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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entschwefelung einer Eisenschmelze, insbesondere von Basiseisen aus einem Kupolofen, und eine entsprechende Einrichtung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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Zur Herstellung von Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) und von Gusseisen mit Vermiculargraphit (GJV) ist ein weitgehender Entzug des Schwefels aus der Eisenschmelze erforderlich. Die Bildung von Kugelgraphit ist nur bei Schwefelgehalten von unter 0,015% möglich.
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Bei der Herstellung von Kugelgraphit und Vermiculargraphit wird im Rahmen der sogenannten Magnesiumbehandlung Magnesium zur Eisenschmelze zugesetzt, wodurch eine exotherme Reaktion erfolgt, die zur Bewegung der Eisenschmelze führt. Die eigentliche Entschwefelung erfolgt dann durch gleichzeitige Zugabe von Calciumverbindungen auf die gewünschten Werte (typischerweise auf einen Wert von 0,01 bis 0,015%). Außerdem kann durch die Magnesiumbehandlung die Oberflächenspannung zwischen dem Graphit und der Eisenschmelze erhöht werden. Die Magnesiumbehandlung erfolgt in diesem Fall typischerweise bei einem Schwefelgehalt von nicht mehr als 0,015% zur Ausbildung von Sphäroliten (Kugeln).
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Liegt der Schwefelgehalt der Eisenschmelze bereits bei oder unter den erwähnten 0,15%, ist keine zusätzliche Entschwefelung erforderlich. Beispielsweise in Eisenschmelzen aus Kupolöfen liegt der Schwefelgehalt jedoch deutlich darüber. Ein Schwefelgehalt von 0,45 bis 0,60% ist hier der Regelfall.
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In derartigen Fällen wird daher zunächst eine Entschwefelung mit geeigneten Entschwefelungsmitteln, beispielsweise Calciumcarbid, Calciumoxid oder Soda, durchgeführt. Diese Entschwefelungsmittel müssen mit der Eisenschmelze in innigen Kontakt gebracht werden, beispielsweise durch Verrühren, Einblasen von Gas und/oder die Verwendung einer Schüttelpfanne. Wurde der Schwefelgehalt auf diese Weise auf einen geeigneten Wert reduziert, kann anschließend die Magnesiumbehandlung durchgeführt werden.
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Generell können zur Durchmischung der Eisenschmelze beispielsweise über poröse Bodensteine und/oder Tauchlanzen Argon und/oder Stickstoff in die Eisenschmelze eingeblasen werden. Eine Entschwefelung kann auch im Rahmen des bekannten Georg-Fischer-Konverterverfahrens erfolgen, die Eisenschmelze kann mit Entschwefelungsmittel überschüttet werden und dergleichen.
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Wird bei einer derartigen Entschwefelung vor der Magnesiumbehandlung beispielsweise Calciumoxid verwendet, reagiert das eingebrachte Calcium mit Eisensulfid und der Schwefel kann als Calciumsulfid in die Schlacke überführt werden. Ohne weitere Maßnahmen fällt die Temperatur der Eisenschmelze bei einer derartigen Entschwefelung jedoch um 70 bis 90°C und ggf. mehr ab. Dieser Temperaturverlust muss ausgeglichen oder vorab berücksichtigt werden, um ein nachträgliches Vergießen bei Temperaturen bis 1.410°C zu ermöglichen Um einen entsprechenden Temperaturverlust vorab zu berücksichtigen, kann die Temperatur der Eisenschmelze im verwendeten Schmelzofen entsprechend erhöht werden, wobei typischerweise über 1.540°C erforderlich sind. Das Schmelzen stößt damit jedoch an technische Grenzen (Futterverschleiß, Keimhaushalt usw.). Eine nachträgliche Erwärmung für die Magnesiumbehandlung ist mit hohem Kostenaufwand verbunden, weil hierzu ein zusätzlicher Elektroofen bereitgestellt werden muss.
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Um der Temperaturverringerung entgegenzuwirken und um eine bessere Entschwefelung sicherzustellen, kann die Entschwefelung auch mit Magnesiumzusatz durchgeführt werden. Insgesamt sind aus dem Stand der Technik über siebzig Verfahren bekannt, bei denen im Rahmen der Entschwefelung Magnesiumlegierungen zum Einsatz kommen. Hierbei kann beispielsweise ein Draht oder Stab, der Magnesium enthält und mit unterschiedlichen Legierungsträgern versetzt sein kann, oder der aus einer Vorlegierung mit Magnesium besteht (z. B. Ferrosilizium, FeSiMg), in die Eisenschmelze eingespult werden. Auch der Einsatz von seltenen Erden wie Cer, Strontium und Lanthan kann erfolgen. Die durch den Magnesiumzusatz ausgelöste exotherme Reaktion gleicht den Temperaturverlust aus. Die Affinität des Magnesiums zu Schwefel und Sauerstoff führt zu Entzug von Schwefel.
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Bei einer Entschwefelung mit Magnesiumzusatz sollte das eingebrachte Magnesium möglichst vollständig in die Schlacke überführt werden. Ist die Magnesiummenge zu hoch, ist mit einem hohen Restmagnesiumgehalt in der Eisenschmelze zu rechnen. Aus diesem Grund, und weil die Reaktionsenergie des Magnesiums keine zuverlässige Überführung in die Schlacke zulässt, sind Verfahren, bei denen Magnesiumzusätze zum Einsatz kommen, mit Unsicherheiten behaftet. Die Entschwefelung mit Magnesiumzusatz ist auch mit hohen Kosten verbunden. Neben hohen Kosten für entsprechende Magnesiumzusätze selbst bestehen die erwähnten Analytikprobleme und ein hoher technischer Aufwand ist erforderlich. Der Entzug von Sauerstoff stößt auf weitere metallurgische Probleme, die sich ggf. nachteilig im notwendigen Impfverhalten auswirken können.
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Auch aus anderen Gründen sind bekannte Verfahren zur Entschwefelung häufig aufwendig, kostenintensiv und aufgrund der entstehenden Entsorgungsproblematik nicht zu verantworten. So wird beispielsweise beim Entschwefeln mittels eines porösen Bodenstopfens (Spülstein) und dem kontinuierlichen Einsatz eines Spülgases (Argon, Stickstoff), Calciumcarbid zur Oberfläche der Eisenschmelze getragen. Die entstehende Schlacke muss auf Sondermülldeponien entsorgt werden. Ferner entstehen Probleme hinsichtlich des Arbeitsschutzes, da die Arbeit im Umfeld entsprechender Anlagen gesundheitsgefährdend und anstrengend ist.
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Zu weiteren Details der Entschwefelung und der Magnesiumbehandlung von Eisenschmelzen sei auf einschlägige Fachliteratur verwiesen, beispielsweise Hasse, S., Gießerei-Lexikon, Berlin: Schiele & Schön, 19. Auflage 2008.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, bekannte Verfahren zur Entschwefelung von Eisenschmelzen zu verbessern.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Entschwefelung einer Eisenschmelze, insbesondere von Basiseisen aus einem Kupolofen, und eine entsprechende Einrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schlägt zunächst ein Verfahren zur Entschwefelung einer Eisenschmelze vor, das umfasst, die Eisenschmelze zu durchmischen und mit einem Entschwefelungsmittel in Kontakt zu bringen. Die Eisenschmelze wird dabei unter Verwendung eines Gasstroms durchmischt, der unterhalb der Oberfläche der Eisenschmelze in diese eingebracht wird. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren zur Entschwefelung von Eisenschmelzen, wo die Durchmischung ausschließlich mit Inertgasen wie Stickstoff und/oder Argon erfolgt, schlägt die vorliegende Erfindung vor, wenigstens ein Reaktivgas in einem entsprechenden Gasstrom einzusetzen. Unter einem ”Reaktivgas” wird dabei im Rahmen dieser Anmeldung ein geeignetes Gas verstanden, das neben dem Durchmischungseffekt aufgrund des Strömungsimpulses eine exotherme Reaktion mit den Komponenten der Eisenschmelze eingeht. Hierdurch werden eine weitere Bewegung der Eisenschmelze und ein Temperatureintrag bewirkt. Reaktivgase sind insbesondere aus dem Bereich der Schweißtechnik bekannt und umfassen insbesondere Sauerstoff und Kohlendioxid.
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Im Gegensatz zu den eingangs erläuterten herkömmlichen Verfahren wird daher keine Temperaturreduzierung bei der Entschwefelung bewirkt, weil die freiwerdende Reaktionswärme der Reaktion zwischen dem oder den Aktivgasen und den Komponenten der Eisenschmelze dieser Temperaturreduzierung entgegenwirkt. Auf diese Weise kann die Eisentemperatur im vorgelagerten Schachtofen geringer gehalten werden, um damit beispielsweise den Futterverschleiß zu verringern. Ferner kann alternativ oder zusätzlich auf eine nachgeschaltete Erwärmung, beispielsweise in einem Elektroofen, verzichtet werden.
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Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zur Entschwefelung von Eisenschmelzen aus Kupolöfen, weil bei deren Herstellung die Eisenschmelze mit Schwefel aus dem verwendeten Koks angereichert wird (sogenannte Aufschwefelung). Die Erfindung kann insbesondere zur Entschwefelung von Basiseisenschmelzen zur Herstellung von Gusseisen mit Kugel- oder Lamellengraphit zum Einsatz kommen, eignet sich jedoch auch für sämtliche anderen Eisenschmelzen, die einer entsprechenden Entschwefelung unterworfen werden müssen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, den Gasstrom mittels einer abschmelzenden metallischen Zuleitung unter die Oberfläche der Eisenschmelze einzubringen. Ein entsprechender Gasstrom kann gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung auf einfache und kostengünstige Weise unter die Oberfläche der Eisenschmelze eingebracht werden. Die Verwendung aufwendiger, nicht abschmelzender Badlanzen entfällt damit vollständig. Gleichwohl können in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch entsprechende Lanzen eingesetzt werden.
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Vorteilhafterweise kann die abschmelzende metallische Zuleitung auf einer Rolle bzw. Spule bereitgestellt werden. Die abschmelzende metallische Zuleitung kann dabei mittels einer Abspulvorrichtung von einer Rolle in die Eisenschmelze eingespult werden. Entsprechende metallische Zuleitungen können beispielsweise in einer Länge von 100 Metern bereitgestellt und aus Kupfer oder kupferhaltigem Material gefertigt sein, so dass eine ausreichende Flexibilität gewährleistet ist. Die Einbring- bzw. Einspulgeschwindigkeit einer entsprechenden metallischen Zuleitung kann vorteilhafterweise beispielsweise 20 bis 30 Meter pro Minute betragen. Die Einbring- bzw. Einspulgeschwindigkeit richtet sich dabei nach der Abschmelzgeschwindigkeit der metallischen Zuleitung in der Eisenschmelze.
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In diesem Zusammenhang kann beispielsweise eine Druckmesseinrichtung eingesetzt werden, die den Gegendruck, der dem Gasstrom durch die Eisenschmelze entgegengesetzt wird, erfasst. Dieser Gegendruck kann als Maß für eine Einbringtiefe der metallischen Zuleitung unterhalb der Oberfläche der Eisenschmelze verwendet werden, da die Eisenschmelze dem austretenden Gasstrom einen entsprechenden hydrostatischen Druck entgegensetzt. Auf Grundlage einer entsprechenden Druckmessung kann daher eine Regelstruktur zur Regelung der Geschwindigkeit der Einbring- bzw. Einspulgeschwindigkeit definiert werden. Der Druck liegt dabei vorteilhafterweise bei mehr als 7,5 bar Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der Gasstrom als Reaktivgas Kohlendioxid in einem Gehalt aufweist, der auf die Menge der damit behandelten Eisenschmelze bezogen ist. Der Gasstrom kann auch vollständig aus Kohlendioxid gebildet sein. Zur Verwendung eignen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise kohlendioxidhaltige Gasgemische aus Verbrennungs- oder Syntheseprozessen, die anderenfalls, beispielsweise durch bekannte Sequestrierverfahren, beseitigt werden müssten. Die vorliegende Erfindung ermöglicht daher eine sinnvolle Nutzung von entsprechenden kohlendioxidhaltigen Gasgemischen. Wird, beispielsweise durch Luftzerlegung, ein für den Schmelzvorgang verwendetes Gasgemisch bereitgestellt, kann dieses auch für das erfindungsgemäße Entschwefelungsverfahren genutzt werden.
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Ein entsprechender Gasstrom kann dann vorteilhafterweise neben dem erwähnten Kohlendioxid Sauerstoff und/oder andere Komponenten, beispielsweise Inertgase wie Stickstoff und/oder Argon, enthalten. Ein ein Reaktivgas enthaltender Gasstrom muss also nicht ausschließlich aus einem oder mehreren Reaktivgasen gebildet sein, ein gewisser Anteil an Inertgasen wie beispielsweise Stickstoff kann ebenfalls vorhanden sein. Insbesondere dann, wenn ein entsprechender Gaststrom aus einem in einem erwähnten anderen Prozess anfallenden Gasgemisch gebildet wird, verringert sich hierdurch der Aufwand zur Bearbeitung entsprechender Gasgemische.
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Sauerstoff reagiert intensiv mit Eisen der Eisenschmelze, so dass durch die Verwendung von Sauerstoff eine gute Durchmischung ohne Verringerung der Temperatur der Schmelze bewirkt werden kann.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der verwendete Gasstrom insbesondere mit einem Druck von 7 bis 11 bar, insbesondere von 8 bis 9 bar, in die Eisenschmelze eingebracht werden. Wie erwähnt, kann hierbei auch eine Regeleinrichtung verwendet werden, die mit einer Abspulvorrichtung, die die metallische Zuleitung in die Eisenschmelze einbringt, wechselwirken kann.
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Für eine besonders gute Durchmischung haben sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung Strömungsgeschwindigkeiten für den Gasstrom von 20 bis 30 Metern pro Minute, insbesondere von 22 bis 26 Metern pro Minute als besonders günstig erwiesen. Bei derartigen Strömungsgeschwindigkeiten erfolgt eine besonders gute Durchmischung der Eisenschmelze.
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Wie bereits zuvor angeben, wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Eisenschmelze ferner mit einem Entschwefelungsmittel in Kontakt gebracht. Entsprechende Entschwefelungsmittel sind, beispielsweise aus der eingangs erwähnten Fachliteratur, dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Insbesondere können im Rahmen der vorliegenden Erfindung Entschwefelungsmittel eingesetzt werden, die Ferrosilizium, Kalziumoxid und/oder Flussspat umfassen. Entsprechende Materialien werden durch den Fachmann auch als Legierungskomponenten bezeichnet.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das verwendete Entschwefelungsmittel drahtförmig bereitgestellt und in die Eisenschmelze eingespult wird. Hierzu kann eine weitere Abspulvorrichtung zum Einsatz kommen, zusätzlich zu der ggf. vorhandenen Abspulvorrichtung für die metallische Zuleitung. Es ist jedoch auch möglich, die metallische Zuleitung und das drahtförmige Entschwefelungsmittel mittels derselben Abspulvorrichtung in die Eisenschmelze einzuspulen. Entsprechende Abspulvorrichtungen sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht erläutert.
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Das Entschwefelungsmittel kann grundsätzlich jedoch auch auf andere Weise in die Eisenschmelze eingebracht werden. Insbesondere kann die abschmelzende metallische Zuleitung auch das Entschwefelungsmittel enthalten, so dass keine weitere Einspul- bzw. Einbringeinrichtung erforderlich ist. Es ist auch denkbar, das Entschwefelungsmittel in dem Gasstrom in die Eisenschmelze einzublasen, so dass eine gute Durchmischung bewirkt wird.
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Die vorliegende Erfindung kann grundsätzlich mit Eisenschmelzen in besonderen Behältern (Behandlungspfannen) zum Einsatz kommen, insbesondere in Eisenschmelzen, die in Kupolofenrinnen bzw. bekannten Zwischenpfannen vorliegen. Entsprechende Behälter können neben der erfindungsgemäßen Durchmischung durch den Gasstrom auch weitere Durchmischungseinrichtungen umfassen, soweit erforderlich, beispielsweise unter Verwendung herkömmlicher Lanzentechnik.
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Aufgrund des erhöhten Schwefelgehalts eignet sich die vorliegende Erfindung, wie erwähnt, insbesondere zum Einsatz mit Eisenschmelzen, die aus Kupolofenbasiseisen gebildet sind, weil es in Kupolöfen, wie zuvor erwähnt, zu einer sogenannten Aufschwefelung kommen kann.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch die Kombination der vorgeschlagenen Maßnahmen eine Reduzierung des Schwefelgehalts derartigen Kupolofenbasiseisens auf weniger als 0,015%, ausgehend beispielsweise von einem Schwefelgehalt zwischen 0,45 und 0,60%, wie er in Kupolofenbasiseisen typischerweise vorliegt. Im Anschluss an das erfindungsgemäße Verfahren kann daher direkt eine Behandlung mit Magnesium erfolgen, um beispielsweise Gusseisen mit Kugelgraphit zu erzeugen.
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Die vorliegende Erfindung erstreckt sich ferner auf eine Einrichtung zur Entschwefelung einer Eisenschmelze, die dafür eingerichtet ist, die Eisenschmelze zu durchmischen und mit einem Entschwefelungsmittel in Kontakt zu bringen. Zur Durchmischung sind Mittel vorgesehen, die dazu eingerichtet sind, einen Gasstrom unter die Oberfläche der Eisenschmelze einzubringen. Erfindungsgemäß sind Mittel vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, den Gasstrom mit wenigstens einem Reaktivgas bereitzustellen. Derartige Mittel können ein entsprechendes Reaktivgas beispielsweise in einem vorgegenebenen Gehalt dosieren oder zu einem weiteren Gasstrom zudosieren.
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Vorteilhafterweise sind Mittel vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, den Gasstrom unter Verwendung einer abschmelzenden metallischen Zuleitung in die Eisenschmelze einzubringen. Insbesondere ist eine Einspulvorrichtung vorgesehen.
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Eine derartige Einrichtung ist insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet, wie es zuvor im Detail erläutert wurde. Auf die entsprechenden Merkmale und Vorteile, die auch die erfindungsgemäße Einrichtung zur Entschwefelung einer Eisenschmelze betreffen, sei daher ausdrücklich verwiesen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, welche eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist eine Einrichtung zur Entschwefelung einer Eisenschmelze gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch veranschaulicht.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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1 veranschaulicht eine Einrichtung zur Entschwefelung einer Eisenschmelze 1 gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die insgesamt mit 100 bezeichnet ist.
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In 1 ist ein Aufnahmebehälter für die Eisenschmelze 1 mit 2 bezeichnet. Wie mehrfach erläutert, kann es sich bei dem Aufnahmebehälter 2 um einen beliebigen, aus dem Stand der Technik bekannten Aufnahmebehälter handeln, beispielsweise eine Zwischenpfanne und/oder einen in einer Rinne eines Kupolofens angeordneten gesonderten Behälter oder die Rinne selbst.
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Die in 1 dargestellte Anordnung 100 umfasst ferner eine Abspulvorrichtung 3, die dafür eingerichtet ist, eine metallische Zuleitung 4 für einen Gasstrom von einer Rolle 5 ab- und in die Eisenschmelze 1 einzuspulen. Zur Führung der Zuleitung 4 kann ein Führungsrohr 6 bereitgestellt sein, an dessen Ende die Zuleitung 4 austritt.
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Über die Zuleitung 4 wird ein Gasstrom 7 in die Eisenschmelze 1 eingeblasen, der unterhalb einer Oberfläche der Eisenschmelze 1 austritt und für eine Durchmischung sorgt. Zur Bereitstellung des Gasstroms 7 ist im dargestellten Beispiel ein Gastank 8 vorgesehen, der mit nicht näher veranschaulichten Steuer- und Regeleinrichtungen versehen sein kann. Über eine geeignete Kupplung kann ein durch den Gastank 8 bereitgestelltes Gas oder Gasgemisch in die Zuleitung 4 auf der Rolle 5 eingespeist werden. Durch die Bereitstellung des Gasstroms 7 wird die Eisenschmelze 1, wie erwähnt durchmischt. Das Gas oder Gasgemisch weist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wenigstens ein Reaktivgas auf.
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Wie in 1 nur stark vereinfacht gezeigt, kann eine weitere Abspulvorrichtung 9 vorgesehen sein, mittels derer ein draht- oder stabförmig bereitgestelltes Entschwefelungsmittel in die Eisenschmelze 1 eingebracht werden kann.
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Wie in 1 ebenfalls nur stark vereinfacht gezeigt, kann auch eine Lanze bzw. Tauchlanze 10 grundsätzlich bekannter Art vorgesehen sein, über deren perforierten, in die Eisenschmelze eingetauchten vorderen Teil das Gas oder Gasgemisch aus dem Tank 8 in die Eisenschmelze 1 eingebracht werden kann. Eine oder mehrere derartiger Lanzen 10 können dabei grundsätzlich auch ausschließlich, d. h. anstelle der abschmelzenden metallischen Zuleitung 4, eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Hasse, S., Gießerei-Lexikon, Berlin: Schiele & Schön, 19. Auflage 2008 [0011]
