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Bevorzugt ist, daß der zurückfallende Metallstrahl
bei
seinem Austritt aus dem Rohr umgelenkt wird und ein Drehmoment um die Rohrachse
erzeugt. Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, daß der zurückfallende
Metallstrahl bei seinem Austritt aus dem Rohr umgelenkt wird, eine Kraft auf das
Metallbad ausübt und dieses in Drehung um die Rohrachse versetzt. Wesentliche Vorteile
ergeben sich auch dadurch, wenn die relative Bewegung des zurückfallenden Metallstrahls
zum Badspiegel mittels eines Motors erzeugt wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
besteht in einem um seine Mittelachse drehbaren säulenförmigen Teil, der senkrecht
in das Bad eingebracht wird, der wenigstens eine Axialbohrung, wobei die Axialbohrung
unten offen ist und oben mit der Querbohrung in Verbindung steht, und wenigstens
eine Querbohrung, wobei die Achse der Querbohrung in bezug auf eine radiale Linie
des säulenförmigen Teils geneigt ist, hat, und in einem in dem säulenförmigen Teil
vorgesehenen Gasdurchgang, der im Innern der Axialbohrung in der Nähe des unteren
Endes mündet.
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In einer besonderen Ausführungsform ist bei dieser Vorrichtung der
säulenförmige Teil mit einem Motor und einem Getriebe zur Drehung um seine Mittelachse
versehen. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis des Durchmessers der
Axialbohrung zur Eintauchtiefe der Axialbohrung in das Bad kleiner als ein Drittel
ist.
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Durch das eingeblasene Gas wird die scheinbare spezifische Dichte
des Materials in dem säulenförmigen Teil reduziert; das Material wird in dem säulenförmigen
Teil infolge der hydrostatischen Kräfte nach oben befördert und oben der Metallschmelze
so wieder zugeführt, daß es mit großer Kraft auf die Oberfläche der Schmelze auftrifft.
Dabei wird die Ausstoßstellung mit Bezug auf die Schmelzenoberfläche infolge einer
Relativbewegung der Strömung der Metallschmelze kontinuierlich geändert, so daß
sich eine gesteigerte Bewegung des Bades, ein verbesserter Kontakt und eine verbesserte
Vermischung von Metallschmelze und Behandlungsmittel ergeben. Das Material in dem
säulenförmigen Teil steht unten hydrostatisch mit der Schmelze in Verbindung.
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Die erzeugte Zirkulationsströmung führt zu intensiver Bewegung im
gesamten Grenzgebiet zwischen Schmelze und Behandlungsmittelschicht, so daß das
gesamte Behandlungsmittel mit großer Kraft in den Schmelzhauptteil eingebracht und
eine gleichförmige Zusammensetzung aufrechterhalten wird.
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Der säulenförmige Teil der Vorrichtung kann auch mehrere Axialbohrungen
und/oder Querbohrungen haben; weiterhin kann die Anzahl der Querbohrungen gleich
der Anzahl der Axialbohrungen sein; es kann auch eine Axialbohrung in Verbindung
mit einer Mehrzahl von Querbohrungen stehen. Zur Erzielung der Anderungen in der
Ausstoßstellung der Metallschmelze ist die Achse der Querbohrung mit Bezug auf eine
radiale Linie des die Metallschmelze enthaltenden Konverters geneigt. Dadurch erhält
die aus der Querbohrung austretende Metallschmelze eine Impulskomponente, die die
relative Drehbewegung zwischen dem säulenförmigen Teil und dem Schmelzenhauptteil
und so eine Wirbelbewegung verursacht.
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Sowohl der säulenförmige Teil als auch der Konverter können mit Hilfe
z. B. eines Motors gedreht werden. Ferner kann auch die Ausstoßströmung der
Metallschmelze
mit Bezug auf den Schmelzhauptteil zick-zack-förmig oder in anderen Bewegungen gelenkt
werden.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher veranschaulicht.
Es zeigt: Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Konverter in einem üblichen Verfahren,
F i g. 2 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Veranschaulichung
des Verfahrens, F i g. 3 eine Draufsicht auf die in F i g. 2 gezeigte Vorrichtung,
Fig. 4 eine Schnittansicht gemäß Fig. 2 in einer weiteren Ausführungsform, Fig.
5 eine Draufsicht gemäß F i g. 4, F i g. 6 einen Vertikalschnitt einer weiteren
erfindungsgemäßen Ausführungsform, Fig.7 einen Schnitt längs Linie VII-VII von Fig.
6, F i g. 8 schematisch einen Vertikalschnitt durch eine Anlage zur Behandlung einer
Metallschmelze unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig.9 bis 12
Darstellungen zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In F i g. 2 und 3 bezeichnet 1 einen Konverter, der ein Bad 2 aus
geschmolzenem Metall enthält. In das Bad 2 ist praktisch vertikal und längs der
Achse des Konverters 1 eine Bewegungsvorrichtung eingesetzt, die mit 3 bezeichnet
ist. Die Bewegungsvorrichtung 3 besteht aus einem säulenförmigen Teil 4 mit einer
Axialbohrung 5 und zwei Querbohrungen 6. Die Axialbohrung 5 ist unten offen und
steht mit den inneren Enden der beiden Querbohrungen 6 an dem oberen Ende in Verbindung;
die äußeren Enden der Querbohrung öffnen sich so, daß sie Düsen bilden, die so angepaßt
sind, daß sie die Metallschmelze ausstoßen können. Der säulenförmige Teil 4 ist
weiterhin mit einem Gasdurchgang 7 versehen, der an dem unteren Ende mit einer ringförmigen
Gruppe 8 in Verbindung steht, die sich mit Hilfe einer Vielzahl von kleinen Öffnungen
9 zum unteren Ende der Bohrung 5 hin öffnet.
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In der praktischen Anwendung wird ein komprimiertes Gas, das zweckentsprechend
ausgewählt ist und z. B. nicht mit dem Metall oder dem Behandlungsmittel (Schwebeschicht
10) reagieren soll, durch die Gaszuführung eingebracht; es tritt dann durch die
Düsen 9 in den Bodenteil der Bohrung 5 ein; das Gas bildet viele kleine Blasen,
die durch den säulenförmigen Teil der Metallschmelze 11, der sich in der Axialbohrung
5 befindet, aufsteigen. Beim Mischen der Gasblasen in dem säulenförmigen Teil 11
wird die scheinbare spezifische Dichte dieses Schmelzenteils im Vergleich mit dem
Hauptteil der Schmelze reduziert, wodurch auf Grund der hydrostatischen Kräfte eine
Aufwärtsbewegung eintritt. Die Geschwindigkeit, mit der die Blasen in der Metallschmelze
nach oben gelangen, ist relativ gering; das bedeutet, daß die Verweilzeit der Blasen
relativ lang ist; der die Gasblasen enthaltende säulenförmige Teil 11 wird dann
so weit nach oben befördert, daß dieser Schmelzenteil durch die Querbohrungen 6
und deren geneigte Ausstoßöffnungen so strömt, daß er auf die Behandlungsmittelschicht
10 gegossen wird.
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Dieser Hebevorgang erfolgt kontinuierlich durch stetige weitere Zufuhr
des Gases, so daß der in der Axialbohrung 5 befindliche säulenförmige Teil 11
praktisch
durchgehend mit den Gasblasen gefüllt bleibt. Das in der Metallschmelze in Blasenform
enthaltene Gas wird aus der Metallschmelze abgegeben, wenn dieser Schmelzenteil
auf die Schicht 10 oder die freie Oberfläche des Bades 2 beim Ausstoßen mit großer
Kraft auftrifft, wodurch das Bad in starker Bewegung bleibt. Wenn der säulenförmige
Teil 11 der Schmelze durch die Axialbohrung 5 aufsteigt, kommt von unten ständig
Material nach, um das Volumen aufzufüllen, das oben austritt; auf diese Weise wird
eine zirkulierende Strömung der Metallschmelze erzielt, wie von den Pfeilen in F
i g. 2 dargestellt. Infolge der Durchdringung von geschmolzenem Metall und Behandlungsmittelschicht
10 erreicht man starke Bewegung, verbesserten Kontakt und besseres Mischen zwischen
der Metallschmelze und dem Behandlungsmittel; ferner wird durch das Ausstoßen oben
auf die Badoberfläche vermieden, daß das dem geschmolzenen Metall in der Axialbohrung
5 beigemischte Gas in den übrigen Teil des Bades gelangt; es kann also nicht die
Rückströmung der Metallschmelze begleiten und so auch nicht etwa die Dichtendifferenz
nachteilig beeinflussen; das ist für die Zirkulation wichtig.
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Wie man Fig. 3 entnehmen kann, ist die Achse der Querbohrung 6 so
angeordnet, daß sie mit Bezug auf eine radiale Linie des Konverters 1 geneigt ist,
so daß die Strömung des aus der Querbohrung 6 ausgestoßenen geschmolzenen Metalls
eine Impulskomponente erhält, wodurch eine rotierende Strömung des Bades 2 um die
Achse des Konverters 1 entsteht.
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Im Betrieb ergießt sich der Schmelzenstrom aus der Querbohrung 6 fortlaufend
jeweils auf einen anderen Teil der Behandlungsmitteffläche 10; dadurch wird der
Bewegungseffekt erheblich verbessert.
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F i g. 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung,
wobei die mit 3' bezeichnete Einrichtung mit zwei parallel zueinander angeordneten
Axialbohrungen 5 ausgebildet ist, von denen jeweils eine zu einer Querbohrung 6
führt. Die in Fig.4 und 5 gezeigte Vorrichtung arbeitet praktisch in derselben Weise
wie die in F i g. 2 und 3 gezeigte Vorrichtung.
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Die übrigen Teile gemäß F i g. 4 und 5, die denen gemäß F i g. 2
und 3 entsprechen, haben dementsprechend dieselben Bezugszeichen.
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F i g. 6 und 7 zeigen eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform,
die mit einem Motor um ihre Achse gedreht werden kann. Die Bezugszeichen entsprechen
ansonsten denjenigen von F i g. 2 bis 5. Mit 12 ist eine Bewegungsvorrichtung bezeichnet;
der säulenförmige Teil 4 ist mit drei Axialbohrungen 5 versehen, die - wie vorstehend
beschrieben - arbeiten. In diesem Fall ist jedoch die Querbohrung 6 relativ kurz
ausgeführt, um keine aus einem Impuls resultierende Antriebskraft auf das Bad auszuüben,
wenn der Schmelzenstrom auf das Bad auftrifft.
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Statt dessen ist ein Antrieb mit Motor 13 und Kegelgetriebe 14, 15
vorhanden. Der säulenförmige Teil4 wird drehbar von einem Rahmen 16 getragen, der
gleichzeitig als Deckel dient und so angepaßt ist, daß er mit Hilfe eines Lagers
17 auf den Umfang des Konverters paßt. Das Kegelgetriebe 15 ist fest mit dem säulenförmigen
Teil4 verbunden und kommt mit dem Kegelgetriebe 14 in Eingriff, das von einer Welle
des Motors 13 getragen wird. Der Motor 13 ist auf dem Rahmen 16 befestigt. Es ergibt
sich im Betrieb folgendes: Wenn der Motor 13 während des
Betriebes läuft, wird der
Strom der aus der Querbohrung 6 austretenden Metallschmelze fortlaufend auf jeweils
andere Teile der Behandlungsmittelschicht, die sich auf der Oberfläche des Bades
befindet, gegossen.
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F i g. 8 zeigt weitere Einzelheiten einer entsprechenden Gesamtvorrichtung;
die Bezugszeichen sind dieselben, wie vorher erläutert. Gemäß F i g. 8 ist die Bewegungsvorrichtung
3 am Deckel 16 befestigt und mit Hilfe des Deckels 16 durch geeignete Vorrichtungen
27, wie z. B. Draht und Ketten, aufgehängt.
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Der Deckel 16 ist weiterhin mit einer Schüttröhre 18 zur Einführung
des Behandlungsmittels versehen, das die Schicht 10 bildet, die sich dann auf der
Oberffäche des Schmelzenbades 2 befindet. Durch das Gasrohr 19 wird Gas zugeführt,
das durch die Öffnungen 9 ausgeblasen wird; es ist mit dem Gasdurchgang 7 mit Hilfe
eines drehbaren Gelenks 20 verbunden, um die Drehung des säulenförmigen Teils 4
um seine Achse zu ermöglichen. Das der Metallschmelze beigemischte und anschließend
wieder freigegebene Gas, wenn der die Gasblasen enthaltende Schmelzenstrom aus der
Querbohrung 6 austritt und mit großer Kraft auf die Behandlungsmittelschicht 10
auftrifft, wird in dem Raum gesammelt, der durch den Deckel 16 über der Oberfläche
des Schmelzenbades gebildet wird; das Gas wird dann durch das Abgasrohr 21 entweder
abgeleitet oder erneuter Verwendung zugeführt.
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Die in Fig. 8 gezeigte Vorrichtung arbeitet trotz ihres einfachen
Aufbaus mit nur einer Axialbohrung ausgezeichnet, z. B. bei der Behandlung einer
Metallschmelze von etwa 200 t. Man kann dabei aber auch eine Mehrzahl von Axialbohrungen,
z. B. 2 bis 5 Bohrungen, die parallel zueinander liegen, anwenden, wodurch die Wirkungsweise
noch gesteigert werden kann.
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Beim Arbeiten z. B. mit drei Axialbohrungen hat sich aber ein etwa
gleicher Wirkungsgrad wie beim Arbeiten mit nur einer Axialbohrung herausgestellt.
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Ferner hat sich ergeben, daß bei Verwendung einer Bewegungsvorrichtung,
wie in F i g. 8 gezeigt, wo die Länge einer Querbohrung relativ gering ist, die
Anzahl der Querbohrungen 6, die mit einer Axialbohrung 5 verbunden sind, eine geringe
Wirkung auf die umgewälzte Menge der Metallschmelze ausübt, solange der in der vertikalen
Bohrung auftretende strömungsdynamische Widerstand gleich ist. Zurweitestgehend
möglichen Ausnutzung des Behandlungsmittels, das sich als Schicht auf der Oberffäche
des Schmelzenbades befindet, und zur Verkürzung der Arbeitszeit ist es vorteilhaft,
den Schmelzenstrom an möglichst vielen verschiedenen Stellen auf der gesamten Badoberfläche
auszustoßen; dann soll eine Mehrzahl von Querbohrungen in Verbindung mit einer Axialbohrung
angewendet werden. Die in F i g. 2 bis 5 gezeigten Vorrichtungen werden vorzugsweise
bei kleinen oder mittleren Anlagen eingesetzt. Dabei liegt dann die Neigung der
Querbohrung 6 mit Bezug auf eine radiale Linie des säulenförmigen Teils 4 oder des
Konverters 1 bevorzugt im Bereich zwischen 10 und 60 Grad. Bei großen Anlagen zur
Behandlung von Badschmelzen von etwa 100 bis 200 t ist jedoch z. B. ein Motor bevorzugt,
wie in F i g. 6 bis 8 gezeigt. Die Drehgeschwindigkeit kann bei mehreren Drehungen
pro Minute liegen; 1 PS kann dafür ausreichen.
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Da die Zirkulation der Metallschmelze von der
hydrostatischen
Druckdifferenz abhängt, die sich aus der Differenz der scheinbaren spezifischen
Dichten innen und außen am säulenförmigen Teil 4 ergibt, hängen Zirkulation und
Wirkungsgrad der Bewegungsvorrichtung im wesentlichen von den Dimensionen des säulenförmigen
Teils, insbesondere von dessen Axialbohrung, und auch von den.Bedingungen, unter
denen das Gas eingeblasen wird, ab. Die Beziehungen zwischen diesen Faktoren sind
in F i g. 9 bis 11 dargestellt.
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Wem bei konstanten Größen für Durchmesser der Axialbohrung und Eintauchtiefe
die Menge des eingeblasenen Gases graduell erhöht wird, nimmt zunächst die strömende
Schmelzenmenge in Proportion mit der Menge des eingeblasenen Gases zu; wenn die
Menge des eingeblasenen Gases weiter erhöht wird, nähert sich die Strömungsmenge
graduell einem Sättigungspunkt, wie man Fig. 10 entnehmen kann. Das resultiert daraus,
daß es eine obere Grenze für die Anzahl Gasblasen gibt, die unabhängig voneinander
in der flüssigen Schmelzenphase gehalten werden kann, um die scheinbare spezifische
Dichte zu reduzieren, so daß sich dann diese Sättigungsgrenze ergibt. Wenn Gas über
diese obere Grenze hinausgehend eingeblasen wird, beginnen die Gasblasen sich unter
Überwindung der Oberflächenspannung der Metallschmelze zusammenzuschließen; dann
tritt in der vertikalen Bohrung der Effekt auf, daß das Gas hindurchgeblasen wird.
Wenn dieser Durchblas-Effekt auf Grund weiteren Anstiegs der Gasmenge noch stärker
wird, nimmt die strömende Schmelzenmenge eher ab, als daß eine ausgeglichene obere
Grenze eingehalten wird. Erhöht man die Eintauchtiefe des säulenförmigen Teils,
wird der Punkt, wo die ausgestoßene Schmelzenmenge eine ausgeglichene obere Grenze
erreicht, in Richtung einer größeren Menge eingeblasenen Gases verschoben, wie in
Fig. 10 dargestellt; so wird dann der absolute Wert der ausgeglichenen oberen Grenze
natürlich entsprechend erhöht. Eine Vergrößerung des Durchmessers der Axialbohrung
hat die gleiche Wirkung wie eine Erhöhung der Eintauchtiefe der Axialbohrung mit
Bezug auf das Verhältnis des von dem Gas in der vertikalen Bohrung eingenommenen
Volumens; deshalb wird dabei die Wirkung des eingeblasenen Gases in einen günstigeren
Bereich verschoben. Da die
Menge der Metallschmelze, die aufsteigen bzw. zirkulieren
soll, proportional mit der Querschnittsfläche der Bohrung ansteigt, wird jedoch
das Anstiegsniveau des säulenförmigen Schmelzenteils in der Axialbohrung nicht erhöht,
sondern eher reduziert. Um das gleiche Niveau des Anstiegs, wie bei kleinerem Durchmesser
der Axialbohrung, zu erhalten, muß deshalb die Eintauchtiefe des säulenförmigen
Teils erhöht werden.
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Fig. 11 veranschaulicht die Relation zwischen dem Durchmesser der
Axialbohrung, der Eintauchtiefe und der Gießmenge der Metallschmelze. Die Gießmenge
kann bei einem kleineren Durchmesser der Axialbohrung in einem Gebiet geringer Eintauchtiefe
größer werden. Es wurde festgestellt, daß das Verhältnis des Durchmessers der Axialbohrung
zur Eintauchtiefe kleiner als ein Drittel (DIHd < 1/3) sein soll.
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Die nachstehende Tabelle zeigt beispielsweise die Ergebnisse von
Entschwefelungsbehandlungen bei geschmolzenem Roheisen unter Anwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung nach F i g. 8 mit einem säulenförmigen Teil mit einer Axialbohrung,
wobei die Drehung durch einen Motor erfolgt. Die Dimension und die Betriebsbedingungen
sind in der Tabelle angegeben. Stickstoff (N2) wurde als Gas verwendet; die Düsen
zum Einblasen des Gases befinden sich 100 mm über dem unteren Ende der Axialbohrung.
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Damit wird vermieden, daß durch Drehen des unteren Endes des säulenförmigen
Teils Gas austreten kann.
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Zum Vergleich ist in der Tabelle das Ergebnis einer Behandlung nach
einer konventionellen Methode angegeben, bei der zur Entschwefelungsbehandlung wiederholt
geschmolzenes Roheisen von einem Konverter in einen anderen Konverter umgegossen
wurde.
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F i g. 12 zeigt die Beziehung zwischen dem Schwefelgehalt und der
Behandlungszeit bei der Entschwefelungsbehandlung von geschmolzenem Roheisen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung können
nicht nur zur Entschwefelungsbehandlung angewendet werden, sondern auch zur Entfernung
von Phosphor und Silizium, zur Entgasung sowie zur Legierungsbildung oder zur Einstellung
der Komponenten der Metallschmelze.
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Vergleich einer Behandlung nach der Erfindung mit einem konventionellen
Verfahren unter Wechsel des Konverters bei der Entschwefelung
| 1 2 3 4 5 tionelle |
| 1 2 3 4 5 tionelle |
| Behandlung |
| Einzelheiten der Ausrüstung |
| Zahl der Axialbohrungen 3 3 l l l |
| Durchmesser der Axialbohrungen |
| (mm) .................. ...... |150 | 150 | 600 | 600 | 600
| - |
| Länge der Axialbohrungen (mm) 1250 1250 2600 2600 2600 - |
| Zahl der Querbohrungen 3 3 4 4 4 - |
| Drehgeschwindigkeit (rpm) . 4 0 5,5 5,5 5,5 - |
| Behandlungsmenge des geschmolze- |
| nen Roheisens (Tonnen) . 5,2 4,9 204 194 187 200 |
| Entschwefelungsmittel . CaC2 CaC CaC2 CaC2. CaC2 Na2CO3 |
| Menge des Entschwefelungsmittels |
| (kg/Tonne Roheisen) . . . 19 10 4,9 5,2 5,4 7,0 |
Fortsetzung der Tabelle
| Konven- |
| 1 2 3 4 5 tionelle |
| Behandlung |
| Eingeblasenes Gas .. ..... .... N2 N2 N2 N2 N2 - |
| Menge des eingeblasenen Gases |
| (Nm²/min)....... ............. | 0,7 | 0,7 | 10,8 | 12,5 |
10,0 | - |
| Zirkulationsrate des geschmolzenen |
| Roheisens Conne/min) . . .. 2,0 2,0 110 117 104 - |
| Behandlungszeit (min) ............ | 16,5 | 18 | 12 | 12 |
17 | 10 |
| Temperatur des geschmolzenen |
| Roheisens, °C |
| vor der Behandlung... .. 1400 1390 1330 1315 1310 1340 |
| nach der Behandlung 1345 1340 1313 1300 1290 1320 |
| Zusammensetzung des geschmolze- |
| nen Roheisens, % |
| vor der Behandlung |
| C.. . . .. 4,43 4,45 4,52 4,50 - 4,50 |
| Si.. ... 0,36 0,37 0,48 0,45 0,51 0,50 |
| S... .. 0,061 0,056 0,033 0,025 0,056 0,045 |
| N ............. . .. - - 0,0043 0,0040 - - |
| nach der Behandlung |
| C.. . .. 4,45 4,45 4,52 4,48 - 4,45 |
| Si.. .. 0,39 0,40 0,47 0,44 0,48 0,37 |
| S... .. 0,003 0,004 0,003 0,004 0,004 0,015 |
| N. . ... . .. - - 0,0039 0,0042 - - |
| Grad der Entschwefelung. % ..... 95 93 91 84 93 67 |