Titel: Siemens, über das Puddeln des Eisens.
Autor: Siemens, Carl Wilhelm
Fundstelle: 1868, Band 190, Nr. LX. (S. 203–211)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj190/ar190060

LX. Ueber das Puddeln des Eisens; von C. W. Siemens in London.

Vorgetragen in der Versammlung der British Association zu Norwich. — Aus dem Engineer, August 1868, S. 157.

Ungeachtet der in der neueren Zeit erfolgten Einführung des Gußstahles für bauliche Zwecke, bildet die Stabeisen- und Puddelstahlfabrication mittelst des Puddelprocesses einen der wichtigsten Industriezweige Englands, dessen Jahresproduction auf mehr als 1½ Millionen Tonnen im Werthe von ungefähr 9 Millionen Pfd. Sterling sich beläuft.

Trotz seiner bedeutenden nationalen Wichtigkeit und der mit ihm verknüpften interessanten chemischen Probleme ist der Puddelproceß von Seiten der Wissenschaft bisher weniger berücksichtigt worden als andere eisenhüttenmännische Processe von neuerem Ursprünge und untergeordneter Wichtigkeit, wahrscheinlich in Folge der irrthümlichen Meinung, daß ein durch die Zeit geweihtes, so zu sagen ehrwürdiges Verfahren für weitere Verbesserungen nur wenig Spielraum darbietet.

Die über diesen Gegenstand vorhandene spärliche wissenschaftliche Literatur finden wir im II. Bande von Percy's Metallurgie“ angeführt. Besonders Crace Calvert und Richard Johnson in Manchester haben bekanntlich durch eine Reihe von Analysen des Inhaltes eines Puddelofens in den verschiedenen Stadien des Puddelprocesses werthvolle Aufschlüsse geliefert.

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Aus diesen Analysen erhellt, daß das geschmolzene Metall im Anfang mit einem gleichfalls geschmolzenen Antheile des als Schutzdecke für die eingesetzte Roheisencharge dienenden Oxydes oder der Schlacke innig gemengt ist; daß sich zuerst das Silicium aus dem Eisen abscheidet; daß der Kohlenstoff erst beim „Steigen“ oder in der Periode des „Kochens“ aus dem Eisen abgeschieden wird, und daß Schwefel und Phosphor zuletzt, während das Metall in die Gare geräth, entfernt werden.

Diese Resultate wurden durch die Untersuchungen von Price und Nicholson, sowie von Lan, bestätigt. Percy zieht aus diesen Ergebnissen mehrere wichtige allgemeine Schlüsse, welche nur einiger weiteren chemischen Untersuchungen bedürfen, um über den Puddelproceß vollständige Aufklärung zu geben und die gegenwärtige mangelhafte Ausführung desselben verbessern zu können, welche mit bedeutendem Metallverlust, großem Aufwand von Brennmaterial und Handarbeit, und einer unvollständigen Beseitigung der beiden so schädlichen Bestandtheile des Eisens, des Schwefels und des Phosphors, verbunden ist. Indem durch das Umrühren und Werfen ein inniges mechanisches Gemenge von flüssigem Eisen und Schlacke entsteht, wird das im Eisen enthaltene Silicium in innige Berührung mit Metalloxyd gebracht und da dasselbe später in Form von Kieselsäure mit Eisenoxyd verbunden auftritt, so folgt daraus, daß es sein Aequivalent an Eisen aus der Schlacke zu Metall reducirt haben muß.

Nehmen wir die flüssige Schlacke als aus Fe3O4 (der schmelzbaren Verbindung von Oxyd und Oxydul) bestehend und die Kieselsäure als Si O3 an, so können wir schließen, daß für je vier Atome Silicium, welche sich aus dem Metalle ausscheiden, neun Atome metallisches Eisen frei werden, und setzen wir das Atomgewicht des Eisens = 28 und das der Kieselsäure = 22,5, so ergibt sich, daß für je 4 × 22,5 = 90 Gran aus dem Metalle austretender Kieselsäure 9 × 28 = 252 Gran Eisen aus der Schlacke reducirt werden. Das Verschwinden des Kohlenstoffes aus dem Metalle ist von heftigem Aufkochen begleitet und das Erscheinen von Kohlenoxyd, welches in unzähligen Blasen zu der Oberfläche des Bades aufsteigt, macht sich auch durch die Verbrennung desselben mit der ihm eigenthümlichen blauen Flamme bemerklich.

Man glaubt (in England) gewöhnlich, daß der auf den Kohlenstoff des Metalles wirkende Sauerstoff unmittelbar aus der Flamme herrühre und daß diese deßhalb überschüssigen Sauerstoff enthalten müsse; aber gerade die äußeren Erscheinungen des Processes beweisen, daß die Verbindung zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff nicht an der Oberfläche, |205| sondern durch die ganze Masse der flüssigen Schlacke hindurch vor sich geht, wobei sich aus letzterer metallisches Eisen abscheidet.

Es ist dagegen die Meinung verfochten worden, daß, wenn auch die Reaction unter der Oberfläche stattfindet, der Sauerstoff dennoch von der Flamme herrühren könne, indem diese das Eisen an der Oberfläche oxydire und in Folge des Umrührens der ganzen Masse an den Kohlenstoff am Boden übertragen werde.

Durch meine neueren Erfahrungen beim Gußstahlschmelzen auf einer von der freien Flamme bestrichenen Ofensohle, bin ich jedoch in Stand gesetzt diese Ansicht zu widerlegen, indem ich unabänderlich beobachtete, daß die Oxydation des ungeschützten flüssigen Metalles so lange stattfindet, als es Kohlenstoff, wenn auch nur in geringer Menge, enthält. Auf diese Beobachtung mich stützend, bin ich überzeugt, daß die oxydirende Wirkung der Flamme im Puddelofen erst beginnt, nachdem sich das Stabeisen bereits gebildet hat. Da das Kohlenoxyd=CO und die Schlacke=Fe3O4 ist, so folgt, daß für je vier Atome Kohlenstoff drei Atome metallisches Eisen frei werden; das Atomgewicht von C=6 und von Fe=28 angenommen, ergibt sich, daß dem Bade auf je 6 × 4 = 24 Gran Kohlenstoff 28 × 3 = 84 Gran Eisen zugeführt werden.

Nehmen wir an, daß gewöhnliches Roheisen ungefähr 3 Proc. Kohlenstoff und eine gleiche Menge Silicium enthält, so folgt aus dem Vorhergehenden, daß das Bad durch Beseitigung dieses Siliciums um 252/90 × 3 = 8,4 Procent, und durch Beseitigung der angegebenen Kohlenstoffmenge um 84/24 × 3 = 10,5 Procent, im Ganzen also um (8,4 + 10,5) - 6 = 12,9 Procent an metallischem Eisen zunimmt, daß also eine Charge von 420 Centn. Roheisen ein Ausbringen von 474 Pfd. Stabeisen geben müßte, während das wirkliche Ausbringen im Allgemeinen 370 Pfd., also 12 Proc. weniger als die eingesetzte Charge beträgt, entsprechend einer Differenz zwischen dem theoretischen und dem wirklichen Ausbringen von 104 Pfd. bei jeder Charge. Um das theoretische Ausbringen wirklich zu erzielen, muß man eine genügende Menge von Schlacke oder „Material zum Füttern“ anwenden, deren Betrag man leicht berechnen kann mittelst der Formel Fe3O4, deren Atomgewicht=(3 × 28) + (4 × 8)=116, während das der drei Atome Eisen allein = 3 × 28 = 84 ist; es ergibt sich nämlich, daß 116/84 × 54 = 74 Pfd. Schlacke erforderlich sind, um die 54 Pfd. reducirtes Eisen zu erzeugen.

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Indessen muß eine genügende Menge von flüssiger Schlacke in dem Bade zurückbleiben, um mit dem aus dem Eisen abgeschiedenen Silicium ein dreibasisches Silicat bilden zu können, also ungefähr 50 Pfd.; im Ganzen müssen folglich 166 Pfd. Fütterungsmaterial bei jeder Charge zugesetzt werden, ein Verhältniß welches sehr gewöhnlich überschritten wird.

Wir haben uns nun noch mit dem Phosphor und Schwefel zu beschäftigen. Englisches Roheisen enthält von jedem dieser Nebenbestandtheile durchschnittlich 0,2 bis 0,6 Proc.; dieselben können die im Vorstehenden erörterten quantitativen Resultate kaum beeinflussen, während sie für die Qualität des erzeugten Productes von sehr großer Bedeutung sind.

Nach Percy's Annahme werden diese beiden Substanzen durch einen. Saigerproceß ausgeschieden. Ich fasse dieß in der Weise auf, daß die Krystalle von metallischem Eisen, welche sobald das Metall zur Gare kommt, durch die ganze kochende Masse hindurch entstehen, fremdartige Substanzen in derselben Weise ausschließen, wie das auf Seewasser gebildete Eis das Salz ausschließt und beim Aufthanen süßes Wasser liefert. Nach dieser Ansicht würde Roheisen von geringer Qualität in der That ein fast chemisch reines Stabeisen liefern, welchem durch mechanische Beimengung aus der umgebenden Schlacke oder dem halbreducirten Metalle wieder fremdartige Substanzen zugeführt werden. Es läßt sich zuversichtlich annehmen, daß die Menge der auf diese Weise aufgenommenen Verunreinigungen hauptsächlich von der Temperatur abhängt, welche eine hohe seyn sollte, damit die Schlacke und die noch nicht reducirten Metalltheile einen genügenden Grad von Flüssigkeit erlangen und sich möglichst vollständig abscheiden können.

Die kürzlich von A. Willis in meinem Laboratorium zu Birmingham ausgeführte Analyse eines schlechten englischen Roheisens vor und nach dem Puddeln gab folgendes Resultat:

Roheisen Gepuddeltes Stabeisen.
Eisen 96,079 99,276
Schwefel 0,008 0,017
Phosphor 1,096 0,237
Silicium 1,097 0,047
–––––––– ––––––––
100,000 100,000

Geleitet durch diese chemischen Betrachtungen und durch vieljährige praktische Aufmerksamkeit auf diesen Gegenstand kam ich zu dem Schlusse, daß der Puddelproceß in seiner jetzigen Ausführung ein außerordentlich rohes Verfahren ist, welches viel Eisen und viel Brennmaterial kostet, |207| für die Arbeiter äußerst anstrengend ist und ein von seinen verunreinigenden Beimengungen nur sehr unvollkommen befreites Product gibt. Daß aber schon mit Hülfe der uns zu Gebote stehenden Mittel viel bessere Resultate erzielt werden können, beweist der achtzehn Monate lang durchgeführte Betrieb eines nach meiner Angabe angelegten Puddelofens auf den Bolton Steel and Ironworks in Lancashire.

Dieser Ofen besteht aus einem Puddelraum von einer der allgemein gebräuchlichen sehr ähnlichen Form, welcher indessen mittelst eines Regenerativ-Gasofens erhitzt wird.

Die Vortheile dieses Ofens beim Puddeln bestehen darin, daß die Hitze in demselben in beinahe unbeschränktem Grade gesteigert, und daß die Flamme ohne Veränderung der jeweiligen Temperatur nach Belieben in eine oxydirende, eine neutrale oder eine reducirende verwandelt werden kann; ferner daß sich die Entstehung von Luftzügen und Stichflammen vermeiden läßt, und daß das gasförmige Brennmaterial von den, bei einem gewöhnlichen Ofen von dem Roste in den Puddelraum gelangenden Kiestheilen und anderen nachtheiligen Verunreinigungen frei ist. In letzterer Beziehung bietet der neue Puddelofen dieselben Vortheile dar, wie das Puddeln mit Holzkohle.

Die nachstehende Tabelle enthält die mit diesem Ofen erhaltenen Betriebsresultate im Vergleich mit dem gleichzeitig in einem gewöhnlichen Puddelofen bei Verarbeitung desselben Roheisens erzielten Ergebnisse.

Tabelle Nr. I. — Regenerativ-Gaspuddelofen.

Textabbildung Bd. 190, S. 207

Erste Schicht.

Textabbildung Bd. 190, S. 207

Zweite Schicht.

Textabbildung Bd. 190, S. 207
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Textabbildung Bd. 190, S. 208

Dritte Schicht.

Textabbildung Bd. 190, S. 208

Erste Schicht.

Textabbildung Bd. 190, S. 208

Zweite Schicht.

Textabbildung Bd. 190, S. 208

Dritte Schicht.

Textabbildung Bd. 190, S. 208

Durchschnittliche Größe der Charge 428 Pfd.; durchschnittlicher Ertrag 413 Pfd., entsprechend 20 Ctr. 2 Qr. 2 Pfd. Roheisen per Tonne Puddelstäbe.

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Tabelle Nr. II. — Gewöhnlicher Puddelofen.

Textabbildung Bd. 190, S. 209

Mittleres Gewicht der Charge 484 Pfd., mittleres Ausbringen 426 Pfd., entsprechend 22 Ctr. 2 Qr. 20 Pfd. Roheisen per Tonne Puddelstäbe.

Man ersieht hieraus, daß die in dem gewöhnlichen Ofen eingesetzten Roheisenchargen je 484 Pfd. wogen und daß das durchschnittliche Ausbringen 426 Pfd. betrug, entsprechend einem Verluste von 12 Proc., wogegen der Gasofen mit durchschnittlich 428 Pfd. schweren Chargen beschickt wurde und ein Ausbringen von 413 Pfd., also mit einem Verluste von 3,5 Proc. gab. Ferner ist die Thatsache sehr beachtenswerth, daß der Gasofen achtzehn Hitzen in drei Schichten binnen vierundzwanzig Stunden gab, was bei dem gewöhnlichen Ofen die Grenze der Production war.

Die Qualität des im Gasofen erzeugten Eisens erwies sich als entschieden besser, als das in dem gewöhnlichen Puddelofen gewonnene Metall.

Auch der Brennmaterialverbrauch fiel zu Gunsten des Gasofens aus, konnte aber nicht genau festgestellt werden, weil die angewandten Generatoren gleichzeitig einige Schweißöfen zu heizen hatten. Der Verbrauch an Fütterungsmaterial war indessen beim Gasofen größer und das höhere Ausbringen im letzteren wurde von den Betriebsbeamten natürlicher Weise dieser Ursache zugeschrieben, obgleich ich hinsichtlich dieses Gegenstandes anderer Ansicht blieb.

Als ich fand, daß die Gasöfen nicht mit Wasserkühlung in ihren |210| Feuerbrücken versehen worden waren, wurde dieselbe nachträglich eingerichtet; die Oefen wurden dann im November vorigen Jahres wieder in Betrieb gesetzt, welcher seit dieser Zeit ununterbrochen fortdauert. Durch die Wasserkühlung der Feuerbrücken verminderte sich der Verbrauch an Fütterungsmaterial auf das gewöhnliche Maaß, indem die Menge des zu diesem Zwecke consumirten Rotheisensteines im Durchschnitt 93,3 Pfd. per Charge betrug (außer dem üblichen Quantum „Bulldog“), während das mittlere Ausbringen per Charge von 475,3 Pfd. grauem Roheisen auf 476,4 Pfd. Puddelstäbe sich belief, wie aus den nachstehenden, während einer Campagne gemachten Beobachtungen hervorgeht:

Roheisenchargen. Ausbringen an Puddelstäben.
470 Pfd. 470 Pfd.
480 Pfd. 482 Pfd.
486 Pfd. 460 Pfd.
468 Pfd. 470 Pfd.
470 Pfd. 500 Pfd.
478 Pfd. 476 Pfd.
––––––––– –––––––––
Im Durchschnitt 475,3 Pfd. 476,4 Pfd.

Dieß entspricht also einem durchschnittlichen Mehrausbringen von voll 12 Proc., gegenüber dem bei Anwendung gewöhnlicher Puddelöfen erzielten Ausbringen, während die Qualität der Producte des Gasofens eine vorzüglichere ist.89

Es ist ferner bemerkenswerth, daß diese Resultate regelmäßig von den gewöhnlichen Puddelarbeitern der Hütte erzielt werden und daß seit November 1867 am Gaspuddelofen keinerlei Reparaturen nothwendig waren, da das Ofengewölbe noch immer in vortrefflichem Zustande ist.

Hinsichtlich der Wasserkühlung der Feuerbrücken war es mir wünschenswerth, die Wärmemenge zu bestimmen, auf deren Kosten die Ersparniß an Material zum Füttern und die Erleichterung der Arbeit erreicht wurde. Demnach übernahm Hr. W. Hackney die Messung der die Brücken durchfließenden Wassermenge; er fand, daß dieselbe per Minute 25 Pfd., um 40° Fahr. erhitzt, beträgt. Dieß entspricht 60 000 Wärme-Einheiten per Stunde, oder einem Consum von nicht mehr als 8 bis 10 Pfd. festen Brennmateriales per Hitze — ein Verlust, der gegen die Vortheile einer Wasserkühlung, wo dieselbe anwendbar ist, nicht in Betracht kommen kann.

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Da die Arbeit des Puddlers und seines Gehülfen durch diesen Ofen bedeutend abgekürzt und erleichtert wird, so empfehle ich auf das Angelegentlichste die Einführung von drei achtstündigen Arbeitsschichten per Tag von vierundzwanzig Stunden, so daß jede Schicht die übliche Anzahl von Hitzen repräsentirt; bei dieser Anordnung gewinnt sowohl der Arbeitgeber, als der Arbeiter selbst sehr wesentlich.

Die Arbeit des Puddlers kann noch mehr erleichtert werden durch Einführung der mechanischen Krücke, welche auf dem Continente bereits eine ziemlich ausgedehnte Anwendung findet.

Bei solcher Betriebsweise vermag ein Regenerativ-Gaspuddelofen von gewöhnlichen Dimensionen jährlich ungefähr 940 Tonnen Stabeisen besserer Qualität, bei Verbrauch eines gleichen Roheisenquantums und dem gewöhnlichen Consume an Material zum Füttern des Ofens, zu erzeugen.

Schließlich will ich noch anführen, daß bereits eine beträchtliche Anzahl dieser Puddelöfen im Auslande errichtet worden ist, und daß dieselben auch auf den Werken der HHrn. Kitson zu Leeds, sowie von mehreren anderen unternehmenden Fabrikanten in Britannien eingeführt worden sind.

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Es wurde Holmes-Roheisen, welches 0,08 Proc. Schwefel, 1,9 Silicium, 1,16 Phosphor und 96,79 Eisen enthält, zu diesen Versuchen verwendet.

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