Titel: Minary, experimentelle Untersuchungen über die zum Schmelzen des Roheisens etc. erforderliche Wärme.
Autor: Minary,
Résal,
Fundstelle: 1862, Band 163, Nr. IX. (S. 32–40)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj163/ar163009

IX. Experimentelle Untersuchungen über die zum Schmelzen des Roheisens, ferner des Zinns, Bleies, Zinks, der Glockenbronze, des Geschützmetalls und des Messings erforderliche Wärme; von den Ingenieuren Minary und Résal.

Aus den Annales des mines, 5me série, 1861, t. XIX p. 401.

Mit einer Abbildung auf Tab. I.

Wir haben die zum Schmelzen des Roheisens genau erforderliche Wärmemenge, das heißt die Gesammtwärme des geschmolzenen Roheisens bestimmt, um dann den Effect der zum Umschmelzen des Roheisens gebräuchlichen Apparate (Cupolöfen) und die Verbesserungen deren sie fähig sind, ermitteln zu können.

Das von uns angewandte Calorimeter, Fig. 27, besteht aus einem cylindrischen Gefäß von Eisenblech, welches 4 Decimeter Durchmesser und 4 Decimeter Höhe hat, und mit einem Deckel versehen ist, worin sich drei Oeffnungen befinden. Die eine derselben, 1, hat 75 Millimeter Durchmesser und dient zum Einbringen des Roheisens in den Apparat; die zweite, 2, befindet sich in der Mitte, und durch sie geht die Stange einer concaven Schale, auf welcher sich das Roheisen absetzt, und die so auf Füßen ruht, daß sie vollkommen mit Wasser umgeben ist; die dritte Oeffnung, 3, welche sich nahe am Rande des Deckels befindet, correspondirt mit einer inneren Röhre, die mit Löchern versehen und zur Aufnahme eines Thermometers bestimmt ist.

Bei unseren Versuchen mit flüssigem Roheisen gossen wir dasselbe in das Calorimeter mittelst eines auf der großen Oeffnung des Deckels angebrachten Trichters, welcher vorher mit Asche überzogen worden war, damit nicht ein Theil des Eisens der Oberfläche anhaften konnte, womit es in Berührung kam.

Das für die Versuche einzuschlagende Verfahren ist leicht zu begreifen; man mißt die anfängliche Temperatur des Wassers; sobald dann das Roheisen eingebracht ist, schüttelt man das Wasser, indem man der Schale, welche das Roheisen aufnahm, mittelst der Stange eine auf und nieder steigende Bewegung ertheilt; man notirt endlich die Maximaltemperatur, welche das Wasser erlangt. Aus diesen Daten läßt sich leicht die Gesammtwärme des eingebrachten Roheisens berechnen, indem man die Wärmecapacität des angewandten Metallgefäßes berücksichtigt.

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Der Wärmeverlust durch Strahlung kann vollständig vernachlässigt werden. Wir haben nämlich durch mehrere Versuche gefunden, daß der durch die Abkühlung per Minute stattfindende Verlust durch die Formel

0,0016 ((T₀ + T)/2 – ϑ)

ausgedrückt werden kann, worin T₀ und T die Maximal- und Minimaltemperatur des Calorimeters am Anfang und Ende des Versuchs bezeichnen, und ϑ die umgebende Temperatur.

Da nun die Maximaltemperatur des Wassers stets nach Verlauf von höchstens 2 1/2 Minuten erreicht wurde, so überstieg dieser Verlust bei den Temperaturverhältnissen unserer Versuche nicht 0°,05 C., während unsere Temperaturzunahmen in der Regel nicht weniger als 14° betrugen. Uebrigens wird dieser Verlust mindestens compensirt, wenn man annimmt, wie wir es gethan haben, daß am Ende der Operation das Calorimeter in seiner ganzen Masse die Endtemperatur des Wassers erreicht hat, während doch sein oberer Theil und der Deckel natürlich etwas weniger warm seyn müssen.

Das angewandte Thermometer gestattete uns die Temperaturen auf nahezu 1/10 Grad zu schätzen.

Um die Fehlerquellen zu vermindern, haben wir in der Regel mit wenigstens 35 Kilogr. Wasser und 2 Kilogr. Roheisen operirt.

Um die Wägungen leicht vornehmen zu können, wurde das Calorimeter auf eine tragbare Brückenwaage gestellt, deren Empfindlichkeit sich auf beiläufig 5 Gramme erstreckte.

Wir haben uns auf das mit Kohks erblasene graue Roheisen aus den Hohöfen von Nans beschränkt, welches in einem Cupolofen der Maschinenfabrik zu Casamène (Doubs-Departem.), wo wir unsere Versuche anstellten, umgeschmolzen worden war.

Nach den Analysen von Minary ist die mittlere Zusammensetzung dieses Roheisens folgende:

Eisen 0,9450
Silicium 0,0195
Kohlenstoff 0,0309
nicht bestimmte Körper oder Verlust 0,0046
––––––
1,0000.

Wenn das geschmolzene Roheisen in das Wasser des Calorimeters fällt, nimmt es eine concrescirte Textur mit sehr dünnen Wänden an, welche zahlreiche Höhlungen zeigt; es kann daher kein Zweifel bleiben, daß die Temperatur in seinen verschiedenen Punkten am Ende des Versuchs die gleiche ist.

|34|

Wir müssen jedoch bemerken, daß das flüssige Roheisen eine theilweise Zersetzung des Wassers bewirkt11), welche nur sehr unbedeutend ist, aber dadurch augenfällig wird, daß sich eine schwache blaue Flamme zeigt, wenn zufällig ein Stückchen rothglühenden Metalls am Ende des Trichters haftend bleibt.

Wir haben uns durch die Prüfung im Eudiometer überzeugt, daß das entbundene Gas reiner Wasserstoff ist. Dasselbe wird übrigens in so geringer Menge erzeugt, daß wir über 10 Kilogr. Roheisen anwenden mußten, um 1 Liter Gas zu erhalten; das Roheisen zeigt auch nach der Operation keine bemerkbaren Spuren von Oxydation. Man kann übrigens unter solchen Umständen annehmen, daß die durch die Zersetzung des Wassers absorbirte Wärme durch die entsprechende Oxydation des Metalls compensirt wird.

Da das Gesammtgewicht des Calorimeters 15,97 Kilogr. beträgt, so ist sein calorisches Aequivalent an Wasser 1,817 Kilogr., wenn man mit Regnault die specifische Wärme des Schmiedeeisens oder des Eisenblechs zu 0,11379 annimmt. Wir haben ferner die Wärmecapacität des Roheisens nach unserer Bestimmung zu 0,13 angenommen, um die in demselben nach jeder Operation enthaltene Wärmemenge berücksichtigen zu können; da diese Correction einem sehr kleinen Bruch entspricht, so kann man jene Ziffer unbedenklich auf den vorliegenden Fall anwenden, obgleich sie für eine andere Roheisensorte ermittelt worden ist.

Es bezeichne nun:

T₀ die Anfangstemperatur des Calorimeters;

T die Endtemperatur;

ϑ die umgebende Temperatur;

Q das Gewicht des angewandten Wassers;

q das Gewicht des Roheisens;

A die Gesammtwärme, welche 1 Kilogr. geschmolzenen Roheisens in seinem anfänglichen Zustande enthält.

Man hat dann die Gleichung

qAq × 0,13 T = (TT₀) )Q + 1,817),

woraus folgt

A = 0,13 T + (TT₀) (Q + 1,817)/q

|35|

Als wir Roheisen in eine Gießkelle füllten, und es dann in das Calorimeter in dem Zeitpunkt gössen, wo sich an der Oberfläche eine feste Kruste zu bilden beginnt, also nahezu bei dem Uebergang von dem flüssigen in den festen oder teigigen Zustand, erhielten wir die folgenden Resultate:12)

ϑ T T Q q A
8°,0 22°,0 36,020 2,100 255,11
20°,0 37°,0 35,030 2,500 255,45
11°,8 26°,8 35,030 2,200 254,71
12°,2 24°,6 35,030 2,000 250,07
11°,8 24°,4 35,030 1,850 254,17
9°,4 23°,5 35,030 2,040 257,72

Die Differenzen welche die Werthe von A zeigen, rühren daher, daß es trotz aller Vorsicht sehr schwierig ist, nach einander Roheisen von gleicher Temperatur anzuwenden; dasselbe ist bald etwas heißer, und bald etwas kälter, weil es vielleicht einige feste Stücke enthält. Man ersieht aber aus der vorhergehenden Tabelle, daß man die Gesammtwärme des Roheisens in dem Zustande, wo es gerade noch flüssig ist, als gleich 255 Wärmeeinheiten betrachten kann.

Als wir sehr heißes Roheisen nahmen, und dann allmählich bis zu dem fraglichen Zustande herabgiengen, erhielten wir die folgenden Resultate:

ϑ T T Q q A
5°,0 10°,6 25°,8 35,030 1,940 292,040
5°,0 10°,4 30°,4 35,030 2,700 276,85
5°,5 10°,6 44°,0 35,030 4,710 267,01
5°,5 11°,7 38°,4 35,030 3,840 261,19
5°,0 10°,2 26°,8 35,030 2,380 260,48
2°,5 23°,5 45°,0 35,030 3,130 260,09
4°,75 11°,5 33°,0 35,030 3,100 259,24

Nimmt man das Eisen in seinen auf einander folgenden Zuständen von dem Zeitpunkt angefangen wo es klebrig zu seyn beginnt, so erhält man:

|36|
ϑ T T Q q A
10°,2 25° 35,030 2,280 242,45
10°,8 27°,3 35,030 2,670 230,26
10°,8 22°,2 35,030 1,890 225,14
11°,0 24°,7 35,030 2,270 225,50

Bei den zwei letzteren dieser Versuche hatte das Roheisen die untere Grenze des teigigen Zustandes erreicht; es wurde aus einer Gießkelle vermittelst eines vorher erhitzten Spatels genommen.

Bei unseren letzten Versuchen gossen wir das Roheisen vorher in eine prismatische Sandform; das erhaltene Prisma wurde in Stücke zerbrochen und in das Calorimeter geworfen. Für Roheisen welches kaum den festen Instand erreichte und wahrscheinlich noch einige flüssige Theile enthielt, bekamen wir

ϑ T T Q q A
23° 33° 35,030 1,670 224,93

Eine etwas länger dauernde Abkühlung, wodurch das Roheisen eine so zu sagen körnige und wenig cohärente Textur erlangte, gab uns

ϑ T T Q q A
3 11,8 22 35,030 1,770 215,20

Wenn das Roheisen an seiner Oberfläche fest wird und man beseitigt die innere flüssige Masse, so bleibt ein Skelett zurück, dessen Gesammtwärme 215,20 ist, da die correspondirenden Elemente sind

ϑ = 3°, T₀ = 11°, T = 22°, Q = 35,030, q = 1,950

Wenn endlich das Eisen schon ein wenig Consistenz erlangt hat, so findet man A = 204,40 aus den Daten

T₀ = 24°, T = 37°, Q = 35,030, q = 2,400

Da die Gesammtwärme des Roheisens mit den Veränderungen seines physischen Zustandes beständig variirt, so brauchen wir uns nicht mit seiner latenten Schmelzwärme zu befassen, wie bei den Körpern, deren Uebergang von dem festen in den flüssigen Zustand zu rasch erfolgt, als daß man den Zwischenzustand, nämlich den teigigen Zustand bei verschiedenen Graden, studiren könnte.

Anwendung der erhaltenen Resultate auf das Umschmelzen des Roheisens in den Cupolöfen.

Die durch die Formen in einen Cupolofen getriebene Luft entwickelt, indem sie 2 Kilogr. Kohlenstoff verbrennt, 8080 Wärmeeinheiten; da die |37| erzeugten Gase hauptsächlich aus Kohlensäure bestehen, so werden sie beim Aufsteigen durch die glühende Kohksmasse zu Kohlenoxyd reducirt, welches in die Esse abzieht. Durch diese zweite chemische Reaction verschwinden 1637 Wärmeeinheiten; folglich erzeugen 2 Kilogr. Kohlenstoff nur 8080 – 1637 = 6443 nutzbringende Wärmeeinheiten, also 1 Kilogr. 3221 W. E.

Bei dem Cupolofen, womit wir experimentirten, werden, abgesehen vom Anheizen, einzig für den regelmäßigen Betrieb, auf 100 Pfd. producirtes Eisen 10 Pfd. Kohks aufgewendet; diese Kohks enthalten 12 Proc. Asche, daher 1 Kilogr. dieses Brennmaterials 0,88 Kohlenstoff entspricht; daraus folgt, daß man, um 1 Kilogr. Roheisen zu schmelzen, nutzbringend entwickelt

3221/10 × 0,88 = 283,35 Wärmeeinheiten;

diese Ziffer liegt zwischen den Grenzen der aus unseren Versuchen sich ergebenden Gesammtwärme von 259 und 290 Wärmeeinheiten. Bei einem mehrstündigen Gießen erreicht jedoch das Roheisen nicht immer den heißen Zustand, welcher 290 Wärmeeinheiten entspricht.

Aus dem Vorhergehenden ergibt sich auch, daß die Cupolöfen nur 50 Proc. Nutzeffect liefern.

Die Schlacken unseres Cupolofens haben folgende Zusammensetzung:

Kieselerde 0,318
Thonerde 0,242
Eisenoxydul 0,224
Kalk 0,210
Magnesia 0,006
–––––
1,000

Versuche welche nach dem vorher beschriebenen Verfahren ausgeführt wurden, ergaben uns im Mittel 336 Wärmeeinheiten für die Gesammtwärme von 1 Kilogr. aus dem Cupolofen abgelassenen Eisens, wobei jedoch die Wärmemenge bezüglich der Endtemperatur (welche nicht über 18°,8 betrug) vernachlässigt wurde.

Zwei Versuche mit weißem Roheisen, ebenfalls aus den Hohöfen von Rans, welches in einem Tiegel im Windofen geschmolzen wurde, ergaben uns für die Gesammtwärme, in dem Augenblick wo sich an der Oberfläche des Metalls eine Kruste zu bilden anfieng, 246 u. 248 Wärmeeinheiten; diese Ziffern sind niedriger als diejenigen, welche wir für das graue Roheisen erhielten, bekanntlich ist aber auch das weiße Roheisen leichtflüssiger. Wir betrachten jedoch diese Resultate als bloße Annäherungen, denn da das weiße Roheisen eine große Neigung zum Erstarren hat, |38| so würde es die Anwendung eines noch größeren Kalorimeters erfordern als wir für das graue Roheisen benutzt haben. Wir beabsichtigen aber später auf diesen Gegenstand zurückzukommen.

Experimentelle Bestimmung der Gesammtwärme einiger anderen Metalle im flüssigen Zustande.

Wir haben diese Versuche mit demselben Calorimeter und nach dem gleichen Verfahren wie für das Roheisen angestellt, indem wir die Formel

A = cT + (TT₀)/q (1,817 + Q)

anwandten, worin c die specifische Wärme des Metalls, T₀ die Anfangs- und T die Endtemperatur des Calorimeters, Q das Gewicht des angewandten Wassers, q das Gewicht des angewandten Metalls, A die gesuchte Gesammtwärme bezeichnet.

Kupfer: c; = 0,09515.

Q q T T A Zustand des Metalls.
34,030 1,150 13,6 7,8 182,0 Sehr heiß.
34,100
34,100
34,030
34,100
34,100
34,030
34,030
2,000
2,340
1,570
2,350
2,700
1,890
1,370
21,3
27,1
16,8
31,7
24,6
21,8
20,6
11,4
16,0
9,6
21,2
12,6
13,4
14,8
180,0
173,0
166,0
163,5
162,0
161,5
154,0



Zwischenzustände
34,030 1,470 24,6 19,0 139,0 Sehr kalt, aber noch flüssig.

Der Uebergang vom flüssigen Zustande in den festen ist beim Kupfer zu rasch, als daß man den teigigen Zustand erhalten könnte. Der letzte Werth von A scheint der Grenze wo das Metall gerade noch flüssig ist, gut zu entsprechen, während der erste sich auf die höchste in den Schmelzöfen erreichbare Temperatur bezieht.

Zinn: c = 0,05695.

Q q T T A Zustand des Metalls.
34,100
2,150
1,150
13,4
14,5
10,6
12,6
47,5
46,0
Rothglühend
1,300 12,0 10,8 34,0
1,960 12,6 11,1 28,0
1,600 14,3 13,2 26,0 Grenze, wobei das Metall noch
flüssig ist.
|39|

Blei: c = 0,0314.

Q q T T A Zustand des Metalls.
34,100 2,450 12,8 10,2 38,7 Rothglühend.
3,020 17,8 15,2 31,5
3,800 16,5 14,4 20,4
4,430 14,9 12 8 18,2
3,110 17,5 16,1 16,7 Grenze, wobei ein anhaltender flüssiger
Zustand zu beobachten ist.

Zink: c = 0,09555.

Q q T T A Zustand des Metalls.
34,100 2,170 23,2 17,0 105,0 Rothglühend. Sehr hohe Temperat.
2,010 19,6 15,0 84,0
2,350 15,0 10,0 78,0
3,400 21,4 15,2 67,5
2,700 15,4 10,6 63,5 Grenze des anhaltenden flüssigen
Zustandes.

Glockenbronze, welche 20 Proc. Zinn enthält: c = 0,08751 (berechnet nach der Regel von Person).

Q q T T A Zustand des Metalls.
34,100 1,870 22,6 14,4 159,5
3,150 23,0 11,0 139,0
2,930 23,8 13,7 126,0
1,200 14,8 11,1 117,0

Geschützmetall, welches 10 Procent Zinn enthält: c = 0,09133 (berechnet).

Q q T T A Zustand des Metalls.
34,100 1,570 17,3 8,8 173,0 Sehr hohe Temperatur.
1,660 16,7 9,2 164,0
2,050 24,0 15,5 151,0
4,570 33,0 15,0 144,5
2,500 19,6 10,9 127,0 Teigig.
|40|

Messing: c = 0,09527 (berechnet nach einem Gehalt von 30 Proc. Zink).

Q q T T A Zustand des Metalls.
34,100 3,500 36,2 21,0 159,5 Sehr hohe Temperatur.
2,567 22,0 10,8 159,0 Deßgl.
3,200 22,6 10,6 137,0
1,170 15,0 11,0 124,0
1,800 19,0 13,1 119,5 Teigig.

Die drei letzten Tabellen beweisen mit Berücksichtigung der vorhergehenden, daß die zum Schmelzen einer Legirung erforderliche Maximal- oder Minimal-Gesammtwärme gleich ist der Summe der analogen Wärmemengen, welche erforderlich sind, um deren Bestandtheile einzeln zu schmelzen. Man erhält nämlich folgende Tabelle:

Textabbildung Bd. 163, S. 40

welche zeigt, daß die Differenzen zwischen den Resultaten des directen Versuchs und denjenigen wozu man durch Anwendung der vorhergehenden Regel gelangt, nur sehr gering sind.

|34|

Eine den Eisengießern bekannte Thatsache. Beim Sandguß wird die Feuchtigkeit des nassen Sandes in Berührung mit dem geschmolzenen Eisen theilweise zersetzt, und es entwickelt sich daher nebst Wasserdampf auch Wasserstoffgas, welche beide auf geeignete Weise abgeleitet werden müssen, damit keine Blasen in dem Gusse entstehen; das aus den Oeffnungen der Windpfeifen hervordringende Wasserstoffgas wird mittelst eines brennenden Holzstückes entzündet, und brennt bis nach Beendigung des Gusses von selbst fort. A. d. Red.

|35|

Wir haben die Werthe von ϑ angegeben, damit man, wenn es gewünscht wird, die Correction bezüglich der Abkühlung machen kann.

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