Titel: | Ueber das Frischen des Roheisens auf Schmiedeeisen und Stahl nach Bessemer's Verfahren; vom Ober-Bergingenieur Gruner. |
Autor: | Gruner |
Fundstelle: | Band 161, Jahrgang 1861, Nr. XXXVIII., S. 120 |
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XXXVIII.
Ueber das Frischen des Roheisens auf
Schmiedeeisen und Stahl nach Bessemer's Verfahren; vom
Ober-Bergingenieur Gruner.
(Schluß von S. 53 des vorhergehenden
Heftes.)
Gruner, über Bessemer's Verfahren zum Frischen des
Roheisens.
Gestehungskosten. – Nach dem Vorhergehenden ist es
einleuchtend, daß die Gestehungskosten des Bessemer'schen
Schmiedeeisens und insbesondere des Stahls nicht bedeutend seyn können. Außer dem
Abfall kommen eigentlich nur die Kosten der Handarbeit und der Winderzeugung in
Betracht; die übrigen Kosten sind verhältnißmäßig unbedeutend, besonders wenn man
das Roheisen direct dem Hohofen entnimmt.
Bessemer glaubt, daß im District der Rotheisensteine
(Cumberland und Lancashire), wenn man das Roheisen direct dem Hohofen entnimmt, die Gestehungskosten des
Stahls nicht über 4 Pfd. Sterl. betragen können, also
100 Francs die Tonne, bei einem Preise des Roheisens von 2 Pfd. Sterl. 10 Sh. bis 3
Pfd. St.
Zu Woolwich aber, wo das Brennmaterial, das Roheisen und die Handarbeit theurer sind,
betrugen die Gestehungskosten des Stahls durchschnittlich 6 Pfd. St. 10 Shill., bei
einem Roheisenpreise von 3 Pfd. Sterl. 11 Sh. bis 3 Pfd. St. 15 Sh.
Die Gestehungskosten des Schmiedeeisens berechnen sich
annähernd wie folgt:
Pfd. St.
Sh.
Pfd. St.
Sh.
Roheisen, bei einem Abfall von 20 bis 25 Proc.
4
10
bis
4
15
Kosten des Umschmelzens im Kupolofen
„
5
„
5
Wind, Handarbeit, feuerfeste
Materialien, verschiedene und allgemeine
Kosten
1
10
1
10
––––––––––––––––––––––––––––
Im Ganzen:
6
5
bis
6
10
Schlußfolgerungen. – Nach dem Vorstehenden dürfte
in der Fabrication des Gußstahls, und zum Theil in derjenigen des Schmiedeeisens, in
der nächsten Zeit eine gänzliche Umänderung eintreten. Der Gußstahl ließe sich zu
sehr vermindertem Preise erzeugen. Alles Roheisen, welches weder Schwefel noch
Phosphor enthält, selbst solches welches wenig Mangan enthält, kann man im Bessemer'schen Apparat leicht auf Gußstahl verfrischen.
Insbesondere in Frankreich verdient diese neue Methode studirt zu werden, denn in
der Franche-Comté, im Berri, Périgord und in den Pyrenäen wird
ein für dieselbe vorzüglich geeignetes Holzkohlen-Roheisen erzeugt.
Theoretische Betrachtungen über das
Bessemer'sche Verfahren.
Zwei Thatsachen sind bei der neuen Frischmethode besonders auffallend: die hohe
Temperatur welche in Abwesenheit jedes kohlehaltigen Brennmaterials hervorgebracht
wird, und der rasche Verlauf des Frischens.
Ursachen der hohen Temperatur. – Bei der Bessemer'schen Methode wird das Roheisen im geschmolzenen
Zustande in die Retorte eingeführt, also mit beiläufig 1600° C.; nachdem das
Einströmen des gepreßten Windes einige Minuten gedauert hat, ist die Temperatur
schon hoch genug um den Stahl und sogar das Schmiedeeisen in flüssigem Zustande zu
erhalten, was respective 1800° und 2000° C. voraussetzt.
Indem die Luft durch das Roheisen dringt, oxydirt sie direct das vorwaltende Metall;
außer dem Eisen werden auch der Graphit und das Silicium verbrannt, da diese aber
nur in geringem Verhältniß vorhanden sind, so wird die Wärme hauptsächlich durch die
Verbrennung des Eisens erzeugt.
Wenn man eine Charge von 1000 Kilogr. Roheisen anwendet, so ist dasselbe in zehn
Minuten in Stahl umgewandelt, wobei der Abfall 12 bis 15 Proc. beträgt, von denen
beiläufig 10 Proc., also 100 Kil., Eisen sind. Nun läßt sich leicht zeigen, daß die
so entwickelte Wärme mehr als hinreichend ist, um das Eisen auf 1800 bis
2000° zu bringen.
Nach Dulong entwickelt 1 Liter Sauerstoffgas, indem es
Eisen verbrennt, 6216 Wärme-Einheiten, oder 1 Grm. Sauerstoff 4327
Einheiten.20)
Nach Desprez hätte man sogar 5325 Einheiten.21)
Wir werden die niedrige Zahl annehmen, weil bei den calorimetrischen Versuchen das
Eisen in Oxyduloxyd oder sogar in Oxyd übergeht, während im Bessemer'schen Apparat das Eisen hauptsächlich als Oxydul mit Kieselerde
verbunden zurückbleibt, und man nicht wissen kann in welchem Verhältniß die
Wärmemengen stehen, welche nacheinander durch die stufenweise Bildung der
verschiedenen Oxyde entwickelt wurden. Selbst wenn man die Ziffer von Dulong annimmt, wird man daher eine zu hohe Zahl finden;
da ich aber bei der Berechnung der entwickelten Wärme-Einheiten die Wärme
vernachlässige, welche durch die Verbrennung des Graphits und des Siliciums
geliefert wurde, so muß ich als Endresultat vielmehr eine zu geringe Wärmemenge
erhalten.
Die 10 Kil. Eisen erfordern, um sich in Oxydul zu verwandeln, 2,85 Kil. Sauerstoff,
und entwickeln folglich 2,85 × 4327 = 12332 W. E.
In 10 Minuten wird man also 123320 W. E. haben.
Diese Wärme dient hauptsächlich um das Eisen, die Schlacken und den Stickstoff auf
1800° zu bringen. Da man die specifische Wärme der Schlacken nicht kennt und
das zurückbleibende metallische Eisen neun Zehntel der Gesammtmasse bildet, so kann
man ohne großen Irrthum annehmen, daß die absorbirte Gesammtwärme gleich derjenigen
ist, welche erforderlich ist, um die 1000 Kil. Eisen auf 1800° zu bringen,
plus derjenigen welche nöthig ist um die ganze Luft,
und nicht mehr bloß den Stickstoff, ebenfalls auf 1800° zu erhitzen.
Für das Eisen dessen Temperatur vorher schon 1600° beträgt, hat man:
W. E.
1000 × 0,13 × 200°
= 13000*
Für die Luft von
anfänglich 0°:
28k,5 × (1000/231) × 0,26
× 1800°
= 57754
–––––––––––
Im Ganzen:
70754
Die Differenz zwischen 70754 und 123320 ist groß genug, um die Wärmeverluste welche
durch directe Strahlung und durch die Wände der Retorte stattfinden können,
reichlich auszugleichen, besonders wenn man berücksichtigt, daß die Wärme sich
mitten in der Eisenmasse auf dem Wege der die Verbrennung bewirkenden 25
Luftstrahlen entwickelt.
Während der folgenden zehn Minuten wird noch eine gleiche Wärme erzeugt, wogegen die
absorbirte Wärme nur um diejenige zunimmt, welche erforderlich ist um die Luft von
1800 auf 2000° zu bringen, also um 28,5 × (1000/231) × 0,26
× 200 = 3817 Wärmeeinheiten. Man wird also im Ganzen 74571 W. E. anstatt
70754 haben; diese geringe Differenz kann aber das weiche Eisen nicht verhindern
ebenfalls im geschmolzenen Zustande zu verbleiben.
Allerdings könnte man sehr gut durch die Roheisenmasse einen Ueberschuß von Luft
treiben, was eine stärkere Wärmeabsorption zur Folge hätte. Es ist einleuchtend, daß
dieß besonders dann eintreten kann, wenn man eine zu geringe Roheisencharge anwendet
und wenn der Luftstrom nicht hinreichend zertheilt ist.
Uebrigens ist bei Anwendung schwacher Roheisenchargen (unter 100 bis 200 Kil.), die
durch die Wände der Retorte absorbirte Wärme, oder im Allgemeinen der Wärmeverlust,
verhältnißmäßig größer; unter diesen Umständen wird es auch offenbar schwierig seyn,
die Bildung von Klumpen zu verhüten. Ohne Zweifel aus diesem Grunde empfiehlt Bessemer mit großen Massen zu operiren, und in seiner
Abhandlung schreibt er sogar das Mißlingen seiner ersten Versuche nicht minder den
kleinen Chargen als dem Schwefel- und Phosphorgehalt des Roheisens zu. Bei
Anwendung kleiner Chargen kam es auch oft vor, daß der Abfall bis auf 40 Proc.
stieg. Ueberdieß wurde bei jenen Versuchen der Wind an den Seiten des Ofens und durch
größere und weniger zahlreiche Düsen eingetrieben, was offenbar die vollständige
Absorption des Sauerstoffs und diejenige der erzeugten Wärme schwieriger machte.
Hieraus folgt also, daß hinsichtlich der entwickelten Wärme das Bessemer'sche Verfahren nothwendig um so besser gelingen muß, je höher
(zwischen gewissen Grenzen) die flüssige Roheisensäule und je größer also die
Windpressung ist; dann auch, je mehr der Wind in dünne Strahlen zertheilt ist.22)
Es wäre interessant zu wissen, ob unter den oben erörterten Umständen ein Ueberschuß
von Wind vorhanden ist oder nicht. Man könnte diese Frage beantworten, wenn es
möglich wäre das eingetriebene Volum genau zu berechnen. Aber der Querschnitt der
Düsen wird durch Verstopfungen mehr oder weniger verengt und die Spannung des Windes
durch den Druck des Roheisens mehr oder weniger aufgehoben. Man müßte also, um die
Frage zu lösen, eine Analyse der aus der Retorte entweichenden Gase vornehmen. In
Ermangelung einer solchen wollen wir versuchen uns durch eine Berechnung Aufklärung
zu verschaffen.
Die Pressung des Windes beträgt im Mittel 2 Atmosphären, also 1 Atmos. über den
gewöhnlichen Luftdruck. Bei Anwendung einer Charge von 1000 Kil. entspricht, wie wir
gesehen haben, die flüssige Roheisensäule beiläufig 1/3 Atmosphäre; in
Berücksichtigung der anderen Hindernisse welche noch zu überwinden sind, muß aber
der Gesammtverlust sicher 1/2 Atm. ausmachen. Die Spannung, womit der Wind
aufsteigt, beträgt folglich höchstens 1/2 Atmosphäre. Hiernach findet man, daß die
25 Düsen von 6 Millimeter Querschnitt per Minute ein
Luftvolum liefern müssen, welches auf 0° und 0,76 Met. Barometerstand
reducirt, 13,5 Kubikmeter betragen und dessen Gewicht 17,55 Kil. seyn würde.
Andererseits entsprechen die per Minute vom Eisen
absorbirten 2,85 Kil. Sauerstoff 12,34 Kil. Luft, und wenn man dazu das Gewicht der
Luft rechnet, welche den Sauerstoff lieferte, der von den 2 bis 5 Kil. Graphit und
Silicium absorbirt wurde, so kommt man nahezu auf die oben gefundene Ziffer.
Hiernach scheint es, daß wenig Sauerstoff der Verbrennung entgehen kann, und dieß ist
auch einleuchtend, da bei einer so hohen Temperatur das Roheisen von einer Reihe
dünner Luftstrahlen durchdrungen wird.
Ursachen des raschen Frischens. – Wir wollen nun
sehen, durch welche Reactionen das Roheisen in so kurzer Zeit gefrischt werden
kann.
Erstens ist keine Kohle vorhanden, welche gerade beim gewöhnlichen Frischen in Herden
dem oxydirenden Einfluß der Luft und der Schlacken unaufhörlich entgegenwirkt.
Ferner ist die Temperatur so hoch und die Vermischung des Roheisens mit der Luft so
innig, daß dasselbe offenbar viel rascher und gleichförmiger oxydirt werden muß, als
durch das unvollkommene Umrühren des Puddlers auf der Flammofenfohle. Im letztern
Falle muß die Schlacke, damit sie sich mit dem Roheisen mischen und auf dasselbe
einwirken kann, nur halbflüssig und folglich auf einer verhältnißmäßig nicht hohen
Temperatur seyn; wogegen im Bessemer'schen Apparat die
stürmische Bewegung, welche dem Metall durch die 25 Windstrahlen mitgetheilt wird,
Schlacke und Roheisen unaufhörlich mischt, ungeachtet ihrer höchsten Flüssigkeit und
ihrer verschiedenen Dichtigkeit. Die Reactionen sind folglich im letztern Falle
lebhafter und kräftiger.
Wir wollen nun annehmen, das verwendete Roheisen enthalte weder Schwefel noch
Phosphor. Das Eisen wird durch die Luft oxydirt, und mit ihm, theils direct, theils
hauptsächlich indirect
23) , das Silicium und der Kohlenstoff, aber zuerst vorzugsweise das Silicium,
wegen der Verwandtschaft der Kieselerde zum Eisenoxydul. Da überdieß das
überschüssige Eisenoxydul die Wände der Retorte stark angreift, so bildet sich ein
basisches Silicat von Eisen und Thonerde. Nachdem das Silicium oxydirt ist,
verschwindet auch der Kohlenstoff durch die Einwirkung der basischen Schlacke, wie
beim Puddeln auf Stahl, und das Product wird daher mehr oder weniger gekohltes Eisen
seyn, je nach der Dauer der Operation, also entweder harter Stahl, oder weicher
Stahl, stahlartiges Eisen oder sogar weiches Eisen. Einige Minuten mehr oder weniger
sind dazu hinreichend, denn die Entkohlung erfolgt noch rascher als beim Puddeln auf
Stahl.
Wenn das Roheisen Mangan enthält, so oxydirt sich dieses
zum Theil direct wie das Eisen, aber hauptsächlich indirect durch das Eisenoxyd. Das
Manganoxyd, als starke Vase, muß auch die Abscheidung des Siliciums beschleunigen.
Das viel Silicium enthaltende Roheisen wird also leichter zu verfrischen seyn, wenn es zugleich
Mangan enthält. Aber die Gegenwart dieses Metalls ist bei der Bessemer'schen Methode nicht durchaus nothwendig, wie die Resultate mit
dem Roheisen von Cumberland beweisen, welches aus Rotheisensteinen erblasen ist, die
in der Regel sehr wenig Mangan enthalten.
Der Phosphor wird bei der neuen Methode nicht
ausgeschieden, und selbst das Mangan scheint dessen Abscheidung nicht zu
erleichtern, weil das englische Roheisen, welches aus den im Steinkohlengebirg
vorkommenden Eisenerzen erblasen ist, die alle Phosphor und viel Mangan enthalten,
stets schlechte Resultate gab.
Der Phosphor könnte nur in Form von phosphorsaurem Eisen oder Mangan ausgetrieben
werden; das phosphorsaure Eisen wird aber durch das metallische Eisen zu
Phosphormetall reducirt, und dieß ist auch sehr wahrscheinlich bei dem
phosphorsauren Mangan der Fall. Beim Frischen in Herden oder Feuern und im
Puddelofen geht ein Theil des Phosphors in die Schlacken über, weil die Berührung
zwischen letzteren und dem Eisen weniger innig und die Hitze nicht so groß ist; wenn
aber das Eisen selbst geschmolzen und durch den Wind unaufhörlich mit der Schlacke
vermischt wird, so muß es nothwendig sehr kräftig auf das momentan gebildete
phosphorsaure Salz einwirken. Die hohe Temperatur wird überdieß die Verwandtschaft
der Phosphorsäure zum Eisenoxyd eher vermindern als verstärken.
Bei dem gegenwärtigen Standpunkte des Bessemer'schen
Verfahrens wird es also schwierig seyn, phosphorhaltiges Roheisen, selbst wenn es
Mangan enthält, zugutezumachen.
Der Schwefel ist auch nicht leicht abzuscheiden.
Bekanntlich wird das Schwefeleisen durch das Eisenoxydul nicht zersetzt und noch
weniger durch dessen Silicat. Unter dem directen Einfluß des Windes entweicht sehr
wahrscheinlich ein Theil des Schwefels als schweflige Säure; aber dieses Gas wird
ebenfalls durch das Eisen zersetzt, so daß das Austreiben des Schwefels sehr
unvollkommen ist. Wegen der hohen Temperatur und der innigen Vermischung des
Roheisens mit der Schlacke verhält es sich mit dem Schwefel wie mit dem Phosphor;
seine Abscheidung ist im Bessemer'schen Apparat sicher
schwieriger als im Frischherd und Puddelofen.
Die Frischschlacken enthalten fast immer Schwefel, welcher sich darin wohl nur in
Form von Oxysulfureten oder von Sulfosilicaten befinden kann. Die Oxysulfurete sind
jedoch wenig beständige Verbindungen und müssen bei einer hohen Temperatur durch das
Silicat und das Metall zersetzt werden; das Sulfosilicat oder Doppelsulfuret von Eisen und Silicium24) aber kann dem gemeinschaftlichen Einflusse des Eisens und des Windes nicht
widerstehen, es entsteht gewöhnliches Silicat und der Schwefel muß sich neuerdings
mit dem Eisen verbinden. Abgesehen von der geringen Menge Schwefel, welcher in Form
von schwefliger Säure oder Schwefelsilicium entweichen kann, muß sich derselbe also
vielmehr im Metall concentriren.
Der Schwefel ist jedoch weniger schädlich als der Phosphor, weil man gutes
Schmiedeeisen und guten Stahl mit Kohksroheisen erhalten kann. Da überdieß das
Roheisen, welches aus dem stets mit Schwefelkies gemengten Spatheisenstein und
Sphärosiderit erblasen ist, sehr guten Stahl gibt, so ist es wahrscheinlich, daß das
Mangan hier durch seine bekannte Verwandtschaft zum Schwefel als Verbesserungsmittel
wirkt.
Wenn man also das phosphorhaltige Roheisen und gewisse zu viel Schwefel enthaltende
Sorten ausschließt, so liefert die neue Frischmethode, gehörig angewandt, selbst bei
Benützung von Kohksroheisen, sehr gute Producte. Offenbar verdient jedoch, unter
übrigens gleichen Umständen, das mit Holzkohlen erblasene Roheisen den Vorzug.