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VERFAHREN ZUM ZUFÜHREN VON WÄRASENERGIE
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AN EISENSCHMELZEN Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Zuführen von Wärmeenergie an Eisenschmelzen, bei dem ein Brennstoff, vorzugsweise
Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoffe, zusammen mit Sauerstoff verbrannt wird.
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Im Rahmen der großtechnischen Stahlerzeugung sind heute im wesentlichen
zwei Wege bekannt, den Eisenschmelzen Wärme zuzuführen. Die eine Möglichkeit besteht
in der Anwendung von elektrischer Energie. Hauptsächlich haben sich der Elektro-Lichtbogen-und
Induktionsofen auf diesem Gebiet in der Praxis durchgesetzt.
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Der Nachteil dieser Stahlschmelz- und -aufheiztechnik besteht einmal
in der relativ langen Chargenfolgezeit- und zum anderen im hohen Preis für elektrische
Energie und der damit verbundenen geringeren Wirtschaftlichkeit.
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Bei dem zweiten Weg der Wärmezufuhr wird in einem Raum oberhalb des
Metallbades in einer oxidierenden Atmosphäre ein Brennstoff verbrannt, und die dabei
freiwerdende Wärme durch Wärmestrahlung, Konvektion oder Wärmeleitung dem Stahlbad
zugeführt.
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Auf dieser Grundlage arbeiten im wesentlichen die Herdfrisch-Stahlherstellungsverfahren,
wie z.B. das Siemens-Martin-Verfahren.
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Der größte Anteil an der Stahlproduktion wird heute nach den Konverterprozessen
erzeugt, bei denen man fast ausschließlich die Wärme ausnutzt, die durch die Verbrennung
der im Roheisen
vorhandenen Begleitelemente beim Frischen entsteht.
Dadurch können, je nach Zusammensetzung des Roheisens und bei Anwendung von reinem
Sauerstoff, etwa 20 bis 30 % des Chargengewichtes an Schrott während des Frischprozesses
mit eingeschmolzen werden.
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Bei der Konverterstahlerzeugung ist man daran interessiert, den Schrottsatz,
abhängig vom Preis und der Verfügbarkeit'des Schrottes, zu erhöhen. Hierzu haben
sich zwei Verfahren in die Betriebspraxis eingeführt. Der Schrott wird vor dem Einfüllen
des Roheisens im Konverter vorgeheizt. Hierdurch gelingt es, einerseits den Schrottsatz
bis auf maximal ca. 8 96 zu steigern, andererseits ist damit der Nachteil einer
verminderten Produktivität und ein höherer Verschleiß an Feuerfest-Material verbunden.
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Der zweite Weg besteht in einer Nachverbrennung von Kohlenmonoxid
im Konverterraum. Das CO entsteht während des Frischprozesses im Eisenbad. Die-relativ
kurze Frischzeit und die zur Schonung der feuerfesten Konverterzustellung einzuhaltende,
maximale Abgastemperatur, begrenzen letztlich die Erhöhung des Schrottsatzes auf
etwa 3 9'.
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Die Zugabe von Brennstoff, wie z.B. Kohle, in das Eisenbad, den man
durch Einleiten von entsprechenden Sauerstoffmengen verbrennt, ergibt keinen Gewinn
an ausnutzbarer Wärme, da die Reaktionswärme, die bei der Verbrennung unter den
üblichen Bedingungen bei der Stahlherstellung entsteht, gerade ausreicht, um das
Reaktionsgas dieser Verbrennung, vorzugsweise CO und H2, auf die Temperatur des
flüssigen Stahles im Konverter aufzuheizen.
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Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu
schaffen, das es ermöglicht, unter den Bedingungen, wie sie in einem üblichen Frischgefäß
für Stahlschmelzen herrschen, dem Eisenbad Wärme durch die Verbrennung von einem
Brennstoff, vorzugsweise Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoffe, zusammen mit Sauerstoff,
zuzuführen.
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Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf dem Verfahren, gemäß der vorliegenden
Erfindung, daß kohlenstoffhaltige und/oder kohlenwasserstoffhaltige Substanzen zusammen
mit Sauerstoff verbrannt und die Verbrennungsgase, die mindestens teilweise aus
C02 und H20 bestehen, in innigen Kontakt mit einem Eisenbad, dessen Kohlenstoffgehalt
höchstens ca. 0.10 9' beträgt, gebracht werden. Es hat sich nämlich überraschenderweise
gezeigt, daß es entgegen der bisher allgemeinen Meinung in einem Eisenbad Bedingungen
gibt, unter denen ein Verbrennungsgas entsteht, das einen wesentlich höheren Oxidationsgrad
besitzt als es dem Gleichgewichtszustand mit der Schmelze entspricht.
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Gemäß dieser erfinderischen Lehre wird es möglich, den Brennstoff,
vorzugsweise Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoffe, mit Sauerstoff im Eisenbad
zu einem hohen Prozentsatz zu C02 und H20 zu verbrennen, und bei dieser Oxidationsstufe
wird über die Wärmemenge zum Aufheizen der Keaktionsgase weitere Wärmeenergie freigesetzt,
die zum Aufheizen der Eisenschmelze dient.
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Besonders vorteilhaft ist es, den Brennstoff und den Sauerstoff durch
entsprechende Brenner zuzuführen, die in der feuerfesten Ausmauerung unterhalb der
Badoberfläche angebracht sind.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Brenner und ihre Anordnung
beschränkt. Beispielsweise kann auch mit Brennern gearbeitet werden, die das Verbrennungsgas
mit hohem Impuls auf das Bad richten, und es damit in die Schmelze eindringen lassen.
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Überraschenderweise ist es beim Einleiten der Brennstoffe und des
Sauerstoffs in eine Eisenschmelze mit den genannten Brennern möglich, daß bei einem
Eisenoxidgehalt der Schlacke von etwa 10 bis 15 9', der einem Sauerstoffgehalt des
Bades von etwa 0.05 96 entspricht, ein Abgas das Stahlbad verläßt, das zu ca.
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50 % aus CO2 besteht. Unter Gleichgewichtsbedingungen entspricht diesem
Sauerstoffgehalt der Schlacke und des Bades ein CO2-Gehalt im Abgas von etwa 7 9'.
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Bei höherem Sauerstoffgehalt in der Schmelze, der mit entsprechend
niedrigem Kohlenstoffgehalt verbunden ist, gibt es also Bedingungen, die eine Reduktion
der oxidierend wirkenden Abgase weitgehend verhindern, wobei jedoch die Wärme aus
dem Verbrennungsprozeß an das Bad übertragen wird.
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Als Brennstoffe können alle kohlenstoff- und kohlenwasserstoffhaltige
Substanzen verwendet werden, wobei jedoch den Brennstoff fen mit hoher Verbrennungswärme
der Vorzug zu geben ist. Es können z.B. gemahlene Kohle oder Koks, einschließlich
Braunkohle und Braunkohlen-Koks, eingesetzt werden. Als flüssige Kohlenwasserstoffe
sind beispielsweise Heizöl, schweres Heizöl oder bei der Raffination von Erdöl anfallende
Schwerölfraktionen zu verwenden. Es lassen sich jedoch auch gasförmige Kohlenwasserstoffe,
wie z.B. Erdgas, Propan, Koksofengas oder ähnliche Substanzen, einsetzen.
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Zur näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt Figur
1 den C02-Gehalt im Konverterabgas, in Relation zum Eisenoxidgehalt der Konverterschlacke.
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Die in der Figur 1 dargestellten Zusammenhänge sind das Ergebnis der
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Konverter mit einem Eisenbad
von ca. 1 t. In diesem Konverter sind unterhalb der Eisenbadoberfläche schweres
Heizöl und
Sauerstoff, im Verhältnis 1.2 Nm3O auf 1 1 01, zugeführt
2 worden. Aus der Abbildung ist zu entnehmen, daß das Verfahren zwar bereits bei
einem Eisenoxidgehalt der Schlacke von etwa 5 9', bei dem der Kohlenstoffgehalt
im Stahlbad bei etwa 0.10 % liegt, angewendet werden kann, der wärmetechnische Wirkungsgrad
dann jedoch erst etwa 20 % beträgt. Eine starke Wärmeausbeute und damit einen optimalen
Wirkungsgrad erzielt man erst, wenn der Eisenoxidgehalt der Schlacke im Bereich
von etwa 10 96 und darüber liegt. Das bedeutet, daß das Hauptanwendungsgebiet gemäß
der vorliegenden Erfindung bei Stahlschmelzen liegt, deren Kohlenstoffgehalt 0.05
96 oder weniger beträgt. Es gehört deshalb auch zum Wesen der vorliegenden Erfindung,
für eine optimale Ausnutzung der Wärmeenergie den Kohlenstoffgehalt erst auf niedrige
Gehalte im Bereich von etwa 0.05 % abzusenken, bevor die erfindungsgemäßen Maßnahmen
zur Zuführung von Wärme angewendet werden.
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Es ist für die Erfindung von wesentlicher Bedeutung, daß der Brennstoff
und der Sauerstoff zuerst unter weitgehender Oxidation des Brennstoffes reagieren.
Aus diesem Grund ist es erforderlich, den Brennstoff und den Sauerstoff über Vorrichtungen
einzuleiten, die zuerst eine Reaktion des Brennstoffs mit dem Sauerstoff gewährleisten.
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Es kann zweckmäßig sein, unabhängig von der Aufheizung über die in
das Metallbad eintauchende Flamme, für metallurgische Reaktionen kohlen- oder kohlenwasserstoffhaltige
Medien zusätzlich getrennt in das Eisenbad oder die Schlacke einzuleiten. Diese
Maßnahme kann bedeutungsvoll sein, wenn einerseits der oder die Brenner unter Bedingungen
betrieben werden, die für den Aufheizvorgang optimal sind, bei denen jedoch eine
Veränderung der Zusammensetzung des Stahlbades zu einem höheren Oxidationsgrad vermieden
werden soll. Die getrennte Einleitung von kohlenstoffhaltigen Substanzen
ermöglicht
es, den Oxidationsgrad der Schmelze auf einem definierten Zustand zu halten und
trotzdem den Wärmezuführungsprozeß so zu führen, daß er mit optimalem Wirkungsgrad
betrieben werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht nur hervorragend
zur Erhöhung des Schrottsatzes und zum Einschmelzen anderer Kühlmittel, wie beispielsweise
Erz und Eisenpellets, bei den üblichen Konverterprozessen, sondern bietet darüber
hinaus die Möglichkeit, ein kontinuierliches Stahlerzeugungsverfahren zu betreiben.
Dabei kann in einem beliebig gestalteten Frischgefäß zunächst eine Roheisenschmelze
auf den erfindungsgemäßen, tiefen Kohlenstoffgehalt von < oder gleich 0.1 % eingestellt
werden, der man dann kontinuierlich Eisenträger, beispielsweise Schrott, Pellets,
Erz und Mischungen davon, zuführt. Um diese Eisenträger aufzuschmelzen, werden dem
Stahlbad entsprechende Mengen von Brennstoff und Sauerstoff zugeleitet.
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Die Erfindung wird nun anhand von Anwendungsbeispielen und einer prinzipiellen
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert.
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Figur 2 zeigt schematisch den Schnitt durch einen 30 t-Konverter zur
Durchführung des Verfahrens.
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Es handelt sich um einen üblichen symmetrischen Konverter mit der
Blechummantelung [1] und einer feuerfesten Ausmauerung [2] mit einem auswechselbaren
Boden [3], in den Düsen [4] in der feuerfesten Ausmauerung eingebaut sind. Die Düsen
[4] sind vorzugsweise aus konzentrischen Rohren aufgebaut. Mindestens bilden zwei
Rohre [5, 6] eine Düse [4]. Dabei dient das innere Rohr [5] für die Sauerstoffzufuhr,
und durch den Ringspalt zwischen Rohr [5] und [6] strömt während des Frischvorganges
ohne Brennstoffzufuhr ein Schutzmedium, und bei genügend tiefem Kohlenstoffgehalt
der
Schmelze kann dieses Schutzmedium, beispielsweise Propan, durch
einen Brennstoff, beispielsweise Heizöl, ersetzt werden.
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Dieser Düsenaufbau stellt die einfachste Form einer kombinierten Frisch-Brenner-Düse
dar. Häufig sind diese Düsen aus mehr als zwei konzentrischen Rohren aufgebaut und
weisen, insbesondere bei kontinuierlicher Brennstoffzufuhr, einen gesonderten Ringspalt
für die Brennstoffzufuhr auf.
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Ein 30 t-Konverter gemäß Abbildung 2, war mit 6 Düsen [4] ausgerüstet.
Wie bereits gesagt, strömte durch das Innenrohr [5] der Düse [4] Sauerstoff und
durch den Ringspalt zwischen Innenrohr [5] und Außenrohr [6] während der Frischperiode
Propan als Schutzmedium für diese Frischdüse. Die Propanmenge betrug 3 Vol-%, bezogen
auf die Sauerstoffmenge.
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Die Versorgung der Düsen mit Propan erfolgte in bekannter Weise mit
einem nicht-dargestellten Regelventil, das je Düse einen separaten Ausgang hat und
so in der Lage ist, an jede Düse die gleiche Propanmenge zu liefern. Für die nach
dem Frischen einsetzende Aufheizperiode wurde der Eingang des gleichen Regelventiles
von der Propanversorgung abgesperrt und an die Ölversorgung angeschlossen. Es wurde
beispielsweise leichtes Heizöl mit einem Heizwert von 10 000 kcal/kg und einem C/H-Verhältnis
von 12:2 eingesetzt. Der Vordruck des Öls wurde so gewählt, daß bei dem gewünschten
Öldurchsatz von 60 kg/min das Ventil im günstigsten Regelbereich arbeitete und eine
Gleichverteilung des Öls auf die einzelnen Düsen gewährleistete. Der Vordruck des
Öls betrug 12 atü vor und 5 atü hinter dem Regelventil.
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20 Sekunden vor dem Ende der Aufheizperiode wurde die Öl zufuhr abgesperrt
und wieder Propan von 8 atü auf das Regelventil gegeben. Es dauerte etwa 20 sek
bis das Öl aus den Leitungen verdrängt und damit quantitativ verbraucht war. Das
eingesetzte Öl
war auf 600C vorgewärmt, damit die Propanrohrleitungen
nicht abkühlten. Mit dieser Maßnahme wurde einer eventuellen Propangaskondensation
vorgebeugt.
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Mit der beschriebenen Brennstoffzugabetechnik sind in dem genannten
30 t-Konverter beispielsweise die im folgenden beschriebenen zwei Chargen erzeugt
worden.
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Bei der ersten Schmelze hat man den Schrottsatz gegenüber der üblichen
Betriebspraxis bei der Stahlerzeugung, um 4 % höher gewählt. Die Endtemperatur der
Charge lag bei einer Analyse von C = 0.03 % und P = 0.040 % = erwartungsgemäß zu
niedrig 0 und betrug nur 1550 C. Die Charge wurde abgeschlackt und danach gemäß
der vorliegenden Erfindung aufgeheizt. Während dieser Nachbehandlung, die 3 min
dauerte, wurden durch im Konverter angebrachte Bodendüsen 120 kg Heizöl und 180
Nu302 zu-2 sammen mit 300 kg Kalk zugegeben. Am Ende dieser Nachbehandlung war die
Temperatur der Charge von 1550 auf 16500C gestiegen, was der gewünschten Abstichtemperatur
entsprach. Der Eisengehalt der Restschlacke war nur von 14 % auf 17 % gestiegen.
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Die Aufheizung der Charge war also fast ausschließlich auf die Ausnützung
der Verbrennungswärme des eingesetzten Reizöls zurückzuführen. Das bestätigten auch
die während der Nachbehandlung aus dem Konverter entnommenen Gasproben, die auswiesen,
daß das Verhältnis von C02/CO+C02 im Abgas im Durchschnitt etwa 0.5 % betrug. Daraus
errechnet sich, unter Berücksichtigung der Abgasverluste, ein Wärmewirkungsgrad
von mehr als 50 9', was mit der erreichten Temperaturerhöhung gut übereinstimmt.
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Bei dem zweiten Anwendungsbeispiel wurde im gleichen Konverter bei
den gleichen Startbedingungen eine Steigerung des Schrottsatzes um 12 96 erreicht.
Vorab wurde, wie im Beispiel zuvor, ein um 4 96 erhöhter Schrottsatz eingestellt
und die Charge
wie zuvor bei einer Temperatur von 15500C umgelegt
und abgeschlackt. Abweichend von der zuvor beschriebenen Praxis, wurde diese Charge
6 min derart nachbehandelt, daß während dieser Nachbehandlung insgesamt 360 kg Heizöl,
540 Nu302 und 300 kg 2 Staubkalk durch die Bodendüsen eingeblasen wurden. Etwa 1
min nach Beginn der Nachbehandlung wurden zusätzlich 2.5 t Schrott in Form von Blockabschnitten
in den Konverter chargiert. Nach der 6-minütigen Nachbehandlung war der zusätzlich
eingesetzte Schrott vollständig aufgeschmolzen und eine Endtemperatur von 16500C
erreicht. Die Schlackenanalyse war mit der des vorigen Beispiels vergleichbar. Das
Nachchargieren des Schrotts, wie hier beschrieben, ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.
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Die gesamte Schrottmenge kann bereits vor Beginn des Frischens zugesetzt
werden. Das erfindungsgemäße Aufheizen erfolgt jedoch erst, wenn gegen Ende des
Frischprozesses der für das Verfahren erforderliche, höhere Sauerstoffgehalt in
der Schmelze erreicht ist.
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Die weiteren Beispiele, die die Fortentwicklung der beschriebenen
Erfindung betreffen, zeigen, wie vielfältig das Verfahren eingesetzt werden kann.
Das folgende Beispiel betrifft die Anwendung des Verfahrens zum kontinuierlichen
Einschmelzen von Schrott.
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In einem Eisenbad mit der erfindungsgemäßen Zuführung von Wärme werden
weitgehend kontinuierlich Schrott oder reduzierte Pellets chargiert. Der Schrott
oder die Pellets können zum Teil durch die Abgase vorgewärmt werden. Das Verfahren
läßt sich in zwei Varianten betreiben. Von einem gewissen Eisensumpf ausgehend,
den man beim Abstich einer Charge im Konverter beläßt, kann jeweils so viel Schrott
eingeschmolzen werden, bis in einem Schmelzgefäß1 beispielsweise einem Konverter,
so viel Stahl eingeschmolzen ist, wie für den Abstich einer Schmelze erforderlich.
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Das Verfahren kann jedoch auch kontinuierlich betrieben werden, indem
in einem vorzugsweise beheizten Zwischenbehälter der Stahl aus dem Aufheizgefäß
in dem Maße abfließt, wie Schrott zuchargiert wird. Zusammen mit dem Sauerstoff
bläst man bei beiden Verfahrensvarianten den für die Schlackenbildung benötigten
Kalk pulverförmig ein. Das Verfahren eignet sich besonders zum Einschmelzen von
reduzierten Pellets, weil durch die mit dem Einleiten der Verbrennungsgase verbundene
kräftige Badbewegung die Pellets sehr schnell aufschmilzt.
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Auch der als Gangart bei den Pellets vorhandene oxidische Anteil,
der im wesentlichen aus Kieselsäure besteht, stört bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
nicht, da sich durch das Einblasen von staubförmigem Kalk in.einfacher Weise die
richtige Schlackenzusammenstellung einstellen läßt.
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Das nächste Beispiel betrifft die Anwendung des neuen Verfahrens zur
direkten Herstellung von Stahl aus Erz. In diesem Fall wird in ein Eisenbad, das
erfindungsgemäß aufgeheizt wird, Erz kontinuierlich zugegeben. Dieses Erz kann vorgewärmt
oder zum Teil auch vorreduziert sein, um den Wirkungsgrad des Prozesses noch weiter
zu steigern. Zu diesem Zweck können beispielsweise die Abgase dieses Prozesses verwendet
werden. Auch die für die metallurgischen Reaktionen erforderlichen Schlackenbildner
werden über die Düsen, eventuell über die Brenner, dem Bad zugeführt. Um eine Überoxidation
des Bades zu verhindern, kann es zweckmäßig sein, kohlenstoffhaltige Substanzen
unabhängig von dem Brenner getrennt dem Bad oder der Schlacke zuzuführen. Es ist
jedoch auch bei dieser Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahren erforderlich, daß
der Sauerstoffgehalt im Bad selbst für die Anwendung zur Reduktion von Erzen in
einem Bereich von etwa 0.05 % eingestellt wird.
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Das Verfahren wurde bisher für die Anwendung bei Eisenschmelzen beschrieben.
Es ist jedoch nicht auf diese Anwendungen beschränkt. Es kann auch bei anderen Metallen
sinngemäß angewendet werden.-