/o |
| Mn ............................ 0,040% |
| P ............................. o,ogo0/, |
| S ............................. 0,o260/, |
| N ............................. 0,015% |
normalisiert von g5o°C in der Dimension 15 mm Durchmesser, hat folgende Werte ergeben
für:
| Streckgrenze . . . . . . . . . . . 32 bis 33 kg/mm2 |
| Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . 43 bis 44 kg/mm2 |
| Dehnung (l = 1o . D) .... 26 bis 27% |
| Einschnürung . . . . . . . . . . 7o bis 7304 |
Bei der Prüfung der Kerbschlagzähigkeit nach Charpy mit 15 kg Fallgewicht und normalem
Probestab mit gebohrtem Kerb von o,75 mm Radius ist in normalisiertem Zustand bis
hinab zu -40°C eine Schlagarbeit von 1o bis 15 mkg erzielt worden, wonach bei weiterer
Temperatursenkung auf -8o bis -ioo°C ein Übergang zu ganz sprödem Bruch ermittelt
wurde. Nach io0/,iger Reckung und Alterung bei Zoo" C während 6 Stunden erhielt
man eine Kerbschlagzähigkeit bei Zimmertemperatur von etwa 1o mkg und bei o°C von
etwa 5 mkg. Bei -40°C ist das Material ganz spröde.
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Als Beispiele für zweckmäßige Analysen zweier Qualitäten, ungefähr
St 37 und St 44 entsprechend, können angegeben werden:
| St 37 St 44 |
| 0/, C . . . . . . . . . . . . < o,oio 0/0 < o,oi 0/0 |
| 0/, Mn .. ..... .... 0,300/0 0,45% |
| 0/, P............. o,o6o0/, 0,12o0/, |
| 11/I S . . . . . . . . . . . . < 0,0400/, < 0,040% |
| 0/, N ............ 0,o150/, 0,015% |
| Streckgrenze . . . . . . . . . . . 26 bis 30 kg/mm2 |
| Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . 39 bis 42 kg/mm2 |
| Dehnung . . . . . . . . . . . . . . 28 bis 261)1, |
In mit Aluminium versetztem niedriggekohltem Material (< o,oi 0/, C) ist eine
äußerst niedrige Umschlagstemperatur erreicht worden. Somit hat man noch bei - 6o°
C eine Schlagfestigkeit innormalisiertem, gedehntem und gealtertem Zustand von 14
bis 15 mkg erreicht, was bei einem bisher bekannten ferritischen Stahl nicht möglich
gewesen sein dürfte. Aluminium kann ganz oder teilweise durch Titan mit derselben
Wirkung ersetzt werden.
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Normaler unberuhigter Thomasstahl von guter Qualität mit beispielsweise
| C.............................. 0,090/, |
| Mn ............................ 0,45% |
| P ............................. 0,045% |
| S ............................. 0,0250/0 |
| N .................. ........... 0,013% |
besitzt für den entsprechenden Wärmebehandlungszustand und die entsprechende Dimension
| Streckgrenze . . . . . . . . . . . 25 bis 30 kg/mm2 |
| Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . 4o bis 44 kg/mm2 |
| Dehnung . . . . . . . . . . . . . . 31 bis --981)/, |
| Einschnürung........... 75 bis 6g0/, |
Kerbschlagzähigkeitswerte von 15 mkg erhält man bis zu +40°C hinunter, wonach eine
allmähliche Senkung bei und knapp unter Zimmertemperatur eintritt, so daß man ganz
spröde Brüche bei -20°C erhält. Nach Recken und Altern in der beschriebenen Weise
sinkt die Kerbschlagzähigkeit von etwa 1o mkg bei + ioo° C bis zum völlig spröden
Bruch bei + 6o° C.
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Unberuhigter Siemens-Martin- und Elektrostahl mit entsprechender Festigkeit
ist gewöhnlich etwas besser in bezug auf Trennungsbruch. Der Unterschied im Umschlags-
oder kritischen Punkt in gerecktem und gealtertem Zustand pflegt jedoch selten 20°C
zu überschreiten. Normaler Si-beruhigter Elektrostahl mit
| C......................... etwa 0,15% |
| Si............................. 0,200J, |
| 142n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 0,5004 |
| P ............................. 0,010% |
| S ............................. o,o:zo11/0 |
| N ............................. o,oo60/0 |
ergibt normalisiert die
| Streckgrenze . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 kg/mm' |
| Zugfestigkeit . .. . . . . . . . . . . . . . . 41 kg/mm2 |
| Dehnung .................... 29% |
| Einschnürung................. 650/, |
Die Kerbschlagfähigkeit bewegt sich zwischen 1o und 15 mkg bis hinunter zu -40°C,
wonach der Übergang zu ganz sprödem Bruch bei einer weiteren Senkung bis zu -60°C
eintritt. Nach dem Recken und Altern durch Wärme bleiben 1o mkg bis hinunter zu
-f-40 bis +20°C, wonach Trennungsbruch bei etwa o°C eintritt.
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Durch AI-Zusatz kann ein Si-beruhigter Stahl in bezug auf Trennungsbruch
noch etwas verbessert werden.
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Wie ersichtlich, kann man bei der Verwendung des Stahles in der erfindungsgemäßen
Weise eine Umschlagstemperatur nach Recken und Altern erhalten, welche um 6o bis
80°C diejenige unterschreitet, welche man für gewöhnlichen Thomasstahl der entsprechenden
Festigkeitsklasse erhält und welche sogar etwas niedriger liegt als bei einem entsprechend
siliziumberuhigten Elektrostahl. Hinzu kommt, daß ein beruhigter Elektrostahl bedeutend
höhere Herstellungskosten verursacht als unberuhigter Thomasstahl, während man Stahl
gemäß der Erfindung zu geringeren Kosten als gewöhnlichen unberuhigten Thomasstahl
herstellen können dürfte.
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Wie bereits erwähnt, wird der kohlenstoffarme Stahl erfindungsgemäß
als Konstruktionsmaterial mit geringer Neigung zum Trennungsbruch verwendet. Jedoch
kann Stahl, welcher gemäß der Erfindung verwendet wird, mit Vorteil auch für Zwecke
verwendet werden, bei denen geringer Kohlenstoffgehalt aus anderen Gründen wünschenswert
ist. Ebenso
können auch andere Stahlqualitäten Verwendung finden,
die besonders niedrigen Kohlenstoffgehalt besitzen.