Titel: Schinz, über den Stahl-Schmelzofen für das Martin'sche Verfahren.
Autor: Schinz, C.
Fundstelle: 1868, Band 190, Nr. CXVIII. (S. 455–465)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj190/ar190118

CXVIII. Ueber den Stahl-Schmelzofen für das Martin'sche Verfahren; von C. Schinz).

Hr. Professor Kupelwieser weist in einem sehr interessanten Artikel151 nach, daß die Unkosten aller Art zur Darstellung von Stahl nach dem Martin'schen Verfahren diejenigen nach dem Bessemer'schen Verfahren nicht übersteigen, obgleich nach seinen eigenen Angaben der Consum an Braunkohle zum Schmelzen von Gußeisen, Puddeleisen und Stahl die enorme Höhe von 1,5 Kil. für 1 Kil. Stahl ist.

Daher bin ich nicht der Meinung des Hrn. Kupelwieser, daß der Regenerativ-Ofen vor allen anderen sich zur Durchführung dieses Processes eigne.

Unter allen Umständen ist bei Schmelzprocessen der Nutzeffect um so kleiner also die dazu nothwendige Temperatur höher ist, weil einerseits |456| mehr Wärme aus dem Ofen evacuirt wird und andererseits mehr durch Transmission der Ofenwände verloren geht; wenn aber eine Construction wie der Regenerativ-Ofen die transmittirende Ofenwandfläche durch die Einführungs- und Abführungs-Canäle um mehr als das Doppelte größer macht als sie nothwendig seyn muß, so ist es kein Wunder, wenn selbst bei sehr hohem Consume in der Zeiteinheit die Temperatur der Oefen eben kaum diejenige erreicht, welche zum Schmelzprocesse nothwendig ist, und das ist nun bei dem in Rede stehenden Ofen der Fall; denn wäre die Ofentemperatur irgendwie höher als der Schmelzpunkt, so könnte die Operation unmöglich 7 bis 8 Stunden dauern.

Die in den Chargen enthaltenen Materialien haben alle eine so große Leitungsfähigkeit für die Wärme, daß selbst dann, wenn durch Hinzufügen von Fe2O3 in solcher Menge CO entwickelt wird, daß die Masse zu ihrem doppelten Volumen anschwillt, dieselbe dennoch in wenigen Minuten die Temperatur des Ofens annimmt.

Nach der Angabe von Hrn. Prof. Kupelwieser bestehen die Chargen aus:

Kil. 888 weißem Roheisen,
664 Puddeleisen und Rohstahl
–––––
Kil. 1552 = 0,21555 Kubikmeter, spec. Gewicht = 7,2.

Geben wir dem Metalle auf der Sohle eine Schichthöhe von 0,15 Met., so wird die Oberfläche = 0,21555/0,15 = 1,437 Quadratmeter und nehmen wir 0,5 Met. Breite, so wird die Länge = 1,8 Met.

Nun habe ich eine Zeichnung von einem Schweißofen mit Regeneratoren vor mir, welcher eine 3,3 Met. lange Sohle hat, aber die Länge des Ofens vermehrt sich durch die zwei Dämme an beiden Enden, Scheidewand und Gas- und Luftcanäle auf 5,9 Met., so daß also den 1,8 Met. Sohlenlänge noch 2,6 Met. zuzufügen sind.

Dadurch werden die Gewölbe und Ofenwandflächen = 10,24 Q. M., während ohne die den Regenerativ-Oefen nothwendigen Zuthaten dieselben 3,42 Quadratmeter seyn würden.

Wir werden nun sogleich sehen, welchen Einfluß diese vermehrte Transmissions-Fläche auf den Erfolg hat.

Die theoretische Transmission berechnet sich nach der bekannten Formel von Dulong =

Textabbildung Bd. 190, S. 456

(s=3,62, L=1,938, φ=20°)

und dann t′=Temperatur der Ofenwandfläche,

|457|

Textabbildung Bd. 190, S. 457
, und dann t′Q,

wo t = mittlere Temperatur des Ofens,

t″ = mittlere Temperatur der äußeren Luft,

e = Wanddicke = 0,2 Met.,

C = Leitungsfähigkeit des materiales, aus dem die Wand besteht, = 0,8.

E. Becquerel hat den Schmelzpunkt von Schmiedeeisen bestimmt und denselben zwischen 1350° und 1400° C. gefunden.

Nehmen wir nun letztere Zahl an, so ist:

Textabbildung Bd. 190, S. 457
und tQ=4892 per Stunde und per 1 Quadratmeter.

Die effective Transmission ist aber sehr viel größer, wie ich früher experimentell gezeigt habe, indem die Luft in Bewegung kommt und unendlich viel Wärme wegführt. Sie ist um so größer, als t′ selbst größer ist, und in diesem Falle wenigstens 13 . 4892 = 63596 W. E.

Allerdings ist dabei zu berücksichtigen, daß ein verhältnißmäßig großer Theil der transmittirenden Fläche horizontal ist, was den Werth L um die Hälfte kleiner macht. Wir können daher diesem Umstande Rechnung tragen, indem wir von ⅔ dieser Transmission ⅓ in Abzug bringen, was dann für die 10,24 Quadratmeter 579722 W. E. ausmacht.

1 Kil. Metall erfordert zu seiner Schmelzung

(spec. Wärme von F (bei 1400°=0,16585) 1400 . 0,16585
ferner für latente Wärme 160 + (0,l6585 = 0,11379) . 1400
= 232 W. E.
= 233
–––––
465 W. E.

90210/669932, per Kil.=1552 und per Stunde 1552 . 465/8.

W. E. verwendet zum Schmelzen im Ofen.

Das in Leoben angewandte Brennmaterial ist Braunkohle, deren calorisches Aequivalent = 5419 W. E., folglich das pyrometrische Aequivalent für 1400° Ofentemperatur = 5419 - 1400 . 2,15525 = 2402 W. E. per 1 Kil. Braunkohle, während 3017 W. E. evacuirt werden.

Der Bedarf zum Schmelzen an Braunkohle ist also 669932/2402 = 279 Kil.

In der Wirklichkeit werden aber per Stunde verbrannt =291 Kil.

Dieser Mehrconsum von 12 Kil. ist jedoch kein Beweis, daß unsere Berechnung der Transmission noch zu niedrig ist; er erklärt sich leicht |458| aus dem Umstande, daß in diesen Regenerativ-Oefen die Gase nur allmählich zur Verbrennung kommen; selbst in sehr großen Glasöfen sieht man die Flamme von einem Ende zum anderen des Ofens reichen, es ist daher leicht erklärlich, daß bei viel kürzerem Wege ein Theil des Gases unverbrannt aus dem Ofen abzieht und erst im Regenerator verbrennt.

Die Wärmemengen, welche wir somit dem Regenerator zuführen, sind:

279
12
Kil. à 3017
Kil. à 5419
=
=
841743
65028
906771 W. E.

Der Inhalt der vier Regenerator Kammern ist 42,336 Kubikmeter, wovon ⅓ durch feuerfeste Steine = 14,112 Kubikmeter eingenommen ist; diese wiegen 1,9 = Kil. 26812 und deren Wärmecapacität ist dann 26812 . 0,24 = 6435 W. E.

Der Regenerator enthält das Maximum von Wärme, wenn die Verbrennungsproducte ihre Periode der Durchströmung vollendet haben; seine mittlere Temperatur ist dann 906771/291 . 2,15525 = 1466° und 1446° + 300/2 = 873°.

Daher dessen Wärmegehalt = 873 . 6435 = 5617755 W. E.

Er enthält das Minimum, wenn Gas und Luft ihre Durchströmungs-Periode vollendet haben; dieses ist dann 5617755 - 906771 = 4710984

W. E.; dann ist die mittlere Temperatur in demselben 4710984/6435 = 732°.

Daher ist nun die mittlere Temperatur zwischen beiden Perioden= 873 + 732/2 = 802°, und nach dieser berechnet sich die Transmission.

Wir haben dann für die theoretische Transmission

Textabbildung Bd. 190, S. 458
= 141° = t′Q = 1537 W. E., wenn e=0,3 und C für gewöhnliche Backsteine = 0,6 ist.

Die effective Transmission ist dann für diese Temperatur = 7753 W. E. und da die Gesammtfläche der 0,3 Met. dicken Umfangsmauern = 46,2 Quadratmeter ist, so werden per Stunde 46,2 . 7753 = 358188 W. E. evacuirt werden.

300 . 2,15525 . 291 = 188100 W. E. und der Nutzeffect des Regenerators ist |459| 360483/906771 W. E. zum Erwärmen von Luft und Gas, die in den Ofen strömen, W. E. gleich der per Stunde eingeführten Wärmemenge.

Bekanntlich ist man bei den Regenerativ-Oefen genöthigt die aus dem Gas-Generator kommenden Gase abzukühlen, um die Theerdämpfe zu condensiren, da sonst diese sich zwischen den glühenden Steinen im Regenerator zersetzen und Kohle ablagern, welche dann den Durchgang erschweren würde. Die so verloren gegebene Wärme beträgt für 291 Kil. Lignit 303804 W. E., und die wirkliche Leistung des Regenerators beschränkt sich auf 56679 W. E., welche eben genügt um die nöthige Luft auf 289° zu erwärmen.

Diese Berechnung ist das Resultat sehr sorgfältiger, langer, durch viele Experimente unterstützter und controllirter Studien; daß deren Resultat ein richtiges ist, beweist die Thatsache, daß die Operation zur Darstellung des Stahles 7 bis 8 Stunden Zeit in Anspruch nimmt, was sicher nicht der Fall seyn würde, wenn die Ofentemperatur irgendwie höher wäre als der Schmelzpunkt des Productes.

Wenn es nicht gelungen ist, auf andere Weise Stahl zu schmelzen, so wird dieß wohl an der Ausführung, nicht an der Methode gelegen haben.

Aber um nach dem Martin'schen Verfahren, welches bessere Producte gibt als das Bessemer'sche, Stahl mit möglichst geringem Aufwande darzustellen, ist es vor Allem nothwendig, dem Ofen eine Temperatur zu geben, die höher ist als der Schmelzpunkt, um die Schmelzzeit zu verkürzen.

Dieß wird nun zwar auch mit der gewöhnlichen Gasfeuerung ohne Regeneratoren möglich seyn, aber in höherem Maaße noch mit weit weniger Brennstoffaufwand, wenn das Verfahren der Elimination des Stickstoffes zur Anwendung gebracht wird.

Dieses mir patentirte Verfahren besteht darin, reines Kohlenoxyd darzustellen und dasselbe mitten in einer Quantität Brennstoff zu verbrennen, wodurch die gebildete Kohlensäure in CO umgesetzt wird, dem aber dann nur halb so viel Stickstoff beigemischt ist als sonst.

Zum vorliegenden speciellen Zwecke wird das CO am besten so dargestellt werden, daß man Kalkstein bei 1000° C. zersetzt und dann die ausgetriebene Kohlensäure über Kohksabfälle oder dergleichen leitet, welche ebenfalls auf 1000° erhitzt sind, wodurch vollkommen reines CO erhalten wird.

|460|
1 Kil. Kohlenstoff producirt, als CO verbrannt, 2400 W. E.,
hat dieses CO die Temperatur, welche es in der Reductions-Retorte erhält, =1000°, so bringt es zu 1000° . 0,2479 . 2,3333 = 578 W. E.,
gibt man der zur Verbrennung nöthigen Luft 300°, so bringt das 5,7515 . 0,2377 . 300° = 410 W. E.,
––––––––––
3388 W. E.
Dagegen werden durch die Aufnahme von 1 Kil. Kohlenstoff wieder absorbirt = 2400 W. E.
––––––––––
und es bleiben = 988 W. E

Das producirte Gas besteht aus

Kil.
4,6666 CO=spec. Wärme= 1,1568
3,4418 N=spec. Wärme= 0,8398
1,9966
daher wird die Temperatur dieser Gase seyn = 495°.
Werden nun die Kil. 4,6666 CO abermals verbrannt, so entwickeln sich 4,6666 2400 = 11200 W. E.
das Gas enthielt = 988 W. E.
und die auf 300° erwärmten Kil. 11,503 Luft = 820 W. E.
––––––––––––
13008 W. E.
Die Producte sind Kil.
7,3333 CO2 = spec. Wärme 1,587
10,5458N = 2,573
4,160

und die Initial-Temperatur ist 13008/4,16 = 3127° C.

Um aber eine Vergleichung anstellen zu können, müssen wir Braunkohle als Brennstoff annehmen.

Kil ⅓ dieses Brennstoffes wird dann der Kohlensäure aus dem Kalkstein den Kohlenstoff liefern, um diese zu CO zu reduciren, und ⅔ Kil. zur zweiten Umwandlung in CO dienen.

Da ⅓ Kil. Braunkohle 0,20563 C enthält, so muß die zugebrachte Kohlensäure ebensoviel C enthalten, daher müssen Kil. 1,7136 Ca O + CO2 für je 1 Kil. Braunkohle zersetzt werden.

Kil. 0,41126 C=Kil. 0,95961 CO brauchen dann zu ihrer Verbrennung Kil. 0,54835 O + 1,8171 N=Kil. 2,36545 Luft.

Die dadurch gebildete CO2 nimmt, indem sie sich auf's Neue zu CO reducirt, Kil. 0,4l126 C auf, welche sie in Kil. ⅔ Braunkohle findet.

|461|

Diese enthält aber nebst Kohlenstoff noch:

Kil. 0,17994 Elemente des Wassers und
0,01346 freien Wasserstoff.

Daher enthalten die producirten Gase:

Kil. 1,91922 CO , welche zur Verbrennung verlangen = Kil. 1,0967 O
0,01346 H welche zur Verbrennung verlangen = 0,10768
–––––––––––––––
0,17994 HO 1,20438 O
1,8171 N mitgehend = 3,9908 N
–––––––––––––––
5,19518 Luft.

Da das in erster Instanz verbrannte Kohlenoxyd ebenso viel Wärme producirt als nachher wieder vom Kohlenstoff aufgenommen wird, so heben sich diese zwei Operationen auf.

Dagegen bringt das CO=0,95961 . 0,2479 . 1000° = 238 W. E.
die Luft 2,36545 . 0,2377 . 300 = 168
––––––––––
wovon aber noch für die Verflüchtigung von = 406 W. E.
0,17994 Kil. Wasser abgehen (× 536,67) = 96 W. E.
––––––––––
somit enthalten die Gase = 310 W. E.
die spec. Wärme derselben ist 1,0504, daher deren Temperatur = 310/1,0504 = 295°.
Durch Verbrennung dieser Gase im Ofen werden producirt:
Kil. 1,91922 CO à 2400 = 4606 W. E.
Kil. 0,01346 H à 34000 = 457 W. E.
Vorwärmen von Luft 5,19518 . 300° . 0,2377 = 370 W. E.
Zugebracht von dem Gase = 310 W. E.
––––––––––
5743 W. E.

Die spec. Wärme der Producte ist:

Textabbildung Bd. 190, S. 461

Die Initial-Temperatur = 5743/2,21273 = 2595°.

Mit Hülfe dieser Werthe ergeben sich nun die pyrometrischen Aequivalente für die Ofentemperaturen

1400° 1450° 1500° u. 1550°
2645 2535 2424 2314 W. E.
Evacuation per 1 Kil. 3098 3208 3319 3429 W. E.

Somit gibt durch dieses Verfahren derselbe Brennstoff eine Ofentemperatur von 1500°, wenn ohne dasselbe sie nur 1400° wird.

|462|

Es ist nun zu untersuchen, ob die aus dem Schmelzofen evacuirte Wärmemenge genügen werde, um hinreichende Mengen von CaO, CO2 zu zersetzen und die erhaltene Kohlensäure wieder zu CO zu reduciren.

Wir dürfen annehmen, daß bei den Ofentemperaturen
1400° 1450° 1500° 1550°
sich die Schmelzzeiten verhalten werden wie: 8 5 Stunden.

Alsdann würde der Nutzeffect per Stunde

721680/8 = 90210 W. E. 721680/6,5 = 111028 W. E. 721680/5 = 144336 W. E. 721680/4,5 = 162573 W. E.

Die Transmission der Ofenwände und des Gewölbes, das nur die Hälfte der totalen Fläche ausmacht, berechnet sich dann für diese Temperaturen per 1 Quadratmeter per Stunde:

47697 49187 51114 53109
was für Q. M. 3,42 ausmacht = 163123 168219 174810 181633
plus Nutzeffect wie oben = 90210 111028 144336 162573
––––– ––––– ––––– –––––
Wärmebedarf im Ofen 253333 279247 319146 344206 W. E.

Dividiren wir nun diesen durch die pyrometrischen Aequivalente, so erhalten wir den Brennstoff-Consum per Stunde.

Braunkohle = Kil. 96 110 132 149
die evacuirten Wärmequantitäten 297408 W. E. 352880 W. E. 438108 W. E. 510921 W. E.
Per 1 Kil. Braunkohle sind Kil. 1,7136 CaO, CO2 zu zersetzen; diese brauchen, um sie auf 1000° zu erwärmen, 1000. 1,7136. 0,675083 = 1157 W. E.
an Verbindungswärme 1,7136 . 251 = 430 W. E.
Verbindungswärme um 0,20563 C in CO überzuführen
0,20563 . 2400 = 493 W. E.
––––––––––
2080 W. E.

für oben berechnete Gewichte macht das:

199680 W. E. 228800 W. E. 274560 W. E. 309920 W. E.

Werden diese Quantitäten von der evacuirten Wärmemenge abgezogen, so bleiben für die Ofentransmission disponibel:

97728 W. E. 124080 W. E. 163548 W. E. 201001 W. E.

Die per Stunde zu zersetzenden Gewichte von CaO, CO2 sind:

Kil. 164 188 226 255.

|463|

Da aber bei 1000° die Zersetzung 2 Stunden dauert, so müssen Wir doppelt so große Volumina annehmen als diesen Gewichten entsprechen; wir erhalten:

Kub. Met. 0,246 K. M. 0,285 K. M. 0,338 K. M. 0,382
was je 2 Retorten hoch Met. 1 Met. 1 Met. 1 Met. 1
tief Met. 0,5 0,6 0,7 0,8
breit Met. 0,25 0,25 0,25 0,25

erfordert. Für die Kohle zur Reduction der aus CaO, CO2 stammenden CO2 sind, wenn solche nicht allzu oft gefüllt werden sollen, nothwendig:

Retorten 3 3 4 4
hoch Met. 1 1 1 1
tief Met. 1,2 1,5 1,4 1,5
breit Met. 0,25 0,25 0,25 0,25.

Neben diesen Retorten sind im Ofen noch die Gasgeneratoren anzubringen, da, wie wir gezeigt haben, die Temperatur der in diesen gebildeten Gase nur 295° ist, was kaum eine vollständige und rasche Reduction zuließe; werden hingegen diese Generatoren von außen auf 1000° erwärmt, so kann man sicher seyn daß keine CO2 unzersetzt durchgeht.

Diese Generatoren können unter solchen Umständen haben:

0,8 Met. Länge, 0,45 Met. Breite und 0,8 Met. Höhe.

Werden nun diese Retorten und Generatoren im Ofen so zusammengestellt, daß sie den möglich kleinsten Raum einnehmen und doch zugänglich sind, ebenso den Verbrennungsproducten noch hinlänglichen Spielraum lassen, und umgeben wir dieselben mit = e = 0,5 Met. dicken Mauern von der Leitungsfähigkeit C = 0,6, so wird die Ofenwandfläche im Maximum = 20,66 Q. M. und im Minimum = 15,97 Q. M.

Die theoretische Transmission per 1 Q. M. und per Stunde ist dann:

Textabbildung Bd. 190, S. 463
= 122° und tQ = 122 . 10,197,

die effective Transmission = 4,6 Mal größer = 5722 W. E.

Somit verbraucht die Transmission für die kleinsten Dimensionen:

15,97 × 5722 = 91380 W. E.
Und für die größten Dimensionen = 20,66 × 5722 = 118216 W. E.
Zur Verfügung sind im Minimum = 97728 W. E.,
im Maximum = 201001 W. E.

Es wird also die aus dem Schmelzofen evacuirte Wärme mehr als genügen, um den eben aufgezählten Bedarf zu befriedigen.

Unter der Voraussetzung, daß unsere Annahme betreffend die |464| Dauer der Schmelzen richtig sey, was kaum zu bezweifeln ist, würde dann der Consum per 1 Kil. Stahl = Braunkohle

96 . 8/1552 = Kil. 0,495; 110 . 0,5/1552 = Kil. 0,461; 132,5/1552 = Kil. 0,425; 149,4 . 5/1552 = Kil. 0,431,

während mit dem Regenerativ-Ofen, ohne Elimination von Stickstoff, der Consum 291,8/1552 = Kil. 1,500 ist.

Nachdem der vorliegende Aufsatz bereits beendigt war, erhielt ich die Mittheilung des Hrn. Ferd. Kohn im Octoberheft des practical Mechanic's Journal152 über denselben Gegenstand.

Die Betriebsresultate, welche Hr. Kohn mittheilt, sind identisch mit denen, die Hr. Prof. Kupelwieser angibt, nur sind die Chargen, welche in Newport Steelworks gemacht werden, bedeutend größer und entsprechend auch die Zeiten, welche von der Operation in Anspruch genommen werden. Der Brennstoff ist natürlich Steinkohle statt Braunkohle.

Wir haben gesehen, daß für die Ofentemperatur = 1400° das pyrometrische Aequivalent = 2402 W. E. für Braunkohle ist; für Steinkohle ist es: 7580 - 1400 . 2,82138 = 3630 W. E., so daß Kil. 1,5 Braunkohle gerade Kil. 1 Steinkohle entsprechen, und in der That ist auch der Consum für die Gewichtseinheit Stahl zu einer Gewichtseinheit Steinkohle angegeben.

Von 5 Versuchen sind die Gewichte der Chargen in engl. Pfunden und die Schmelzzeiten folgendermaßen angegeben:

Pfd. 5466 stunden 13
Pfd. 6594 Stunden 14
Pfd. 5376 Stunden 12
Pfd. 9764 Stunden 15
(bestes Resultat unter vielen) Pfd. 7616 Stunden 12
–––––
Mittel Pfd. 6963 Stunden 13,2
(Kil. 3158)

was für Kil. 1552 = 16,27 Stunden machen würde; es sind also durch die größeren Chargen 16, 27 - 13,2 = 3,05 Stunden erspart worden, |465| was nicht viel ist und einen weiteren Beleg liefert, daß die Ofentemperaturen eben nicht höher waren als der Schmelzpunkt des Eisens, denn sonst hätte die Ersparniß an Zeit von einer Ersparniß an Brennstoff begleitet seyn müssen.

Straßburg, im November 1868.

|455|

Kupelwieser: Vergleichung des Bessemerprocesses mit dem Martin'schen Verfahren der Stahlerzeugung, in diesem Bande des polytechn. Journals S. 104 (zweites Octoberheft 1868).

|464|

Wir haben den Artikel des Hrn. Kohn vorstehend S. 445 mitgetheilt.

A. d. Red.

Suche im Journal   → Hilfe
Alternative Artikelansichten
  • XML
  • Textversion
    Dieser XML-Auszug (TEI P5) stellt die Grundlage für diesen Artikel.
  • BibTeX
Feedback

Art des Feedbacks:
Ihre E-Mail-Adresse:
Anmerkungen: