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Verfahren zur Herstellung von Metall, insbesondere Stahl, durch Reduzieren
und Erschmelzen aus Schrott und feinkörnigen Metalloxiden mittels elektrischer Energie
und Anlage zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Herstellung von Metall, insbesondere Stahl, durch Reduzieren und Erschmelzen
aus Schrott und feinkörnigen Metalloxiden mittels elektrischer Energie in einem
offenen Herdofen, bei dem eine über einem Metallbad sich befindende, beheizte, flüssige
Schlackenschicht fortlaufend mit feinkörnigem aus Metalloxiden und festen Reduktionsstoffen
bestehendem Möller versehen wird, sowie auf eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei einem bekannten derartigen Verfahren, dem sogenannten Lubatti-Verfahren,
können Stauberze, Schliche, Schwefelkiesabbrände und Rotschlamm mit Koksstaub oder
anderen geeigneten Staubkohlen reduziert werden. Das Verfahren zeichnet sich ferner
durch einen geringeren Verbrauch an elektrischem Strom und an Elektroden und einer
weitgehenden Ausnutzung des Kohlenmonoxides zur Vorreduktion der feinkörnigen Metalloxide
aus. Zudem fällt das Roheisen mit einem verhältnismäßig niedrigen Kohlenstoffgehalt
im Vergleich zu anderen Verfahren an. Das Verfahren läuft so ab, daß in der auf
der Schlackenschicht schwimmenden Möllerschicht eine Reduktion der Metalloxide stattfindet,
danach das Eisen in der Möllerschicht zu größeren Tropfen zusammenfließt, die in
der Schlackenschicht aufgeheizt werden und dann in den Eisensumpf gelangen. Das
flüssige Metall und die Schlacke werden von Zeit zu Zeit abgestochen.
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Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß die Ausmauerung
des Ofens entweder von der Schlacke oder dem Metallbad zerstört wird. Ein weiterer
Nachteil dieses-Verfahrens liegt darin, daß es nicht in der Lage ist, heute in großen
Mengen anfallenden Schrott wieder zu Stahl zu verarbeiten. Das Lubatti-Verfahren
ist beschrieben in "Stahl und Eisen" 1954, Nr. 5, Seite 291.
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Zur überwindung des erstgenannten Nachteils des Lubatti-Verfahrens
ist nach der deutschen Patentschrift 1 264 468 vorgeschlagen worden, bei einem Elektroofen
mit Kohleelektroden und einer nicht aus Kohle bestehenden feuerfesten Auskleidung
ständig eine mindestens 20 cm dicke Schicht des flüssigen zu gewinnenden Metalls
zu belassen, die ständig von einer metalloxidhaltigen flüssigen Schlackenschicht
von solcher Dicke bedeckt sein soll, daß die im oberen Teil der Schlackenschicht
zum Schmelzen der Charge und zur Reduktion erforderliche Hitze gerade ausreicht,
um die Metallschicht in flüssigem Zustand zu halten, ohne sie zu überhitzen. Dadurch
sollen ein sehr kohlenstoffarmes Eisen und Eisenlegierungen gewonnen werden können
und noch Energie eingespart werden. Die Dicke der flüssigen Schlackenschicht soll
25 bis 70 cm betragen. Dieses Verfahren eignet sich ebenfalls nicht für ein Verarbeiten
von Schrott.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der
eingangs genannten Art eine möglichst große Menge von Schrott verwerten zu können,
ohne daß die Qualität des erzeugten Materials beeinträchtigt wird und bei dem auf
einfache Weise die Haltbarkeit der Ausmauerung des Ofens wesentlich heraufgesetzt
wird. Die Erfindung besteht darin, daß auf einen Teil der Schlackenschicht anstelle
der feinkörnigen Metalloxide fortlaufend Schrott aufgebracht, daß der Durch-
messer
des Metallbades so groß bzw. die Wärmequelle von der Ofenwand so weit entfernt gehalten
wird, daß an dieser die Schlackentemperatur unter die Temperatur absinkt, bei der
eine Reaktion mit der Ofenausmauerung stattfindet, und daß das Metall mittels eines
Vakuumhebers abgezogen wird.
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Der Begriff Schrott soll hier so verstanden werden, daß neben den
üblichen Metall-Abfällen auch ganz allgemein stückiges oder körniges Material des
jeweilig herzustellenden Metalls infrage kommt. So kommt insbesondere im Falle der
Stahlherstellung der Zusatz von Eisenschwamm in Betracht, und zwar allein oder vermischt
oder im Wechsel mit üblichem Eisen- bzw. Stahl-Schrott.
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Das verhältnismäßig große Metallbad ergibt eine gute Mischung der
zugeführten Stoffe, so daß insbesondere unterschiedliche Qualitäten des Schrotts
ausgeglichen werden können. Ferner hat das Metallbad eine Pufferfunktion, so daß
ein Gleichtakt mit nachgeschalteten Aggregaten nicht edorderlich ist und etwaige
Stillstände derselben überbrückt werden können. Der Herdofen ist praktisch jederzeit
abstichbereit.
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Der auf die Schlackenschicht aufgebrachte Schrott sinkt durch diese
hindurch und schmilzt fortlaufend ohne Schwierigkeiten ein. Das durch die Reduktion
des aufgebrachten Möllers erzeugte Rohmetall vermischt sich, nachdem es die Schlackenschicht
passiert hat, sofort mit der Schrottschmelze, so daß Wärmeverluste und Reoxidation,
wie sie z.B. bei der Vorreduktion in gesonderten Aggregaten auftreten, vermieden
werden. Die Haltbarkeit der Ofenausmauerung wird- durch die Erfindung beträchtlich
heraufgesetzt, sie beträgt mindestens etwa ein Jahr.
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Von besonderem Vorteil in bezug auf die Qualität des erzeugten Metalls
ist es, wenn das Gewicht eines Abstichs des abgezogenen fertiggemachten Metalls
etwa ein Zehntel des Metallbad-Gewichts beträgt.
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Es ist zweckmäßig, daß der Schrott im Zentrum des Ofens und der Möller
auf die sich anschließende Ringfläche der Schlakkenoberfläche aufgebracht wird.
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Eine besondere Wirtschaftlichkeit des Verfahrens nach der Erfindung
wird dadurch erzielt, daß etwa die gleiche Gewichtsmenge Schrott wie in den Metalloxiden
enthaltenes Metall zugegeben wird.
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Es ist ferner möglich, daß das Metall fortlaufend abgezogen wird.
Ein besonderer Vorteil, der mit der Erfindung verbunden ist, besteht jedoch darin,
daß der Abstich nebeneinander sowohl in Intervallen als auch kontinuierlich erfolgen
kann.
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Für die Prozeßführung ist es ferner vorteilhaft, daß die elektrische
Leitfähigkeit der Schlackenschicht so eingestellt wird, daß sie bei unterschiedlicher
Energiezufuhr in Anpassung an die jeweils erforderlichen Gegebenheiten des metallurgischen
Prozesses nicht geändert zu werden braucht.
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Die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Anlage, bei der
über dem runden offenen Herdofen eine Gasabzugshaube und eine Verteilvorrichtung
für den Möller angeordnet ist sowie an seitlich zugeführten, nach unten hin gekrümmten
Tragarmen befestigte Elektroden vorgesehen sind, ist dadurch gekennzeichnet, daß
außerhalb des Herdofens gleichmäßig um den Ofenumfang verteilte, lotrecht und radial
zum Ofen verstellbare sowie um ihre lotrechte Achse schwenkbare Elektrodenhalter
angebracht sind und im Zentrum des Herdofens über der Schlakkenschicht ein den zugeführten
Schrott begrenzender Aufgabezylinder angeordnet ist.
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Ein Ofendeckel erübrigt sich, weil die Oberflächentemperatur des Möllers
nur etwa 1500 C beträgt. Damit entfallen auch die Probleme für die Abdichtung an
Elektrodendurchführungen, Beschickungsöffnungen und Rauchgaskanälen.
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In weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Verteilvorrichtung für den Möller aus einem um den Ofen in einem geschlossenen
Kreis verfahrbaren Vorratsbunker und einem darunter angeschlossenen, radial etwa
bis zum Aufgabezylinder reichenden Förderband besteht, das mit einer längsverschieblichen
Abwurfeinrichtung versehen ist.
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Schwierigkeiten, wie sie sonst bei der Beschickung derartiger, insbesondere
größerer Anlagen bestehen, indem mehrere Beschikkungskörbe, Korbtransportwagen und
schwere Krane benötigt werden, treten nicht auf. Der Bedarf an Personal für Betrieb
und Wartung sowie die Kosten dafür sind sehr gering.
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Weiter ist vorgesehen, daß mindestens zwölf Elektroden verwendet sind,
daß die Tragarme der Elektroden paarweise an jeweils einem Elektrodenhalter zusammengefaßt
und daß an den rohrförmigen, wassergekühlten Armen die Stromleiter jeweils bifilar
geführt sind.
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Der Verbrauch an Elektroden wird auf diese Weise gering gehalten.
Da eine Regulierung der Stellung der Elektroden selten erforderlich ist, wird eine
Automatik dafür nicht benötigt.
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Die ganz in das widerstandsbeheizte Schlackenbad eintauchenden Elektroden
haben mit dem Sauerstoff der Luft keine Berührung und ein die Ausmauerung des Herdofens
angreifender Lichtbogen wird nicht erzeugt.
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In weiterer Ausgestaltung der Anlage nach der Erfindung ist vorgesehen,
daß der mit den Elektroden elektrisch verbundene Umformer unter dem Herdofen angeordnet
ist. Neben dem damit verbundenen geringen Platzbedarf der Anlage besteht der besondere
Vorteil dieser Maßnahme darin, daß der Herdofen von allen Seiten frei zugänglich
ist.
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Weil die Bildung eines Lichtbogens unterbleibt, wird auch eine Unstetigkeit
des Ofenganges vermieden. Aus diesem Grunde ist auch ein sonst üblicher Spezialumformer
nicht erforderlich, und die wenigen notwendigen Schaltungsstufen für die Spannung
brauchen nicht unter Last schaltbar zu sein.
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Da somit die Netzrückwirkungen entfallen, kommt ein niedriger Preis
für den elektrischen Strom in Frage.
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Kurze Abschaltzeiten bei an den Elektroden etwaig notwendigen Arbeiten
wirken sich auf den Schmelzbetrieb nicht aus. Es ist somit möglich, die Anlage praktisch
ganzjährig ohne Stillstandszeiten in Betrieb zu halten. Der Betrieb ist darüber
hinaus nur mit geringer Geräuschentwicklung verbunden.
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Nachfolgend wird das Verfahren nach der Erfindung und die Anlage zur
Durchführung des Verfahrens anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
der Anlage zur Erzeugung von Rohstahl näher erläutert.
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Es zeigt schematisch Fig. 1 einen Vertikalschnitt und Fig. 2 eine
Draufsicht auf die Anlage, bei der die nicht mit dem Herdofen verbundenen Teile
fortgelassen sind.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, befindet sich in dem runden, offenen Herdofen
1 eine Schlackenschicht 2 und darunter das aus flüssigem Eisen bestehende Metallbad
3. Auf der Oberfläche der Schlackenschicht 2 schwimmt auf einer äußeren Ringfläche
der über ein Förderband 4 zugeführte Möller 5, der aus Eisenerz, einem festen Reduktionsstoff
und den ggf.
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erforderlichen Zuschlagstoffen besteht. Die Möllerschicht soll etwa
10 bis 30 cm, dagegen die Schlackenschicht etwa 70 bis 120 cm stark sein. Die jeweiligen
Dicken der Schlakken- und Möllerschicht richten sich insbesondere nach den Widerstands-
und Wärmeleitfähigkeitswerten der Schichten sowie auch der Tragfähigkeit der Schlackenschicht.
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Im Zentrum des Herdofens 1 wird über einen an einer Laufkatze 6 hängenden
Elektromagneten 7 der Schrott 8 chargiert.
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Zur seitlichen Begrenzung des Schrotts ist ein senkrecht stehender
offener Aufgabezylinder 9 vorgesehen.
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Die mit je einer kugelförmigen Elektrode 10 versehenen, seitlich zugeführten,
nach unten hin gekrümmten Tragarme 11 sind paarweise an jeweils einem Elektrodenhalter
12 zusas engefaßt und durch diesen fixiert. Die neun Elektrodenhalter 12 sind außerhalb
des Herdofens 1 gleichmäßig auf den Ofenumfang ver teilt angeordnet und lotrecht
und radial zum Herdofen 1 verstellbar sowie um eine lotrechte Achse schwenkbar ausgebildet.
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Die Tragarme 11 der Elektroden 10 bestehen aus Kupfer, sind wassergekühlt
und lassen sich auf einfache Weise auswechseln.
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Die kugelförmigen Elektroden 10 bestehen vorzugsweise aus Graphit.
Die an den Elektroden 10 angeschlossenen, von den Elektrodenhaltern 12 ausgehenden,
nicht dargestellten Stromleiter sind an den Tragarmen 11 jeweils bifilar geführt.
Der Stromanschluß zu den Elektrodenhaltern 12-erfolgt über wassergekühlte Leitungen
13, die jeweils ein flexibles Zwischen-
stück 14 aufweisen, zu den
Hochstromanschlüssen 15 des Umformers 16, der in einer Grube unter dem Ofen 1 angeordnet
ist.
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Diese Anordnung des Umformers hat den weiteren Vorteil, daß das durch
die Elektroden 10, die Leitungen 13 und 14 gebildete Sekundärleitungssystem infolge
bifilarer Führung nur geringe induktive Stromverluste aufweist. Die Decke 17 des
in der Grube unter dem Ofen 1 angeordneten Gehäuses 18 des Umformers ist so stark
ausgeführt und mit einer feuerfesten Rollschicht 19 versehen, daß der Herdofen 1
getragen wird und etwaige Ofendurchbrüche den Umformer 16 nicht beschädigen können.
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Das etwa bis zum Aufgabezylinder 9 reichende Förderband 4, das mit
einer längsverschieblichen Abwurfeinrichtung 20 versehen ist, wird von einem um
den Ofen herum in einem geschlossenen Kreis verfahrbaren Zwischenbunker 21 gespeist.
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Der Zwischenbunker 21 wird beschickt durch ein Förderband 22.
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Der gleichzeitig eine Pufferfunktion erfüllende Zwischenbunker 21,
das Förderband 4 sowie ein Fahrgestell 23 bilden zusammen die verfahrbare Verteilvorrichtung
24.
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Über dem Herdofen 1 ist zentral eine Gasabzugshaube 25 angeordnet.
Die abgezogenen Gase können ggf. einer Verwertung zugeführt werden. Ein in das Metallbad
3 mit seinem einen Ende eintauchender Vakuumheber 26, der von einem schwenk- und
neigungsverstellbaren Bock 27 gehalten wird, ist mit seinem anderen Ende an eine
Abstichrinne 28 angeschlossen, die den flüssigen Rohstahl zur Gießpfanne bzw. zum
nächsten Aggregat leitet. Ein entsprechender Vakuumheber 29 ist für den Abzug der
überschüssigen Schlacke aus den unteren, kohlenstoffarmen
und gangartreichen
Lagen der Schlackenschicht 2 im Bereich der Elektroden 10 vorgesehen. Der Schlackenabzug
kann fortlaufend erfolgen, wird jedoch vorzugsweise periodisch durchgeführt.
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Beim Ablauf des Verfahrens nach der Erfindung wird die Schlakkenschicht
2 aufgrund ihres ohm'schen Widerstandes durch den durch die Elektroden 10 zugeführten
elektrischen Strom auf etwa 16000 C erhitzt. Die Eintauchtiefe der im Kreis angeordneten
Elektroden 10 und ihre Stellung zueinander richtet sich nach der Leitfähigkeit der
Schlacke und der gewünschten Temperaturverteilung im Metallbad 3. Die Stellung der
Elektroden 10 ist stufenlos einstellbar.
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Der Schrott 8 wird beim Absinken durch die Schlackenschicht 2 aufgeheizt
und schmilzt nach und nach auf. Im Metallbad 3 wird der Aufschmelzvorgang beendet.
Gleichzeitig läuft in der gleichmäßig aufgestreuten Möllerschicht eine Reduktion
des Eisenerzes ab. Der Möller 5 weist eine Körnigkeit von 0 bis 3 mm auf und besitzt
aufgrund seiner Feinkörnigkeit eine große, für die Reaktion günstige Gesamtoberfläche.
In der Mitte der Möllerschicht herrscht eine für die Reaktion ausreichende Temperatur
von etwa 600° C. Diese Temperatur steigt bis zur Berührungsfläche mit der Schlackenschicht
2 auf etwa 16000 C an.
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Es bilden sich hier winzige Eisentröpfchen, die sich beim Absinken
zu größeren Tropfen vereinigen, die Schlackenschicht 2 passieren und sich im Metallbad
mit dem eingeschmolzenen Schrott vermischen.
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An der äußeren Oberfläche des Möllers 5 beträgt infolge der großen
Isolierfähigkeit des staubförmigen Kohle-Erz-Gemisches' die Temperatur lediglich
etwa 100 bis 1500 C, wodurch Strahlungsverluste weitestgehend vermieden werden.
Der flüssige
Rohstahl im Metallbad 3 weist eine Dichte von etwa
6,8 und eine Temperatur von etwa 14000 C auf. Die Schlackenschicht hat eine Dichte
von etwa 2,-6 bis 2,8 und die Möllerschicht eine scheinbare oder mittlere Dichte
von etwa 1,6 *3. . Die Möllerschicht wird aufgrund ihrer feinen Struktur nicht durch
die flüssige Schlacke benetzt.
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Das Verhältnis der Fläche im Zentrum des Ofens, in der die Schrottzugabe
erfolgt, zu der mit dem Möller-5 bedeckten Ringfläche richtet sich nach dem jeweiligen
Energiebedarf und wird begrenzt durch die zulässige Energiedichte im Metallbad.
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Infolge des verhältnismäßig großen Durchmessers des Herdofens 1 sinkt
die Temperatur der Schlackenschicht an der Ofenwand so weit ab, daß die saure Schlacke
mit dem Material der Ausmauerung nicht reagieren kann. Die ausreichende Größe des
Ofendurchmessers bedeutet, daß die sich im Bereich der Schlackenschicht 2 -befindenden
Elektroden als Wärmequelle von der Ofenwand 30 einen entsprechenden ausreichenden
Abstand haben.
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Um den Abstich des Rohstahls sowie der Schlacke nicht zu erschweren,
ist auch der jeweils eintauchende Teil der Vakuumheber 26 und 29 mit ausreichendem
Abstand von der Ofenwand- 30 entfernt.
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Mit einem Herdofen, der einen Badinhalt von etwa 250 t aufweist, lassen
sich bei einem stündlichen Einsatz von 25 t Schrott und 25 t Eisen im Erz dementsprechend
etwa50 t Rohstahl erzeugen.
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Das Erz soll dabei einen Eisenanteil von 0,52-bis 0,55 enthalten.
Zweckmäßige Werte sind für den Herdofen-durchmesser 700 cm und für die mittlere
Badhöhe öhe 95 cm. Bei Verwendung von achtzehn kugelförmigen Elektroden beträgt
deren Durchmesser etwa 40 cm. Die pro Tonne Rohstahl benötigte Energie beträgt
etwa
2500 kwh. Davon werden für die Schrotteinschmelzung etwa 400 kwh verbraucht. Der
elektrische Anschlußwert liegt bei ca. 70 MVA, was bei einer mittleren Spannung
von 220 Volt eine Stromstärke von 40.000 Ampere ergibt.Bei einem Abstich von 25
t Roheisen fällt der Spiegel des Metallbades im Herdofen um etwa 9,5 cm, was bei
normalem Arbeitsrhythmus halbstündlich durchgeführt wird. Man kann aber bei plötzlichem
höheren Bedarf auch bis zur doppelten Menge an Roheisen auf einmal abziehen oder
bei geringerem Bedarf die Stromzufuhr eine zeitlang (etwa bis zu einer halben Stunde)
abschalten.
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Im Falle des Einsatzes von armen Eisenerzen ist im Regelfall eine
Weiterbehandlung des Rohstahls in einem nachgeschalteten Aggregat, z. B. einem Elektroofen,
vorgesehen. Bei einem Einsatz von höherwertigen Eisenerzen zusammen mit scg. definiertem
Rücklaufschrott ist das neue Verfahren jedoch in der Lage, einen weichen Baustahl
zu erzeugen, der ohne Nachbehandlung sofort weiterverarbeitet, z. B. vergossen werden
kann. Vorteilhaft ist die kontinuierliche Weiterverarbeitung in einer nachgeschalteten
Stranggußanlage, der zweckmäßig noch eine Durchlaufentgasungseinrichtung vorgeschaltet
wird. Muß der Rohstahl noch gefeint oder aufgekohlt werden, so ist es besonders
vorteilhaft, zwischen dem Herdofen und der Stranggußanlage zwei Lichtbogenöfen in
Parallelschaltung einzusetzen.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist auch in bezug auf die Menge des
einzusetzenden Schrotts, die sich im Regdfall nach dem Angebot bzw. dem Preis der
Rohstoffe richtet, sehr flexibel. Das Gewichtsverhältnis Schrott zum Eisengehalt
des Erzes kann etwa zwischen 0,7 zu 0,3 und 0,3 zu 0,7 schwanken. Auch die Endanalyse
des Rohstahls kann durch die Schrottzugabe in gewissen Grenzen gesteuert werden.
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Bei der Ermittlung oder Einhaltung eines bestimmten Gewichtsverhältnisses
von Schrott zum Eisengehalt des Erzes ist auch das Verhältnis des Oberflächenteils,
auf dem Schrott zugegeben wird, zur Restoberfläche des Ofens von Bedeutung. Die
Größen der Flächen errechnen sich aus dem jeweiligen Energiebedarf und der jeweiligen
spezifischen Energiedichte von Schrott und Möller, wobei die Zulässigkeitsgrenzen
der letzteren nicht überschritten werden dürfen. andern sich die Verhältnisse, kann
in einfacher Weise der Aufgabezylinder 9 gegen einen anderen mit unterschiedlichem
Durchmesser ausgetauscht werden.
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Neben der Herstellung von Stahl und dem neuen Verfahren kommen als
andere Metalle in erster Linie Ferrosilizium u.a.
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Ferrolegierungen, aber auch Blei, Zinn und Kupfer infrage.
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Die erforderlichen Anpassungen in der Betriebsweise der Anlage lassen
sich verhältnismäßig leicht durchführen.
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Ansprüche: