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Verfahren zur Herstellung von Nickelstahl Die Erfindung betrifft ein.
Verfahren zur Herstellung von Nickelstahl, insbesondere von gegen Korrosion hochwiderstandsfähigen
Nickel- und Chrom-Nickel-Stählen von hoher Zugfestigkeit, welche in der Automobilindustrie
verwendet werden, feiner von Invarstahl, welcher etwa 35 % Nickel enthält, und von
rostfreien Chrom-Nickel-Stählen, von welchen jener mit etwa 18 % Chrom und
8 Nickel typisch ist. Die Erfindung betrifft insbesondere rostfreie Stähle, welche
neben Nickel hinreichend Chrom enthalten, um sie gegen Korrosion äußerst widerstandsfähig
zu machen, aber sie ist auch auf die Herstellung von anderen Nickelstählen anwendbar.
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Legierungsmetalle werden gewöhnlich in einen Stahl in der Weise eingeführt,
da.ß man dieselben in metallischem Zustande hinzufügt. So wird z. B. bei 'der Herstellung
von rostfreien Chrom-Nickel-Stählen das Chrom gewöhnlich in Form von Ferrochrom
zugegeben. Bei anderen Herstellungsverfahren legierter Stähle, die gewöhnlich als
dixekbe Verfahren bezeichnet werden, wird eine chemische Verbindung eines Legierungsmetalls
in Gegenwart eines Stahlbades reduziert und das Legierungsmetall auf diese Weise
dem Stahlbad einverleibt. Die direkten Verfahren haben besondere Bedeutung bei der
Herstellung von rostfreien Stählen erlangt, jedoch lediglich für die Einführung
des Chroms. Bei der Herstellung von Nickelstählen wird das Nickel stets in vorher
reduzierter Form, beispielsweise als handelsübliches reines Nickel oder als eine
Nickellegierung, hinzugefügt, selbst wenn das Chrom in den nämlichen Stahl durch
das direkte Verfahren eingeführt wird.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung betrifft nun ein direktes Verfahren
zur Einführung des Nickels unmittelbar aus dem Stein, indem man Nickelstein (Nickelsulfid)
mit Silicium in Gegenwart einer basischen Schlacke reduziert unter Zusatz von Stahlspänen
vor oder mach 'denn. Reduzieren. oder unter Verwendung eines Stahlbades während
der Reduktion: Das zur Reduktion des Nickelsteins verwendete .Silicium kann in Form
von käuflichem Silicium oder Ferrosilicium angewendet werden. In manchen Fällen
ist. es jedoch vorteilhaft, eine kohlenstofffreie Siliciumlegierung zu benutzen,
die selbst ein Legierungsmetall enthält, welches in den Stahl eingeführt werden
soll. Wenn daher Nickelsilidum oder Ferronickelsilicium zur Reduktion des. Nickelsteins
benutzt wird, trägt
sowohl -der Stein als auch das Reduktionsmittel
zum-Nickelgehalt des Stahls bei. Das Reduktionsrifttel kann auch andere Legierungsmetalle
=enthalten, -,beispielsweise Chrom neben .oder an Stelle von Nickel.. Besonders
wirtschaftlich gestaltet sich das Verfahren, wenn man erfindungsgemäß in einer ersten
Stufe Nickelstein und Kieselsäure in an -sich bekannter Weise mit Kohlenstoff zwecks
Bildung einer niedriggekohlten Nickel-Silicium-Legierung reduziert und dann in ,einer
zweiten Stufe eine weitere Menge von Nickelstein mit dieser Legierung in `Gegenwart
seiner basischen Schlacke reduziert.
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Das neue Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung von rostfreiem
Chrom-Nickel-Stahl, wobei erfindungsgemäß zur Reduktion des Nickelsteins Ferrocliromsilicium
mit mindestens 3o b/o Silicium verwendet wird und dem Nickelstein Chromit beigemischt
sein. -Wenn als Reduktionsmittel. Nickelsilicium oder Ferronickelsilicium verwendet
wird, mit wenig oder keinem Chrom, so ist @i Siliciümgehalt von 25 % gewöhnlich
angemessen.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen vor. allem. in der Erzielung einer
bedeutenden Ersparnis, :da die Kosten von metallischem Nickel, - bezogen
--auf die Gewichtseinheit, höher sind als jene einer äquivalenten Menge von
Nickel in Form des Steins.
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Die Reaktion zwischen Schwermetallsulfiden und Silicium unter Reduktion
der ersteren ist- an sich bekannt; jedoch findet sieb: keine Andeutung dafür, daß
die Reaktion für die direkte Herstellung von Ni&elstählen mit hinreichend geringem
Schwefelgehalt anwendbar ist, um den äußerst scharfen Anforderungen zu genügen.
Auch die Herstellung von Metallsiliciden durch Reduktion eines sulfidischen Erzes
(z. B. von Nickelsulfid) mit Kalk, Kieselsäure und Kohle zwecks Herstellung des
entsprechenden Me= tallsilicides ist bereits vorgeschlagen worden. Hierbei wird
also auch Nickelstein als Nickelträger benutzt, aber nicht unmittelbar eine siliciumarme
Eisen-Nickel-Legierung erhalten.
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Demgegenüber betrifft die Erfindung die Behandlung von Nickelsulfid
oder Nickelstein mit- einem auf beliebige Weise biergestellten Metallsilicid, und
zwar in solchen Mengenverhältnissen, daß ' Legierungen entstehen, welche das Nickel
aus dem Nickelstein als im wesentlichen silicium-, kohlenstoff- und schwefelfreies
-Metallenthalten.
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Es ist ferner vorgeschlagen worden, ein Metallsulfid mit einem MetallsZcid
zu behandeln, jedoch bei Mengenverhältnissen der reagierenden Stoffe und deren Zusammensetzung
sowie bei Verfahrensbedingungen, die von jenen gemäß der Erfindung völlig. verschieden
sind, so daß ein an Metallsulfid und Metallsilicid .angereichertes Erzeugnis, z.
B. in Form eines konzentrierten Steins, entsteht, während beim Verfahren. gemäß
der Erfindung sowohl der Schwefel als auch das Silicium entfernt werden, so daß
lediglich das Metall als solches gewonnen wird.
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Die- E.rfin;dung soll nunmehr in der Anwendung auf die Herstellung
von rostfreien Chroxn-Nickel-Stählen näher beschrieben werden, wobei sowohl das
Chrom als auch das Nickel durch ein direktes Verfahren eingeführt werden.
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Chromerz, Nickelstein und ein siliciumhaltiges Reduktionsmittel werden
verwendet und vorzugsweise so fein gemahlen, daß die Körner ,durch ein Achtmaschensieb,
d. h. ein Sieb mit einer- Maschenweite von a,36mxn, hindurchgehen. Es kann in manchen
Fällen vorteilhaft sein, die Ausgangsstoffe in zwei getrennte Chargen zu unterteilen,
deren eine aus Chromerz und siliciumhaltigem Reduktionsmittel und deren andere aus
Nickelstein und Reduktionsmittel besteht. Chromerz, Nickelstein und Reduktionsmittel
können auch zusammen beschickt werden. In jedem Falle werden die reduzierendem und
reduzierbaren Stoffe, gründlich vermischt. Als Flußmittel wird Kalk- zugesetzt,
und es kann in manchen Fällen ratsam sein, andere Flußmittel, wie z. B. Flußspat,
hinzuzufügen. Die Mischung wird in einen Elektroofen mit offenem Lichtbogen der
üblichen Art mit salcher Geschwindigkeit beschickt, daß die Schmehung in gleichmäßiger
Weise stattfindet und ständig ein flüssiges Schlackenbad -erbalten wird. Ein niedriggekohlter
Stahl kann in den Ofen eingesetzt werden, bevor das Schmelzen beginnt, entweder
durch Niederschmelzen von Stahlspänen und Entkohlung derselben, falls notwendig,
oder indem man dem Ofen aus einer Bessemerbirne oder einem Herdofen geschmolzenes
Metall zuführt.. Stahlspäne können auch wahlweise in: die Schmelzcharge einverleibt
oder sogar dem Ofen nach beendeter Schanelzting zugeführt werden.
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Um die Herstellung `einer. . niedriggeschwefelten Legierung- zu gewährleisten,
-ist es ratsam, mit einer Schlacke von beträchtlicher Bäsizität zu arbeiten. Ausgedrückt
in Verhältniszahlen von Ca-0 zu Si 02, ist es wünschenswert, ,dieses Verhältnis
bei mindestens - 2:1 zu halten; auch Verhältnisse von 3:1 oder höher können zufriedenstellend
verwendet werden: Im. Fällen, wo äußerst hohe Basizitätsgrade benutzt werden, ist
es vorteilhaft, den. Flüssigkeitsgrad der Schlacke durch Flußspatzuschläge zu regeln.
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Das folgende Beispiel veranschaulicht die Herstellung einer Schmelze
von rostfreiem Stahl .mit 18 % Cr und 8 % Ni. Dieses Beispiel
gibt
Aufschluß über die durch das verbesserte direkte Verfahren erzielbaren , Ergebnisse.
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Ein Stahlbad wurde in einem elektrischen Stahlofen, eingeschmolzen
und mittels einer oxydierenden Schlacke bis ,auf 0,02 % Kohlenstoff entkohlt. Der.
größte Teil der oxydierenden Schlacke wurde abgegossen, worauf eine andere Schlacke
hergestellt würde, indem man Kalk und etwas Flußspat zusammenschmolz. Eine Beschickung
der folgenden Zusammensetzung wurde dann in den Ofen gegeben: 141 Teile Chromerz,
34 Teile 7 5 °/o Ferrosilicium, i 5o Teile Kalk.
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Das Chromerz enthielt 3394 % Chrom. Ferrosilicium und Kalk waren von
handelsüblicher Beschaffenheit. Nach beendetem Einschmelzen dieser Beschickung wurde
eine nickelhaltige Beschickung der folgendem Zusammensetzung in den Ofen gebracht:
24 Teile Nickelstein, 6 Teile 75 °/o Ferro-Silicium, 3o Teile Kalk.
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Der Nickelstein enthielt 74,90% Nickel und 23,71 % SchwefeL
Nunmehr wurde die Schlacke abgezogen und ein Zusatz von 0,40 % Mangan in Form von
niedriggekohltem Ferromängan zum Stahl im Ofen gemacht, worauf eine Schlacke aus
Kalk und Quarzit zur Fertigstellung beschickt wurde. Der Stahl wurde unter dieser
Schlacke behandelt, indem man kleine Zusätze von 75%igem Ferrosilicium machte, bis
die Schlacke und das Metall gut desoxydiert waren. Der Stahl wurde dann in eine
Gießpfanne abgestochen, mit o,25 olo Silicium in Form von 5o%igem Ferrosilicium
behandelt und zu Blöcken vergossen.
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Die Analyse des Stahls war folgende:
| Cr % Ni % C % Mn % Si 17,58 7,93 o,o8 o,5z o,82 0,005 |
Die Schlacken waren genügend niedrig im Chrom- und Nickelgehalt, während 80 0to
des Chroms und
970/0 des Nickels im fertigen Metall wiedergewonnen wurden.
Im folgenden werden die mechanischen Prüfergebnisse -an .Prüfproben mitgeteilt,
welche von den Gußblöcken der oben beschriebenen Schmelze hergestellt.-wurden; die
Prüfproben wurden von ii5o°C abgeschreckt:
| Zerreißfestigkeit . . . . . . . . 78,75 kg/mm', |
| Fließgrenze .. .. .. .. .. .. . 22,4 |
| Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . 52 %, |
| Querschnittsverringerung 6o0/0, |
| Schlagarbeit . . . . . . . . .. .. 15,4 mkg/cm2, |
| Erichsenzahl ............ i2,5, |
| Brinellhärte............. 143. |
Diese Zahlen zeigen die ausgezeichnete Güte des Stahles.