Titel: Dürre, calorische Betrachtungen über den Kupolofenbetrieb in den Eisengießereien.
Autor: Dürre, Ernst Friedrich
Fundstelle: 1871, Band 199, Nr. XCVIII. (S. 366–390)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj199/ar199098

XCVIII. Calorische Betrachtungen über den Kupolofenbetrieb in den Eisengießereien; von Dr. E. F. Dürre in Berlin.

Unterwirft man die verschiedenen Schachtöfen der Gießereien einer vergleichenden Betrachtung, so ergeben sich große Unterschiede in den Grundlagen der Construction und des Betriebes sowie auch in den ökonomisch-technischen Resultaten. Eine Erklärung für dieselben kann häufig nur vermuthungsweise gegeben werden, da eine Beziehung auf theoretische Voraussetzungen nicht eher möglich wird, als bis eine kurze Darstellung |367| der calorischen Wirkungen in der hier versuchten Weise erfolgt und allseitig discutirt ist.

Obwohl alle nothwendigen Daten theoretischer Natur in verschiedenen Hand- und Lehrbüchern wiederholt gegeben worden sind, kann eine ausführliche Betrachtung der einzelnen Classen von Schmelzapparaten doch nur soweit stattfinden, als dieses überhaupt das geringe Material an sicheren Beobachtungen und Versuchen zuläßt; es gibt sich darin ein Mangel kund, der nirgends fühlbarer auftritt als bei diesen so wichtigen und noch so dunkeln Fragen.

Bei den Oefen der Gießerei fehlen neuere und vollständige Versuche noch gänzlich, und die im Interesse anderer, wichtigerer Branchen der Eisenindustrie ermittelten Resultate und Beobachtungen lassen sich für den Gießereibetrieb nur so weit verwerthen, als die Aehnlichkeit der betreffenden Processe und Apparate es zuläßt.

Für die Schachtöfen z.B. dient der Eisenhohofen als Ausgangspunkt, dessen Verhältnisse in neuerer Zeit mehrfach Gegenstand calorischer Rechnungen und Debatten waren; glücklicherweise ist der Betrieb desselben ein so complicirter, daß bei der Ueberführung der dafür gewonnenen Rechnungsresultate in die Statik des Kupolofens nur gestrichen und eliminirt zu werden braucht. So fällt z.B. die Arbeit der Reduction und der Schlackenschmelzung in größerem Maaße gänzlich fort, sobald man den Kupolofen nach dem Hohofen behandelt und alle Wärmeconsumtion, welche auf diese Arbeiten und ihre Vorbereitungsstadien sich beziehen ließe, ist abzurechnen. Dagegen erleichtert die ungleich einfachere Function des Gießereischachtofens andererseits jede etwaige Aufstellung von Annahmen und Hypothesen auf Grund praktischer Erfahrung, so daß in vielen Fällen jene für den Hohofen gefundenen Verhältnisse durch die Vergleiche mit den bei Kupolöfen wirksamen Werthsbeziehungen eine gewisse Kontrolle erfahren.

Die Literatur calorischer Speculation ist, was den Hohofenproceß anbetrifft, in neuester Zeit ziemlich reich geworden; abgesehen von Scheerer, welcher deßfallsige Mittheilungen in seiner Metallurgie Bd. II Lief. 1 macht, haben sich vorzugsweise Tunner und Rinman mit Versuchen am Hohofen selbst, Lowthian Bell u.a. mit Rechnungsoperationen beschäftigt. Besonders hervorzuheben ist aber noch das von C. Schinz herausgegebene, auf sechsjährige Arbeiten und Untersuchungen gegründete Werk: „Documente, betreffend den Hohofen zur Darstellung von Roheisen“ (Berlin, bei Ernst u. Korn), welches zum Theil ganz neue Aufschlüsse bietet.

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Wenn sich auch mancher specifische Hüttenmann an der Form des Gebotenen stoßen dürfte und dieselbe nicht immer geeignet seyn wird, den an sich scharfsinnigen Arbeiten Anerkennung in weiten Kreisen zu verschaffen, so sind die ermittelten Umstände doch voll der größten Wichtigkeit, und lassen sich, wie schon erwähnt, ganz leicht auf die Statik des Kupolofenbetriebes übertragen, wenn man die Ausgangspunkte verändert.

Die Untersuchungen von Schinz erstrecken sich:

über den Verbrennungsproceß, die Contactfläche und den Einfluß der Temperatur;

über die specifische, latente und Verbindungswärme der im Ofen auftretenden Körper;

über die Transmission der Wärme durch die Ofenwände an die sie umgebende Luft, welche die Ursache ist, daß die im Ofen herrschenden Temperaturen viel niedriger sind als man sonst glaubte;

über den im Hohofen vor sich gehenden Proceß selbst;

über den Zustand der Schmelzsäule, ein Gegenstand von unbestreitbarer Wichtigkeit in Beziehung auf die Schachtofenform, wenn die betreffenden Ermittelungen auch noch nicht zu genauen Werthen geführt haben.

Auf die Wege und Mittel, deren sich Schinz bediente, um zu seinen Zwecken zu gelangen, kann nicht weiter eingegangen werden, – die Kenntniß derselben ist durch das Studium seines Werkes, welchem deutliche Zeichnungen beigegeben sind, zu erlangen.

Lediglich die Resultate seiner Versuche interessiren hier und ihre Anwendung auf den Kupolofenbetrieb sowie auf die Construction der Kupolöfen selbst; es erscheint vortheilhaft, hierbei die Ordnung beizubehalten, welche Schinz selbst in seinem Buche eingeschlagen hat und welche dem analytischen Wege entspricht. Es werden dadurch allerdings Punkte berührt, welche in den meisten der bekannten Lehrbücher schon angeführt sind; da aber Schinz ganz richtig die von ihm gebrauchten Werthe vor allen anderen Dingen festzustellen sucht, so muß man diese vorläufigen Bemerkungen ebenfalls adoptiren, wenn man den späteren Deductionen folgen will. So berührt er gleich nach der ersten Einleitung die Verbrennungserscheinungen und stellt alles darüber Bekannte kurz zusammen.

Der Verbrennungsproceß d.h. die chemische Verbindung des Sauerstoffes der Luft mit dem Kohlenstoff und dem Wasserstoff der Brennstoffe verläuft nicht immer, wie Schinz zunächst (S. 9 seines Werkes) constatirt, in derselben Weise.

Zusammensetzung und Natur der Producte mit der entwickelten |369| Wärmemenge, wechseln je nach den Verbrennungsumständen, auch ist die Intensität der Wärme verschieden.

Die Umstände, welche auf Verlauf und Resultat der Verbrennung einwirken, sind:

die Größe der Contactfläche, welche der Brennstoff einem bestimmten Luftvolum in der Zeiteinheit darbietet;

die Höhe der im Verbrennungsherde herrschenden Temperatur, d.h. indirect das pyrometrische Resultat der durch Verluste aller Art beeinflußten Wärmeproduction;

die Reinheit und Trockenheit der zur Verbrennung dienenden Luft;

die größere oder geringere Pressung, unter welcher die Verbrennung vor sich geht.

Diese Umstände können nicht isolirt betrachtet oder gewürdigt werden, sie bedingen sich zum Theil gegenseitig und bilden nur die einzelnen Ringe in der ganzen Kette der Bedingungen und Erscheinungen.

Die als erzeugte Wärmemengen zur Berechnung gelangenden Größen sind nach der Annahme von Schinz:

8000 Calorien oder Wärmeeinheiten für die Verbrennung einer Gewichtseinheit Kohlenstoff zu Kohlensäure;

2400 Wärmeeinheiten für die Bildung von Kohlenoxyd aus Kohlenstoff.

Der freie Wasserstoff im Brennstoffe bildet bei hinreichender Temperatur stets Wasser und entwickelt dabei 34000 W. E. pro Gewichtseinheit; bei nicht ausreichender Temperatur entstehen dagegen verschiedene Kohlenwasserstoffe.

Die Intensität der Wärme hängt nach Schinz hauptsächlich ab:

von der Verdünnung der Verbrennungsproducte durch nicht brennende Stoffe, z.B. Stickgas und Wasserdampf; die Erwärmung derselben constituirt einen namhaften Effectverlust;

von der effectiv entwickelten Wärmemenge, welche den eben angedeuteten Ziffern resp. Combinationen derselben entspricht;

von der Pressung, unter der sich die Producte befinden.

Wie bei jedem chemischen Processe, so wächst auch bei der Verbrennung ihre Energie mit der Zunahme der Contactflächen. Nach den neuesten Annahmen steigert sich diese Energie zu einem ungewöhnlichen Grade bei der sogenannten Staubstrommethode von Whelpley und Storer, welche man versuchsweise in Nordamerika zur Ausführung gebracht hatte.

Indem Schinz eine Reihe von Versuchen mit Kohks in dieser Richtung machte, kam er zu folgenden Schlüssen:

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die Vollkommenheit der Verbrennung hängt ab von dem Verhältniß der Contactfläche zur Geschwindigkeit der hinzuströmenden Luft (betrachtet man, wie dieses in der Praxis wohl vorwiegend vorkommen dürfte, die Contactfläche als durch die Stückgröße des Brennstoffes gegeben, so hängt die Verbrennung mehr oder minder ab von der richtigen Wahl der Luftgeschwindigkeit);

bei einer Geschwindigkeit von 0,39 Met. pro 1 Quadratmeter Contactfläche ist nach den angestellten Versuchen die Verbrennung insofern eine vollkommene, als sich nur Kohlensäure bildet und weder brennbare Gase noch freier Sauerstoff in den Verbrennungsproducten vorhanden sind, während bei geringerer Geschwindigkeit sofort brennbare Gase in den Verbrennungsproducten erscheinen und bei einer Geschwindigkeit von nur 0,09 Met. nahezu aller Kohlenstoff der Verbrennungsproducte als Kohlenoxyd auftritt.

Bei der Berechnung der Contactfläche, welche Schinz mit großer Sorgfalt und Mühe versucht hat, ist nur die Oberfläche der Stücke in Anschlag gekommen; die beim Schachtofenbetrieb angewandten Kohks als poröses Material haben indeß jedenfalls eine weit größere wirksam werdende Contactfläche als sich ermitteln läßt.

Diese Ungenauigkeit hat aber keinen weiteren Nachtheil, als daß die Vergleichung ungleichartiger Kohks etwas schwieriger wird; für die praktischen Fragen, welche hier vorwiegend zur Sprache kommen, erscheint zudem eine größere und wissenschaftliche Genauigkeit mehr oder minder bedenklich, wenn hypothetische Annahmen gemacht werden müssen.

Weitere Versuche, welche Schinz mit Anthracit anstellte, ergaben Resultate welche beweisen „daß der Anthracit vermöge seiner Dichte in der That weniger Contactfläche darbietet als Kohks, da sich bei annähernd gleicher Luftgeschwindigkeit bedeutend mehr Luftüberschuß in den Verbrennungsproducten des erstgenannten Brennstoffes gezeigt hat“ (a. a. Orte S. 18).

Um die Schinz'schen Zahlen und Resultate für den Kupolofenbetrieb der Eisengießereien dienstbar zu machen, ist es nothwendig, die Oberflächen eines bestimmten Maaßes Kohksstücke von mittlerer Größe zu berechnen, deren Anzahl in solchem Raum zunächst gefunden werden muß.

Nach einer von Schinz gegebenen Formel, n³ = (1/d)³, wo l die Seite des Kubus, d den Durchmesser und n³ die Zahl der Stücke bezeichen, sind für Kohkstücke von (3 Zoll 4 Z. 5 Z. 6 Z. rheinisch)/(oder 78 – 105 – 131 – 157 Milimet) die Werthe von n³ beziehungsweise:

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64 – 27 – 13,8 – 8 – für den Kubikfuß rheinisch oder von
ca. 455 – 192 – 98 – 57 – für die preuß. Tonne von 7 1/4 Kubikfuß berechnet.

Die Oberflächen der Stücke berechnen sich am leichtesten, wenn man für die Brennstoffe die Kugelgestalt annimmt und ist dann

M = (1/dd² π.

Nach dieser Formel erhält man für die genannten Stückgrößen je 28,26 50,24 78,50 113,04 Quadratzoll Oberfläche pro Stück.

Pro Gemäßtonne berechnen sich demnach resp. 12858,3 – 9646,0 – 7693 – 6443,3 Quadratzoll oder

= (64 . 1³ π)/(9d. 1461,9)

= resp. 8,785 – 6,598 – 5,262 – 4,407 Quadratmeter, den Quadratmet. = 1461,9 Quadratzoll gerechnet.

Nimmt man das durchschnittliche Gewicht der einheimischen Steinkohle nach den amtlichen Ermittelungen63) auf 401 Pfd., in runder Zahl 400 Pfd. an, und berechnet das Kohksausbringen für Sinterkohlen mit wenigstens 67 Gewichtsprocent und höchstens 160,5 Volumprocent, so erhält man das durchschnittliche Tonnengewicht der Kohks

= 167,5 Zollpfd. = 83,75 Kilogrm.

Die oben ermittelten Zahlen beziehen sich also auf wenigstens 167 Pfd. Kohks, eine Zahl welche nicht constant seyn kann; es gibt auch so dichte Kohks, daß ein Gewicht von 230 Pfd. pro Tonne gefunden wird. Man zieht es in der Regel vor, zum Schachtofenbetrieb überhaupt schwere Kohks zu nehmen, um vor dem Zerdrücken durch die Schmelzsäule sicher zu seyn und es ist somit von Interesse, auch noch andere Werthe für das Verhältniß der Contactfläche zur Gewichtseinheit zu suchen. Zu diesem Behufe bieten sich innerhalb Deutschlands die Ansätze der Zwickauer, oberschlesischen und englischen Kohksmaaße als praktisch gebrauchte Größen dar.

Für das Becken von Zwickau, wo 2 sächs. Scheffel (= 3 3/4 preuß. Scheffel = 15/16 Tonnen) 130 Pfd. wiegen, kommt die Tonne auf 140 Pfd.; für Oberschlesien steigt das Kohksgewicht von 160 bis 200 Pfd., je nachdem es sich um sorgfältiger dargestellte Hohofenkohks oder um unreinere oder weniger dichte Producte handelt. Für eingeführte englische |372| Kohks bester Qualität variirt das Gewicht von 180–230 Pfd., so daß es im Ganzen hier hauptsächlich auf vier verschiedene Gewichtswerthe ankäme:

140 Pfd. . 160 Pfd. . 200 Pfd. . 230 Pfd. pro Tonne = P.

Bezieht man darauf die oben gefundenen Contactflächen, so ergibt sich folgendes Resultat:

Für Stücke von 3 Zoll, 4 Z., 5 Z., 6 Z. Durchmesser ist im Vorstehenden die Oberfläche M pro Tonne auf resp. 8,785 – 6,598 – 5,262 – 4,407 Quadratmeter berechnet worden.

Berücksichtigt man hierbei das verschiedene Tonnengewicht P, so ist die Oberflächensumme MI von 100 Pfd. Kohks

= (100 M)/P; also

a) bei 140 Pfd.
Tonnengewicht 6,2750 4,7129 3,758 3,1478 Quadratmeter
b) bei 170 Pfd.
Tonnengewicht 5,1677 3,8812 3,095 2,5924
c) bei 200 Pfd.
Tonnengewicht 4,3925 3,2990 2,631 2,2035
d) bei 230 Pfd.
Tonnengewicht 3,81965 2,8687 2,287 1,9161

Die für die verschiedenen Stück- und Gewichtsgrößen nothwendige Geschwindigkeit der Luft bestimmt sich, nachdem auf die Verbrennungserscheinung selbst eingegangen und ermittelt ist, in welcher Weise dieselbe sich in dem normalen Gange der Kupolöfen darstellt.

Abgesehen von der technischen Schwierigkeit, die vollkommene Verbrennung eines dicht aufeinander geschichteten Brennstoffes zu bewirken, ist zuvor festzustellen, ob nicht überhaupt eine solche vollkommene Verbrennung, also die ausschließliche Bildung von Kohlensäure, für den hier betrachteten Ofen wirklich von Vortheil wäre. In ökonomischer Beziehung ist nichts dagegen einzuwenden, wohl aber in technischer Hinsicht, da die Kohlensäure, mit oxydirbaren glühenden Körpern in Berührung, sich in Kohlenoxyd und Sauerstoff zerlegt und jene oxydirt. Eine solche Wirkung übt die Kohlensäure besonders auf den Graphitgehalt des Roheisens aus, der geneigt ist, in einer solchen Atmosphäre zu verbrennen. Auch zerfällt in einer so hohen Temperatur das gekohlte Eisen sehr leicht in Eisen und Graphit; der letztere verbrennt ebenfalls und wird durch reducirte Schlacken- und Aschebestandtheile ersetzt, welche das längere Zeit in der Verbrennungszone der Oefen verweilende Roheisen verunreinigen und technisch entwerthen.

Man beschränkt deßhalb in vielen Apparaten die Erzeugung der |373| Kohlensäure gern auf ein geringes Maaß und sucht dieselbe dahin zu localisiren, wo man den höchsten Hitzegrad hervorzubringen beabsichtigt, also in die sogenannte Schmelzzone des Ofenschachtes.

Zu diesem Behufe sind überhaupt die Windzuführungen am unteren Ende der Kupolöfen angelegt und so tief unter der Gicht angeordnet, als es eben die Rücksicht auf das Sammeln gestattet. Gleichzeitig zieht man vielfach, z.B. in den neueren Patentkupolöfen, den Schacht etwas zusammen, weil dann das Verhältniß des Luftstromes zur Kohlenmenge sich noch etwas günstiger für die locale Kohlensäureentwickelung gestaltet.

In welchem Verhältniß die Quantitäten Kohle stehen, die beziehungsweise Kohlenoxyd und Kohlensäure produciren, ist schwer zu ermitteln und läßt sich jedenfalls nur annähernd aus dem Luftconsum betriebener Oefen, weit weniger aus den Größeverhältnissen des Ofenschachtes berechnen. Schinz nimmt an, daß die Hälfte der in einen Eisenhohofen gelangten Kohle zu Kohlenoxyd, die andere zu Kohlensäure verbrenne. In einem Gießereikupolofen dagegen ist das Verhältniß jedenfalls anders und es überwiegt oft die Kohlenoxydbildung, meistens aber die Kohlensäure. Jedenfalls ist es für den Entwurf von Betriebseinrichtungen praktisch, das Maximum des Luftbedarfes und der Geschwindigkeit zu supponiren, also die ausschließliche Production von Kohlensäure anzunehmen. Dieser Fall liegt hier insofern vor, als es sich um Bestimmung der Lufteinlässe späterhin handelt – und es berechnet sich unter dieser Voraussetzung für 100 Pfd. Kohle d.h. Kohks, die 90 Proc.64) reinen Kohlenstoff enthalten, die zur Kohlensäurebildung erforderliche Luftmenge auf 1029,9 Pfd. = rund 398 Kubikmeter.

Weiter berechnen sich für die Zeit, in der jene 100 Pfd. Kohks verbrennen sollen, unter Berücksichtigung der oben gefundenen Contactflächen bei den verschiedenen Kohkssorten die Geschwindigkeiten der frei hinzutretenden Verbrennungsluft in einfacher Weise.

Bezeichnet man das erforderliche Luftvolumen also 398 mit Y, so ergibt sich für den Gesammtweg den die Luft in der Verbrennungszeit von 100 Pfd. Brennstoff zurücklegen muß, die Formel

v = Y/MI

aus der sich dann unter Zugrundlegung der concreten Verhältnisse die Geschwindigkeit |374| pro Zeiteinheit oder durch nochmalige Division mit MI die pro Quadratmeter Oberfläche ermitteln läßt. Führt man nach einander die früher berechneten Werthe von MI ein, so erhält man für die verschiedenen Stückgrößen und verschiedenen Gewichte die folgenden Verhältnißzahlen in laufenden Metern:65)

Textabbildung Bd. 199, S. 374

Daraus geht auf den ersten Blick hervor, in welchem Verhältniß die Geschwindigkeit des Luftzutrittes wachsen muß, wenn das specifische Gewicht der Brennstoffe zunimmt und das Verhältniß der Oberfläche zum Inhalt sich verkleinert.

Natürlich setzen diese Werthe noch voraus, daß der Luftzutritt ein vollkommen unbehinderter ist, daß also die Zwischenräume eines Rostes sowohl als auch der einzelnen Brennstoffstücke unter sich eine ideale Beschaffenheit haben. Deßhalb kann man von vornherein auch annehmen, daß in jedem geschlossenen Raum wo die Zuführung der Luft entweder nur in abgegrenzten Zonen oder durch besonders vertheilte Oeffnungen stattfinden kann, die Geschwindigkeit eine weit größere seyn muß; um alle diese Beeinflussungen theoretischer Leistung vollkommen zu würdigen, wird weiter unten das Beispiel eines Kupolofens von einfach cylindrischer Gestalt und mittlerer Größe betrachtet und für dessen Betrieb die Grundlage der Windführung ermittelt.

Zuvor sind aber noch einige Angaben über die Ermittelung der Zwischenräume für 3 Zoll, 4 Zoll, 5 Zoll und 6 Zoll große Kohksstücke in gegebenen Querschnitten zu machen, da diese Raumgrößen in jedem concreten Fall von Wichtigkeit sind.

Schinz berechnet z.B. die effective Geschwindigkeit der zu einem Verbrennungsherd tretenden Luft in der Art, daß er die Intervalle einer Schicht Brennstoffes ermittelt und damit in das Luftquantum dividirt, welches zu einer bestimmten Zeit |375| (hier also in der Zeit, innerhalb welcher 100 Pfd. Brennstoff verzehrt werden sollen) in den Verbrennungsraum gelangt. Ganz in ähnlicher Weise operirt man auch bei der Ermittelung der Geschwindigkeit resp. Spannung der Verbrennungsproducte des Apparates.

Die Intervalle einer einfachen Kugelschicht von 1 Quadratmeter räumlicher Ausdehnung sind bekanntlich = 1 – (n² d² /4) Quadratmeter, sobald unter n² die Zahl der Kugeln auf 1 Quadratmeter zu verstehen ist und d den Durchmesser der einzelnen Kugeln bezeichnet. Die Zahl n² ist = (1/d)², wo l die Seite des Quadrats und d den Durchmesser der Stücke bezeichnet.

Man hat pro Quadratmeter Feuerfläche für Kugeln jedes Durchmessers

(Dd²π)/4 = (l²/d²) (d² π)/4= π/4 = 0,7853981 Quadratmeter,

1 – (Dd²π)/4 = 1 – π/4 = 0,2146019 Quadratmeter.

Für die abgerundeten Kugelzahlen der Praxis:

165 91 58 40
welche d. Durchmessern 3 Zoll, 4 Zoll, 5 Zoll, 6 Zoll

entsprechen, weichen die Werthe für die Intervalle nur unbedeutend von dem theoretischen ab; es beträgt z.B. die Summe der Kugelquerschnitte = (n₂d22 π)/4

0,78840 0,78794 0,77991 0,77434

und die Intervallsumme:

0,21160 0,21206 0,22009 0,22566

Man sieht beiläufig hieraus, daß die Abweichungen von dem theoretischen Werth mit der Größe der Stücke wachsen, weil die vernachläßigten Bruchtheile alsdann größere Räume repräsentiren.

Da man es aber in der Wirklichkeit nie mit kugelförmigen Brennstoffstücken zu thun hat, sondern mit eckigen und zum Theil sperrigen, so wird es sich empfehlen, anstatt des obigen theoretischen Werthes π/4 – den Werth 0,80 Quadratmeter einzuführen und die Intervallsumme etwas zu verkleinern.

In einer Brennstoffschicht von beliebiger Ausdehnung, eine gleichmäßige Vertheilung und gleich große Brennstoffstücke so weit als möglich vorausgesetzt, wird sich also die Summe der als Rostöffnungen zu betrachtenden Zwischenräume |376| auf 20 Proc. des gesammten Querschnittes belaufen.

Die Geschwindigkeit oder der Weg v der Verbrennungsluft pro 100 Pfd. Brennstoff, wie sie weiter oben für die verschieden großen Kohksstücke ermittelt worden ist, steigert sich demnach vermutlich auf das Fünffache und verursachen 100 Pfd. Kohks in der bekannten verschiedenen Stückgröße von 3–6 Zoll Durchmesser eine Luftgeschwindigkeit innerhalb der ersten zugänglichen Schicht von beziehungsweise:

a) bei 140 Pfd. Tonnengewicht 317,0 422,5 529,5 632,0
b) bei 170 385,0 512,5 643,0 767,5
c) bei 200 453,0 603,0 757,0 903,0
d) bei 230 520,0 692,0 870,0 1038,5

laufenden Metern.

Aus diesen Zahlen läßt sich erkennen, daß für eine bestimmte Geschwindigkeit der Luft, also eine bestimmte mögliche Pressung derselben sich schwerere Brennstoffe in kleinen Stücken ebenso vollkommen verbrennen lassen als leichtere Brennstoffe in größeren, weil die Contactflächen, auf denselben Gehalt an Kohlenstoff resp. dieselbe Verbrennungsluftmenge bezogen, gleiche sind. Diese Folgerung erläutert auch die eigenthümlichen Unterschiede einzelner Kupolöfen der Praxis, sowie die Abweichungen in den Resultaten derselben. Vergleicht man die großen Kupolöfen der Bessemerhütte zu Zwickau mit den Kupolöfen der Eisengießereien zu Berlin, so findet man divergirende Constructionsverhältnisse bei gleichen Betriebsresultaten oder umgekehrt. Der Unterschied ist lediglich in der Qualität der Brennstoffe, d.h. dem Verhältniß zwischen Raum und Schwere begründet.

Die Zahlenwerthe, wie sie vorhin berechnet worden sind, erscheinen sehr groß und sind auch in dieser Ausdehnung nur mittelbar zu benutzen; führt man aber den Factor der Zeit ein, so ergeben sich neue und für den Gießereibetrieb direct benutzbare Verhältnisse. Einen absolut gültigen Zeitraum für die Verbrennung von 100 Pfd. Kohks, auf den es eigentlich ankäme, anzunehmen, vermag man nicht; indeß gewähren die Resultate der bestgefühlten Oefen dafür ein ungefähres Anhalten, sofern man sich auf die üblichen Durchsätze an Roheisen zurückbezieht, die sich nach der beabsichtigten Production des Ofens richten.

Die Production an geschmolzenem Roheisen hat jedenfalls eine in dem Umfang der Fabrication und in anderen Umständen begründete Grenze der Ausdehnung. Man wird in der Regel über 6000 Pfd. Guß pro Stunde nicht hinausgehen dürfen, sobald man mittlere Verhältnisse annehmen will; der Verbrauch an Brennstoff wird mit 10 Pfd. |377| pro 100 Pfd. Guß auch nicht zu niedrig berechnet seyn, umsoweniger, als es sich hier um die vollkommenste Verbrennung, die größte Wärmeentwickelung und die Grenzen des Luftconsums handelt.

Wenn 6000 Pfd. Gußeisen pro Stunde geschmolzen und dazu 600 Pfd. Kohks verbraucht werden, so muß pro Secunde 1/6 Pfd. Kohks verbrannt werden.

Demnach würden die im Vorhergehenden berechneten Maxima der Geschwindigkeitswerthe pro Quadratmeter für vollkommene Verbrennung im Kupolofen pro Secunde betragen:

für Kohksstücke von resp.
3 Zoll
oder
78 Millimet.
4 Zoll
oder
105 Millimet.
5 Zoll
oder
131 Millimet.
6 Zoll Durchmesser
oder
157 Millimet.
a) bei 140 Pfd.
Tonnengewicht

0,523

0,704

0,883

1,053
b) bei 170 Pfd.
Tonnengewicht

0,642

0,854

1,071

1,279
c) bei 200 Pfd.
Tonnengewicht

0,755

1,005

1,261

1,505
d) bei 230 Pfd.
Tonnengewicht

0,868

1,153

1,450

1,731

Vergleicht man die gefundenen, auf praktischen Consequenzen beruhenden Werthe mit dem von Schinz durch Versuche in einem, allerdings mit allen Vorrichtungen gegen Wärmeverluste u.s.w. gesicherten Apparat gefundenen Werthe von 0,39 Metern pro Quadratmeter Contactfläche, so könnte man sich sofort ein nachtheiliges Urtheil über die gewöhnlichen und durchschnittlichen Wärmeverluste in den Kupolöfen bilden, deren günstigste Betriebsresultate hier als Grund der Rechnung angenommen wurden.

Da aber die Schinz'schen Versuche mit Kohksstücken von nur 20 bis 35 Millimet. Durchmesser ausgeführt sind, deren Gewicht nicht genau angegeben ist, die dem Kohlenstoffgehalt nach aber der unter c) angeführten Sorte entsprechen dürften, und da Vermuthungen sich nicht gut machen lassen, so könnte ein Vergleich entweder nur mit einem Mittel der für gleich große Kohlenstücke gefundenen Geschwindigkeiten oder mit den Ziffern der unter c) angeführten Reihe stattfinden, also im ersten Fall mit 0,632 Meter, im zweiten mit irgend einer der vier für Kohks von 200 Pfd. Tonnengewicht aufgestellten Werthe.

Es verhalten sich aber die Geschwindigkeitswerthe der obigen Tabelle annähernd wie die Durchmesser der Stücke |378| und sind unter c) sogar nahe 10mal so groß (specifisches Gewicht und andere Umstände gleich angenommen).

Demgemäß ließe sich für einen Durchmesser von 35 Millimet. auch auf eine Geschwindigkeit von etwa 0,39 Meter schließen, wobei der zweite Weg der Evaluation das genauere Resultat gibt. Hier entspricht dem Durchmesser von 78 Millimet sub c) eine Geschwindigkeit von 0,755 Meter, während die Durchschnittsgeschwindigkeit für die Stücke von 78 Millimet. nur 0,632 Met. beträgt.

Wendet man diese Ergebnisse an, um das erforderliche Windquantum und die Größe der Windzulässe zu bestimmen, so gelangt man zu folgenden allgemeinen Resultaten:

Sollen 1/6 oder 0,16 Pfd. Kohks pro Secunde verbrannt werden, wie oben angenommen wurde, so erfordern dieselben etwa 1,7166 Pfd. oder 858,3 Gramme = 0,663 Kubikmeter atmosphärische Luft von gewöhnlicher Temperatur und gewöhnlichem Druck.

Ohne auf etwaige Correctionen einzugehen, welche selbst der geringe bei den Kupolöfen gebräuchliche Grad der Spannung in der Gebläseluft theoretisch wohl erfordern würde, berechnet man für die verschiedenen Kohkssorten folgende dem denkbar freiesten Luftzutritt entsprechende Düsenverhältnisse in Quadratmetern:

Kohksstücke von
3 Zoll
oder
78 Millimet.
4 Zoll
oder
105 Millimet.
5 Zoll
oder
131 Millimet.
6 Zoll Durchmesser
oder
157 Millimet.
a) bei 140 Pfd. Tonnengew. 1,25910 0,94258 0,7516 0,62956
b) bei 170 1,0339 0,77624 0,619 0,51848
c) bei 200 0,8785 0,6598 0,5262 0,4407
d) bei 230 0,76393 0,57374 0,4574 0,38322

Die verschiedenen Werthe zeigen, daß der summarische Querschnitt der Windzuführungen jedenfalls in gewissen Grenzen proportional der relativen Oberflächensumme des Brennstoffes seyn muß, wenn sie auch constructiv nicht immer anwendbar erscheinen.

Es lassen sich daraus, nachdem sie für die Praxis eine gewisse Reduction erfahren haben, welche proportional der Compression der Gebläseluft, wie sie die Maschine oder der Ventilator liefert, seyn kann, für jede Annahme ganz leicht die Dimensionen der Windeinlässe bestimmen; selbstverständlich muß man sich vorher für irgend eine Art der Ofenconstruction entschieden haben und sich über den nächsten Zweck des Ofenbetriebes klar seyn.

Soweit bis jetzt der Gang der Verbrennung betrachtet worden |379| ist, wurde auf den Raum, in welchem dieselbe stattzufinden hat, keine Rücksicht genommen. Dieses wird nothwendig, wenn man sich den realen Verhältnissen nähern will, die den Einfluß des geschlossenen Raumes deutlich erkennen lassen. Würde man z.B. nach den im Vorhergehenden ermittelten Geschwindigkeitswerthen des Luftzutrittes, sowie den Werthen für die Quantität – die Pressung bestimmen welche in der Windleitung für die verschiedenen Brennstoffgewichte zu erzielen wäre, so hätte man vergessen den Gegendruck in Rechnung zu bringen, welcher durch die Widerstände der Schmelzsäule hervorgerufen wird.

Nicht nur im Hohofen- oder Kupolofenschacht, sondern in jedem Verbrennungsapparate bietet der Brennstoff der zutretenden Luft und den aufsteigenden Gasen einen mehr oder minder beträchtlichen Widerstand; eine genaue Messung oder Bestimmung desselben ist aber unmöglich, denn er ist nie völlig constant und hängt überhaupt von der Größe der Brennstoffstücke, von der Zusammensetzung der Gase und von der Temperatur derselben ab. Es ist indessen nichtsdestoweniger wünschenswerth, Annäherungswerthe dafür zu finden, da nur mit Hülfe solcher die Mittel zur Verminderung des Widerstandes erkannt und gefunden werden können.

Aus allen diesen Gründen hat Schinz versucht, solche Werthe zu bestimmen und sich hierzu der Versuchsresultate bedient, welche ihm seine Arbeiten über die Contactfläche geliefert hatten (man vergl. seine Documente den Hohofen betreffend, Artikel 14 S. 40).

Die zwischen den Brennstoffstücken aufsteigenden Gase müssen sich, nach Schinz's eigenem Ausdruck, durch unendlich viele sehr kleine Canäle hindurchwinden, welche aus den Zwischenräumen der übereinander gelagerten Brennstoffstücke bestehen, es ist also ganz dasselbe, als ob Luft durch ein System von Röhren hindurchgeführt würde, so daß auch die dafür gültigen Coefficienten anzuwenden sind; die einzige Schwierigkeit besteht in der Unregelmäßigkeit der Canäle, da naturgemäß eine richtige Abschätzung derselben nicht gut möglich ist.

Beständen die Brennstoffstücke, wie es bei der Evaluation der Contactflächen angenommen ist, wirklich aus gleichgroßen Kugeln, so würden sich Form und Größe der Canäle fast genau berechnen lassen; in Ermangelung eines besseren Anhaltspunktes muß eben dieselbe Annahme gelten.

Die Intervalle der Brennstoffstücke in einer Schicht von 1 Quadratmeter Größe betrugen nach früheren Rechnungen zusammen ca. 0,2146019 Quadratmeter und bezeichnen die Summe der Querschnitte für die Gascanäle |380| des Verbrennungsherdes. Aus dieser Querschnittssumme berechnet sich die Geschwindigkeit der Gase sehr leicht durch Division des auf verschiedenem Wege (durch Rechnung – oder durch Versuche wie bei Schinz) zu ermittelnden Gasquantums mittelst jener Querschnittssumme, auf die Zeiteinheit einer Secunde bezogen.

Der Widerstand andererseits, welchen die Gase bei ihrem Durchgang durch diese engen Canäle finden, setzt sich zusammen:

  • a) aus der Reibung an den Wänden der Canäle,
  • b) aus der Veränderung der Stromrichtung um die einzelnen Stücke herum,
  • c) aus den Folgen der Querschnittsveränderungen der Canäle, welche eine Expansion und Contraction der Gase bei Erweiterung resp. Verengung der Canäle hervorrufen.

Von diesen Factoren dürften nur die beiden ersten zur Bestimmung kommen, da die Werthe der letztgenannten zu klein sind, um einen wesentlichen Einfluß zu üben und sich überdieß kaum feststellen lassen dürften.

Es wurde bereits angenommen, daß in einem gutgeführten Kupolofen mit hinreichender Windzuführung pro Secunde 1/6 Pfd. Kohks oder rund 83,333 Gramme zu Kohlensäure verbrannt werden.

Dieses Quantum erfordert unter der früher schon gemachten Voraussetzung, daß die Kohks 90 Proc. reinen Kohlenstoff enthalten, für 75 Grm. Kohlenstoff circa 200 Grm. Sauerstoff oder 858,3 Grm. = (den Liter zu 1,295 Grm.) 0,6624 Kubikmeter Luft unter gewöhnlichen Temperatur- und Druckverhältnissen. Es werden dabei producirt:

275 Grm. = (der Liter à 1,97 Grm. berechnet) 0,1466 Kubikmeter Kohlensäure
658,3 Grm. = (der Liter à 1,25 Grm berechnet) 0,5266 Stickstoff
–––––––––––––––––––––––––
zusammen also 0,6732 Kubikmeter

Gase von gewöhnlicher Temperatur.

Um nun die Temperatur zu bestimmen, welche in dem Verbrennungsraum herrschte, ist zunächst zu erwägen, daß 0,075 Kilogrm. Kohlenstoff = 0,075 . 8000 = 600 Wärme-Einheiten producirt haben.

Die Producte aus den Gewichten der Gasmengen in die specifischen Wärmen der Gase geben demnächst eine Summe, welche, in die obige Wärmemenge dividirt, die gesuchte Temperatur als Quotienten gibt.

Es sind demnach die Producte:

0,275 Kilogrm. Kohlensäure × 0,2164 (Schinz) = 0,05951

0,6853 Kilogrm. Stickstoff × 0,2440 (Schinz) = 0,16721

|381|

Die Summe beträgt mithin 0,22672 und die im Herd herrschende Temperatur bestimmt sich folglich auf 600/0,22672 = 2646° Cels.

Mit dieser Temperaturhöhe, bei welcher übrigens die latente Wärme des voraussichtlich vorhandenen Wasserdampfes in den Gasen nicht in Abrechnung gebracht worden ist (dieselbe ist von jenen 600 W. E. abzuziehen), lassen sich die producirten Gasmengen und ihre Geschwindigkeit corrigiren.

Einen constanten Druck vorausgesetzt, berechnet sich das Volumen der Gase bei einer Temperatur t auf V₂ = V₁(1 + 3δt₂)/(1 + 3δt₁), wenn δ den Ausdehnungscoefficienten für die Länge vorstellt.

Setzt man δ = 0,001222, t₁ = 0, t₂ = 2646°, V₁ = 0,632 Kubikmeter, so ist V₂ = 7,2034 Kubikmeter.

Bezeichnet man weiter mit Q den Querschnitt des Ofenschachtes in Quadratmetern, so ergibt sich als Anfangsgeschwindigkeit der Gase innerhalb des aufgeschichteten Brennstoffes v₁ = V₂/(0,2146Q) für alle beliebigen Stückgrößen des Brennstoffes. Für 1 Quadratmeter Querschnitt ist z.B. v₁ = 33,709.

Vergleicht man diese Geschwindigkeit der Verbrennungsproducte mit den weiter oben für dieselben Modalitäten entwickelten hypothetischen Eintrittsgeschwindigkeiten der Verbrennungsluft, so sieht man sofort, welche Spannung im Ofen herrschen muß und wie hoch man die Pressung des einzuführenden Windes steigern muß, um nicht nur die innere Pressung zu überwinden, sondern auch noch so viel Luft in der bestimmten Zeit einzublasen, als zur Verbrennung erforderlich ist.

Die Spannung der Gase im Ofen ist selten gemessen worden; man kann sie aber aus der Stromgeschwindigkeit berechnen, wenn man sich der einfachen Formel p₀ = v₁²/g bedient, also alle Rücksichten auf Temperatur u.s.w. vernachlässigt.

Den obigen Werth für v₁ einsetzend, für g aber 9,81 Met., erhält man als Druckhöhe, in einer Säule von Verbrennungsproducten ausgedrückt, 115,83 Meter, also einen Ueberdruck in Wasser von (p₀ . 933,3)/673000 = p⁰/710,3 = 0,163 Metern oder ca. 6 Zoll.

Dieser durch die Expansion der Gase im Ofen hervorgerufene geringe Druck ist ohne Beziehung zu dem hypothetischen Druck, welcher der Eintrittsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft correspondirt, muß demselben aber zur Erreichung der wirklich auszuführenden Verbrennung (die Consumtion |382| von 1/6 Pfd. Kohlen pro Secunde immer noch vorausgesetzt) hinzugefügt werden und ergibt sodann den summarischen Druck p in dem Apparate.

Die allgemeine Formel würde hiernach lauten: p = p⁰ + (v/g, wo v = dem schon früher auf Y/(0,2146 M₁) bestimmten Weg der Verbrennungsluft pro 100 Pfd. Kohle;

g = der Secundenpendellänge;

p₀ = dem oben ermittelten Gasdruck entspricht.

Da für v eine ganze Reihe von Werthen bestimmt sind, so kann man sich den, allen einem Beispiel zu Grunde liegenden Verhältnissen entsprechendsten aussuchen und einsetzen. Für die Kohkssorte z.B. welche 200 Pfd. pro Tonne wiegt und dem von Schinz angewandten Material am ehesten entspricht, ergibt sich für die Stückgrößen von 3–6 Zoll incl. eine durchschnittliche Geschwindigkeit von 679 Metern pro 100 Pfd. Kohks, also etwa pro 10 Minuten.

Pro Secunde ergibt sich daraus eine Geschwindigkeit von 1,13 Met. bei hinreichend freiem Luftzutritt, wie ihn die früher berechneten Düsenquerschnitte voraussetzen. Ist man durch constructive Rücksichten gezwungen, mit engeren Luftzuführungen zu arbeiten, so steigert sich natürlicherweise die Geschwindigkeit.

(v/g ist hiernach = 0,11519 Met. Luftsäule und = (0,11519 . 858,3)/662400

Meter Wasser oder 0,00014926 Meter, also ein nicht mehr meßbarer Ueberdruck.

Dieses Ergebniß ist insofern von Wichtigkeit, als es zeigt daß die Luftzufuhr an sich keines Ueberdruckes bedarf, und daß es nur die Spannung der Ofengase sowie deren Bewegungshindernisse sind, welche dem Gebläsewind entgegen wirken und eine bestimmte Spannung desselben erforderlich machen, abgesehen von der etwaigen Verkleinerung der Düsenquerschnitte.

Während Schinz zur Bewegung der Gase den Effect eines Gebläses oder einer Esse voraussetzt und aus der Geschwindigkeit der Gase, welche eher bekannt seyn dürfte als die entsprechende Manometerdruckhöhe, die letztere berechnet, sollen hier, von der früher geschehenen Annahme einer bestimmten Kohlenstoffverbrennung pro Zeiteinheit ausgehend, zunächst die Reihe der Widerstände betrachtet und ihre Einzelwerthe berechnet, dann auf die erfahrungsmäßigen Verhältnisse bezogen werden.

Die Widerstände, welche die gefundene Druckhöhe fast vollständig consumiren, berechnen sich nach Schinz folgendermaßen:

|383|

Die Reibung, für welche die Formel (K . CF)/(4S) . p = p₁ gilt, erfordert die Kenntniß der Elemente: K = des Reibungscoefficienten, CF = der Reibungsfläche (in diesem Fall die Contactfläche) und S = des Zwischenraumes zwischen den Kohks.

K wird von Schinz = 0,024 angegeben; für CF haben wir nach früheren Ermittelungen 1/600(M₁) = 100M/600P, wo für M die Oberflächensumme pro Tonne und für P das Tonnengewicht in preuß. Pfunden einzusetzen ist.

Es ergeben sich daraus folgende Werthe von CF in Quadratmetern:

Textabbildung Bd. 199, S. 383

Die Summe der Zwischenräume S zwischen den Kohksstückchen ist = 0,2146 Q, wenn Q den Querschnitt des Ofens bedeutet. Je größer derselbe ist, um so kleiner wird die Reibung nach der obigen Formel für p₁, wo S (ein Bruchtheil von Q) im Nenner steht. Es geht daraus der Vorzug weiterer Oefen hervor, sobald es sich lediglich um diesen einen Punkt handelt. Ganz besonders ist die Anlage weiter Oefen vortheilhaft, wenn es sich um leichte und poröse Kohks handelt, wo die Reibung pro Verbrennungseinheit (Brennstoffgewicht) an sich zum Wachsen geneigt ist.

Rechnet man, um ein Beispiel auszuführen, den Ofendurchmesser für die Leistung von 60 Ctr. pro Stunde auf 2 1/2 Fuß oder abgerundet 0,785 Meter, so beträgt der Ofenquerschnitt

Q = 0,483982 Quadratmeter und

S = 0,2146 Q = 0,1038 Quadratmeter.

Auf 1/6 Pfd. Kohksfüllung würde demgemäß die Reibung betragen:

p₁ = p . (0,024 CF)/ 0,4152, wo für p auch die wirkliche Spannung im Ofen, wenn derselbe in vollem Betrieb ist, eingesetzt werden kann.

Diese Spannung beträgt nach den früheren Ermittelungen für Kohks von 200 Pfd. Tonnengewicht, im Mittel nur 0,163 Meter oder 6 Zoll |384| Wasser, vorausgesetzt daß die Verbrennungsluft selbst ohne Druck eintritt; für CF nimmt man das Mittel der vier Stückgrößen 0,005218, so daß sich p₁ dann

= 0,163 . (0,024 . 0,005218)/0,4152 Meter

= 0,000049164 Meter berechnet.

Die wirkliche Summe an Reibungsverlusten, den Inhalt des Ofens = P₁ gerechnet, ist aber p₁ . P₁ . 6. Rechnet man die Füllung eines Ofens (bei 8 Fuß Totalhöhe und 2 Fuß Gestellhöhe, also 6 Fuß = 1,883 Met. wirkliche Schmelzsäule und 2 1/2 Fuß = 0,785 Met. Durchmesser) auf ca. 4 Tonnen = 800 Pfd., so ergibt sich an Reibungsverlusten, indem man die Eisenstücke der Schmelzsäule gleich groß mit den Kohksstücken voraussetzt, der Maximalwerth von p₁ . 4800 = 0,23594 Metern Wasserdruck, welcher somit die Gasspannung des Inneren weit überwiegt, bei einer dadurch bewirkten Verminderung derselben aber auch selbst rasch herabsinkt.

Die Verlustsumme durch Umbiegungen, p₁₁, berechnet Schinz nach der Zahl von Kugelschichten, welche im Herd übereinander liegen, und hier tritt noch mehr als bei den Reibungsverlusten die Rücksicht auf den Ofendurchmesser auf. Je größer dieser ist, um so geringer ist die Schichtenhöhe.

Einen ähnlichen Einfluß hat die specifische Schwere des Brennstoffes – da die Kugelzahl in demselben Raum bei den leichten Brennstoffen für gleiches Gewicht größer ist als bei den schweren.

Die Schinz'sche Formel x . p = p₁₁ enthält in der Größe x die Kugelzahl, welche früheren Ermittelungen zu Folge pro Tonne Kohks à 7 1/2 Quadratfuß

je 455 192 98 57 für die Durchmesser von
beziehungsweise 3 Zoll 4 Zoll 5 Zoll 6 Zoll betrugen.

Berechnet man x für 100 Pfd. Kohks überhaupt, so findet man in runden Zahlen:

Textabbildung Bd. 199, S. 384

Die Zahl der übereinander liegenden Kugeln wäre alsdann genau genommen – einer der obigen Zahlen, dividirt durch die Zahl einer |385| Schicht, weniger der Anzahl derer welche nebeneinander die unterste Lage bilden und keine Ablenkung verursachen können.

Unter Bezugnahme auf dasselbe Ofenbeispiel, das vorher gewählt wurde, stellt sich die Kugelzahl bei 4 Tonnen = 800 Pfund Inhalt überhaupt auf durchschnittlich 808 (das Eisen in gleich großen Stücken vorausgesetzt). Der Querschnitt des Schachtes von 2 1/2 Fuß = 785 Millimet. Durchmesser beträgt circa 4,9 Quadratfuß; rechnet man pro Quadratfuß ca. 9 Kugeln, so liegen in einer Schicht etwa 44,1 Kugeln, welche in jene 808 zu dividiren seyn würden.

Es bliebe also x = (808 – 44,1)/44 oder 17,4

x . p = 0,163 . 17,4 = 1,836 Meter, wenn p hier wiederum nur die Spannung der sich erhitzenden Verbrennungsproducte im Ofen bedeutet. Von einer Esse oder einer anderen den Zug befördernden Vorrichtung ist hierbei ganz abgesehen, während Schinz die betreffende Wirkung an seinem Versuchsapparate vollkommen in Rechnung zieht. Für Gießereizwecke wie überhaupt für metallurgische Arbeiten ist es genügend, wenn die Gase ohne jede andere Geschwindigkeit den Ofen verlassen als die vermöge ihrer höheren Temperatur ihnen innewohnende.

Von den beiden Verlustwerthen, welche für Reibung und Umbiegung gefunden worden sind, kann indessen nur die Hälfte zur wirklichen Berechnung kommen, da für jede Schicht Brennstoff sich die Wege der Gase, mithin die Werthe der Contactflächen und die Zahl der Umbiegungen vermindern.

Einer Spannung von 0,163 Metern = 6 Zoll Wasser würden im vorliegenden speciellen Fall entsprechen:

a) ein Reibungsverlust von 0,23594/2 = 0,11797 Metern;

b) ein Umbiegungsverlust von 1,8364/2 = 0,9185 Metern.

Der Spannung von 0,163 Metern, welche die Gase ohne jene Hindernisse besitzen müßten, treten Widerstände von zusammen: 1,03647 Meter Wassersäule entgegen. Der Gebläsewind muß also eine Maximalspannung von 1,03647 – 0,163 Metern = 873 Millimet. oder über 33 Zoll Wassersäule besitzen, um das freie Austreten der Gase aus der Gicht, ohne eine andere Spannung als die früher angedeutete, zu bewirken.

Diese Pressungshöhe ermäßigt sich indessen abermals, wenn man bedenkt daß die nach unten zu vorangeschrittene Verbrennung der Kohks das Kleinerwerden der Stücke, folglich auch die Verminderung der Contactflächen |386| und der Umbiegungsverluste, dagegen die Erweiterung der Zwischenräume nach sich zieht und daß die Widerstände der Schachthöhe proportional vom Gestell nach der Gicht zu, etwa von O bis zum gefundenen Maximalwerthe wachsen. Es würden sich die Verluste also wiederum auf die Hälfte, d.h. 0,51823 Meter reduciren.

Eine weitere aber nicht berechenbare Reduction erfahren sie dadurch, daß bei scharf gehenden Oefen durch das Schmelzen der Roheisenstücke (die zur Vereinfachung der Rechnung hier wie Kohksstücke angesehen worden sind) die Contactflächen und die Bildung der Gascanäle in energischer Weise modificirt werden.

Wie weit dieser Einfluß geht, ist schwer zu entscheiden, da die praktischen Roheisenschmelzer den Beginn der Schmelzzone nicht übereinstimmend zu bezeichnen vermögen und die Apparate sich darin auch ungleich verhalten.

Es folgt daraus, daß ein Gebläse welches der ausgerechneten Maximalwindpressung in seinen Leistungen entspricht, nie in vollen Anspruchgenommen zu werdenbraucht, um so weniger, da noch die Wirkung des Ofens selbst als Esse und der ihm eventuell aufgesetzten kurzen Esse von 30–35 Fuß hinzukommt, um die Widerstände abzuschwächen, eventuell ganz aufzuheben.

Bei den Versuchen von Schinz erschienen die gefundenen Größen des Essenzuges einerseits und die Summe der Widerstände (einschließlich der Essenreibung) andererseits, bis auf geringe Differenzen äquivalent.

Ohne diese Resultate auf die Praxis direct übertragen zu wollen, können wir doch behaupten, daß für den von uns betrachteten Schachtofen (die gegenseitigen Verhältnisse der Reibungsverluste, wie sie aus den Schinz'schen Versuchen mit ziemlicher Uebereinstimmung hervorgehen, vorausgesetzt) der Zug des Ofens schon allein im Stande ist, die inneren Widerstände zu besiegen. Auf der Richtigkeit dieser Behauptung beruhen die vielfachen Versuche, welche mit Erfolg in der Richtung stattfanden, bei den Gießereischachtöfen das Gebläse durch den Zug zu ersetzen.

Demnach wäre eine Windpressung welche der ursprünglichen Gasspannung im Ofen äquivalent ist, zum Betrieb bereits genügend, sobald es möglich ist, die Windzuführungen wie sie früher für atmosphärische Spannung berechnet wurden, dem gefundenen Winddruck entsprechend modificirt, beizubehalten.

Im Anschluß an die vorhergehenden Berechnungen lassen sich die Fragen der Wärmeabsorption durch Wind und Gase am besten |387| behandeln, um auch diese Verlustquellen festzustellen, die freilich einen anderen statischen Factor, die Wärmeentwickelung des Apparates betreffen. Nach den früheren Berechnungen producirten die pro Secunde verbrannten 83,333 Grm. Kohks mit circa 75 Grm. C gehalt etwa

0,1466 Kubikmeter CO²
0,5266 N

also zusammen 0,6732 Kubikmeter Gase von etwa 2646°C.

Die producirte Wärmemenge belief sich dagegen auf 600 W. G., von denen ein Theil durch die Winderhitzung resp. die der Gase, ein anderer Theil durch die Schmelzung des Roheisens und ein dritter durch Strahlungsverluste absorbirt werden mußte.

Die zur Verbrennung nothwendigen 858,3 Gramme = 0,6624 Kubikmeter Luft bedürfen zu ihrer Erhitzung auf die obige Gastemperatur eines Wärmequantums von W = Qwt, wo Q die Gewichtsmenge, w der Coefficient der specifischen Wärme, t die verlangte Temperatur bedeutet.

W ist hiernach = 0,8583 . 0,2370 . 2646° = 536 Wärmeeinheiten, ein Quantum welches sich durch Aufnahme des Kohlenstoffes bis zu 600 in den Gasen steigert. Hiernach bliebe nichts für die Roheisenschmelzung übrig; bedenkt man aber, daß die erhitzten Gase nicht mit der gefundenen Temperatur, also 2646°, den Ofen verlassen, sondern mit 10–15 Proc. dieser Wärme, so ergibt sich eine Wärmemenge von 510–540 Wärmeeinheiten, die innerhalb des Ofens verwendet werden, also zur successiven Erwärmung des Brennstoffes auf die den Verbrennungsgasen entsprechende Temperatur und zur Schmelzung des Roheisens dienen.

Eine Controlle hierfür ergibt die Berechnung der für Brennstoffvorwärmung und Eisenschmelzung consumirten Wärmemengen, bezogen auf die bereits früher ermittelte Temperatur von 2646°, als der in den Gasen herrschenden Hitze. Die bei dieser Rechnung benutzten Werthe für die specif. Wärmeeffecte verschiedener Materialien sind der von Schinz (a. a. O. S. 32) gegebenen Tabelle entnommen.

Die Wärme zur Vorbereitung der Kohks ist hiernach:

WI = 2646 . 0,083 . 0,651135 = 143,58 W. E.

Die zum Roheisenschmelzen aufgewendete dagegen:

WII = 2646 . 0,833 . 0,166469 = 367,06 W. E.

Der Leitungsverlust in den Ofengasen selbst kann =

WIII = 60 bis 75 Wärmeeinheiten (10 bis 15 Proc. der überhaupt producirten Menge) angenommen werden.

|388|

Es bleiben mithin noch 15 bis 30 W. E. zurück, welche zur Compensation für Strahlungsverluste, Wärmeverluste durch Wassergehalt der Luft u.s.f. verwendet werden.

Alle vorhergehenden Schlußfolgerungen sind unter der Annahme gemacht worden, daß die Luft und die Gase des Ofens nur so viel Spannung besitzen, als erforderlich ist, um den Widerständen aller Art zu begegnen. Alle Umstände ändern sich aber, sobald, wie dieses in der Regel und namentlich bei älteren Ofenconstructionen der Fall ist, der Wind stärker gepreßt wird und in dünnen Strahlen das Innere des Ofens erreicht.

Jede Zunahme an Pressung steigert die Verbrennungsenergie dadurch, daß in dem Verbrennungsraum die Gase ebenfalls comprimirt werden und die in ihnen bereits vorhandene Wärmemenge, auf einen geringeren Raum reducirt, den Temperaturgrad erhöht, also den pyrometrischen Effect der Verbrennung steigert. Diese Steigerung wirkt natürlich auch auf die herabrückenden Brennstoffe und beschleunigt das Eintreten der Entzündungstemperatur.

Berechnet man nach der von Schinz (a. a. O. S. 24) aufgestellten Formel T11= W/w (1 + p/B), wo W die vorhandene Wärmemenge, w den Coefficienten der specifischen Wärme der Verbrennungsproducte und B den Barometer-, p den Manometerstand bezeichnet, – die gesteigerte Temperatur für den mehrerwähnten Kupolofen von 30 Zoll Weite und 8 Fuß Höhe, so ergibt sich zunächst für den Druck der Gase von 0,163 Meter Wasser eine Temperaturzunahme von 0,163 W/10,308 w = 32,6° C.

Nimmt man den enormen Druck von 20 Pfund an, welchen Bessemer für seine neuen Hochdruckapparate zu verwenden beabsichtigt, so ist die ganze Formel T11= W/w (1 + 20,000/14,661) = 2646° + 3609,8° = 6255,8°.

Praktisch ist diese Temperatursteigerung nur bis zu einer gewissen Grenze auszunutzen, da mit einer solchen Zunahme sich auch die Verluste steigern, welche wiederum Wärmemengen absorbiren.

Eine Wärmeproduction findet überhaupt nicht dabei statt, sondern die Wirkung einer gesteigerten Pressung ist nur local und macht sich vorzugsweise durch eine energische Verbrennung geltend. Ebenso werden aber auch andere chemische Beziehungen dadurch enger geknüpft und |389| namentlich in erster Linie die Reduction der erdigen Gemengtheile der gesammten Beschickung und die Ueberführung der Radicale in das Roheisen erleichtert.

Trotzdem wird man aber auch bei den Gießereiöfen mit einer gewissen Spannung arbeiten, da der Widerstand der Schmelzsäule überwunden werden muß, um der hinreichenden Luftmenge den Zutritt zum Inneren des Ofens und die Bildung von möglichst viel Kohlensäure möglich zu machen. Die Grenzen der der Luft zu gebenden Spannung wird man nach dem Vorhergehenden auf 6 und 15 Zoll Wassersäule annehmen können. Das geringste Maaß der Pressung, also 6 Zoll entspricht ja der Gasspannung des Ofeninneren und spielt die Rolle einer Fundamentalgröße, die zunächst ermittelt werden mußte.

Es ist von Interesse, dieses Resultat mit denen directer Beobachtungen und Messungen zu vergleichen, welche in Bezug auf die Spannungen im Inneren der Hohöfen von verschiedenen Seiten gemacht worden sind.

Rinman in Schweden und Tunner in Oesterreich haben Versuche angestellt, wornach 6 bis 24 Millimeter als Ausdruck für die Pressung des Inneren eines Hohofens hervorgingen (man vergl. Percy-Wedding's Eisenhüttenkunde, 2. Abtheilung S. 187). Was die Ursachen anbetrifft welche sich daselbst angegeben finden, so treffen sie wesentlich mit denen zusammen, die hier angeführt worden sind, wozu bei dem Hohofen noch die stärkere Pressung des Windes tritt. Indessen wird dieselbe ihrerseits durch die engeren Querschnitte des Gestelles bedingt; – auf ein durchschnittliches Horizontalprofil bezogen, sinkt ihr Einfluß auf die bleibende Spannung der Ofengase fast bis auf Null herab und wirkt nur zur Beseitigung der Widerstände.

Jene 6 bis 24 Millimeter geben circa 3,4 bis 13,6 Zoll Wassersäule, also im Mittel 8,5 Zoll, die nur um ein Geringes den Druck im Inneren der Gießereischachtöfen übertreffen.

Die Verbreiterung der Schmelzsäule oberhalb des Gestelles, der Einfluß der Rast, mag lockernd und vertheilend auf die Massen einwirken, und das Verhältniß der gegenseitigen Schmelzsäulenhöhen, in der Ofengasspannung nicht recht zum Vorschein kommen lassen.

Jedenfalls wird man, worauf schon J. v. Hauer und neuerdings Ledebur hinwiesen, bei der Berechnung der Windmenge nach Düsenquerschnitt und Manometerdruck an der Windleitung, eine bisher vernachlässigte Correction eintreten lassen müssen und nur die Differenz der Spannung des Inneren von Ofen und von Windleitung zur Berechnung ziehen dürfen.

Da, wie aus den Zusammenstellungen dieses Aufsatzes zu ersehen |390| war, die Wärmeverluste durch Strahlung des Ofenmantels, durch Binden der Wärme an Wasserdampf und durch etwaige Dissociationserscheinungen, nur unbedeutende seyn können, indem nur 14 bis 20 Wärmeeinheiten von 600, also 2,3 bis 3,3 Proc. dafür übrig blieben, so kann man dieselben in der Voraussetzung daß alle Veranlassungen zu besonderen Verlusten dieser Art bei der Construction des Ofens selbst vermieden werden, vernachlässigen.

Sie treten bei dem Schachtofen überhaupt mehr zurück, während bei den Flammöfen denselben eine größere Wirksamkeit gegeben ist, die in der verschiedenen Construction und dem verschiedenen Princip sich begründet. Von hervortretender Wichtigkeit ist demnach bei dem Schachtofen der Eisengießereien die Einwirkung der Schmelzsäule, in ihrer ganzen Beschaffenheit, auf den Verbrennungsproceß – also nach Stückgröße, Schwere und Gehalt an Kohlenstoff. Daran knüpft sich die variable Größe der verschiedenen Widerstände jeder Art und der Wärmeverluste, welche auf das Aeußerste zu reduciren jedes Technikers eigentliche Aufgabe seyn soll.

Soweit sich mit Hülfe möglichst durchschnittlicher Resultate aus der Praxis, aber ohne directe Messungen und Versuche der Frage nahe treten ließ, ist es hier geschehen, doch muß erst die Vervollständigung durch technischerseits angestellte Ermittelungen abgewartet werden, ehe ein wirklich endgültiges Urtheil gesprochen werden kann.

|371|

In der preußischen Zeitschrift, 1868, Bd. XVI, statistischer Theil S. 57, wird die Totalförderung Preußens pro 1867 auf 420,571,116 Ctr. = 104,856,494 Tonnen angegeben.

|373|

Schinz gibt a. a. O. S. 105 im Artikel 34 als Grenzwerthe des Kohlenstoffgehaltes der Kohks 0,9 und 0,7 Kilogrm. per 1 Kilogrm. an, wornach sich also der Mittelwerth = 0,8 berechnet haben würde.

Bei der obigen Berechnung wurden die besten Kohks deßhalb supponirt, weil dadurch das Maximum für die zu verbrauchende Luftmenge bestimmt wird, abgesehen von der mehrfach ausgedrückten Nothwendigkeit, zum Kupolofenbetrieb überhaupt nur gute Kohks verwenden zu müssen.

|374|

Hierbei ist eine Constanz der Oberflächen vorausgesetzt, welche in der Wirklichkeit nicht vorkommen kann, da mit dem Fortschreiten der Verbrennung sich auch die Oberflächen verkleinern, die Luftzuführung mithin noch rascher geschehen muß, als es die folgenden Anfangsgeschwindigkeiten andeuten.

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