Titel: Snelus, über die Zusammensetzung der Gase welche sich in der Bessemerbirne während des Blasens entwickeln.
Autor: Snelus, Georg J.
Fundstelle: 1871, Band 202, Nr. XXXIV. (S. 145–154)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj202/ar202034

XXXIV. Ueber die Zusammensetzung der im Bessemerconverter während des Blasens sich entwickelnden Gase; von Georg J. Snelus, Adjunct der königl. Bergschule in London.

Vorgetragen im Iron and Steel Institute. – Aus dem Engineer, September 1871, S. 167.

I. Zweck der Untersuchungen.

Prof. Roscoe hat in seiner Vorlesung über Spectralanalyse im Iron and Steel Institute auf die Schwierigkeit hingewiesen, die Ursache zu bestimmen welche das Auftreten des größeren Theiles der Linien im Bessemerspectrum bedingt und dabei bemerkt daß, während die Mehrzahl der Beobachter diese Linien auf Kohlenstoff in irgend einer Form bezieht, andere der Ansicht sind, daß dieselben von Mangan herrühren. Nehmen wir an, daß die Linien durch Kohlenstoff hervorgerufen werden, so ist klar, daß eine Analyse des die Linien erzeugenden Gases zur Lösung der Frage beitragen müßte, da dieselbe uns darüber belehren würde, welchem Zustande des Kohlenstoffes wir die Entstehung jener Linien zuzuschreiben haben. Dieß ist von Wichtigkeit, da wir wissen, daß der Kohlenstoff in verschiedenen gasförmigen Verbindungen und bei verschiedenen Temperaturen mehrere verschiedene Spectra gibt, wie Dr. Watts nachgewiesen hat.

Eine andere Frage, welche sich bei der Untersuchung des Bessemerspectrums aufdrängt, ist folgende: vorausgesetzt, die charakteristischen Linien rühren von Kohlenstoff her, wie kommt es dann daß das Kohlenstoffspectrum nicht in den früheren Stadien des Blasens wahrzunehmen ist, da die Analyse des Metalles unbestreitbar beweist daß Kohlenstoff von Anfang an in beträchtlichen Mengen verbrennt?

Es schien mit, daß Analysen des in verschiedenen Perioden des Blasens entwickelten Gases zur Lösung dieser Probleme beizutragen vermöchten; denn obgleich allgemein angenommen wird, daß während des Umwandlungsprocesses der Kohlenstoff des Roheisens zu Kohlenoxyd verbrannt wird, so ist doch die Richtigkeit dieser Behauptung meines Wissens noch niemals bewiesen worden. Aus den im Nachstehenden mitgetheilten Analysen wird sich ergeben, daß jene Behauptung nur theilweise wahr ist und daß die Zusammensetzung der entwickelten Gase uns eine Einsicht in die Natur des stattfindenden Processes gewährt, welche uns |146| Analysen des Metalles und der Schlacken in verschiedenen Stadien nicht gestatten würden.

II. Verfahren zum Auffangen der Gase.

Das zu den Analysen bestimmte Gas wurde mittelst eines langen eisernen Gasrohres aufgefangen, an dessen Ende ein schwanenhalsförmig gebogenes, aus feuerfestem Thon angefertigtes Trompetenmundstück befestigt war; letzteres wurde in den Hals des Converters (der Birne) eingesenkt, nachdem dieselbe aufwärts gedreht worden war. Gewöhnlich versetzte es sich während des Versuches mit Schlacke und konnte deßhalb nur zu einem einzigen Experiment benutzt werden. Das Mundstück wurde so tief in den Converter eingesenkt, daß man sicher war, daß keine Luft in das Rohr eingesogen werden konnte. Am anderen Ende des Eisenrohres wurden in besonderen Perioden des Blasens, sobald ich Gas zur Analyse benöthigte, Glasröhren befestigt und vor dem Abnehmen vom Rohr mittelst des Löthrohres zugeschmolzen. Während der ganzen Zeit ließ ich einen constanten Gasstrom durch das Rohr ziehen und da ich diese Operation zwei Minuten lang bevor die erste Gasprobe gesammelt wurde, vornahm, so konnte ich sicher annehmen daß alle Luft ausgetrieben und das Ganze eine richtige Probe von dem durch die directe Wirkung des Gebläsewindes auf das Metall und dessen Bestandtheile entwickelten Gase war. Es fand sich, daß während des ersten Theiles des Blasens das Gas am Ende des Eisenrohres nicht brannte; aber vom Beginne des „Kochens“ an bis zur Beendigung des Blasens brannte es mit der für das Kohlenoxydgas charakteristischen blaßblauen Farbe. – Proben des Gases wurden nach je zwei Minuten genommen und der Analyse unterzogen.

III. Bei der Analyse befolgte Methoden.

Zur Analyse des Gases benutzte man eine modificirte Form des Apparates welchen Frankland für die bei der Wasseranalyse auftretenden Gase anwandte, welcher sich für diesen Zweck vorzüglich geeignet erwies. Die Gasproben 3 und 5 wurden nach verschiedenen Methoden analysirt; in dem einen Falle wurde das Kohlenoxyd durch Absorption mit einer chlorwasserstoffsauren Lösung von Kupferchlorür, in dem anderen durch Verbrennung mit elektrolytischem Knallgas und Sauerstoffgas und darauf folgende Absorption durch Kali, nach der Methode von Bunsen bestimmt. Wir werden sehen, daß die erhaltenen Resultate genau mit einander übereinstimmen.

|147|

IV. Details der Gasanalysen und Folgerungen aus denselben.

Probe I. – Dieselbe wurde zwei Minuten nach dem Beginne eines Blasens genommen, welches achtzehn Minuten dauerte. Das Gas enthielt:

Kohlensäure 10,71
Sauerstoff 0,92
Kohlenoxyd 0,00
Wasserstoff, nicht bestimmt
Stickstoff
88,37
––––––
100,00

Dieses Resultat war mit ganz unerwartet, weil gewöhnlich angenommen wird daß der Kohlenstoff in allen Stadien des Blasens unmittelbar zu Kohlenoxyd verbrennt. Nehmen wir den Stickstoff in dieser Probe zu 87 Volumen an, so entspricht dieß 23,03 Volumen Sauerstoff. 10,71 Volume Kohlensäuregas enthalten 5,35 Volume Kohlenstoffdampf, welche auf atmosphärische Luft als Einheit bezogen, 4,43 Gewichtstheile Kohlenstoff repräsentiren. Die Kohlensäure enthält ihr eigenes Volum Sauerstoff, welches, von 23,05 abgezogen, 12,34 Volume = 13,62 Gewichtstheile Sauerstoff zur Verbindung mit anderen Elementen als Kohlenstoff übrig läßt. Nun enthält gewöhnliches englisches Bessemereisen wohl kaum andere oxydirbare Stoffe als Kohlenstoff, Silicium und Eisen; denn Mangan ist gewöhnlich nur in geringer Menge vorhanden, Schwefel nur in verschwindenden Spuren, und der Phosphor bleibt unangegriffen. Hinsichtlich der drei oxydirbaren Stoffe wissen wir aus den Schlackenanalysen, daß das Eisen erst gegen Ende des Processes in einigermaßen beträchtlicher Menge verbrennt, so daß wir nur den Kohlenstoff und das Silicium in Betracht zu ziehen haben.

Wir können demnach annehmen, daß die 13,62 Gewichtstheile Sauerstoff sich bloß mit Silicium verbinden, so daß (da 32 Theile Sauerstoff mit 28 Theilen Silicium, also in dem Verhältnisse von 8 zu 7 sich vereinigen) in diesem Stadium des Processes 11,91 Theile Silicium nebst 4,43 Theilen Kohlenstoff oxydirt werden; woraus man ersieht daß, obgleich sich beide Elemente oxydiren, das Silicium am raschesten verschwindet. Dieß beweist auch die Analyse des Metalles, denn eine Roheisencharge welche beim Abstechen in den Converter 3,57 Proc. Kohlenstoff und 2,26 Proc. Silicium enthielt, hatte, wie Barker fand, nach wenigen Minuten 0,53 Proc. Kohlenstoff und 1,205 Proc. Silicium verloren.

Hinsichtlich der Natur des Gases welches sich in einem Zeitpunkt |148| zwischen jenem ersten Probenehmen und dem zwei Minuten später erfolgten Probenehmen entwickelte, gebe ich hier als Beispiel die Resultate der von meinem Freunde W. Thorp, Vorstand des Laboratoriums der Rivers' Commission, ausgeführten Analysen zweier hinter einander in Glasröhren aufgefangenen Gasproben, die ich vier Minuten nach dem Beginne eines Blasens nahm, welches, da der Converter neu oder das Eisen kalt war, neunundzwanzig Minuten dauerte.

Das Rohr Nr. 1
enthielt:
Das Rohr Nr. 2
enthielt:
Kohlensäure
Sauerstoff
Kohlenoxyd
Wasserstoff und Stickstoff
8,940
0,916
0,078
90,066
9,296
0,113
0,044
99,544
100,000 100,000

Probe 2. – Sie wurde vier Minuten nach Beginn des Blasens genommen. Das Gas enthielt:

Kohlensäure 8,57
Kohlenoxyd 3,95
Wasserstoff 0,88
Stickstoff 86,50
––––––
100,00

Es ist hier zu bemerken, daß die Menge des Kohlenoxydes allmählich zunimmt, während die der Kohlensäure sich vermindert.

Probe 3. – Sechs Minuten nach dem Beginne des Blasens genommen. Dieselbe enthielt:

Durch Absorption
bestimmt.
Durch Verbrennung
bestimmt.
Kohlensäure
Kohlenoxyd
Sauerstoff
Wasserstoff
Stickstoff
7,89
4,65
fehlte

87,55
8,20
4,52
fehlte
2,00
85,28
100,00 100,00

Zerlegen wir diese Resultate in derselben Weise wie bei Probe 1, so finden wir daß 85,28 Stickstoff 22,61 Volumen Sauerstoff entsprechen. Der Kohlenstoff ist mit 10,46 Volumen Sauerstoff verbunden, so daß |149| 12,15 Volume (13,42 Gewichtstheile) Sauerstoff zur Verbindung mit anderen Elementen übrig bleiben. Diese erfordern 11,74 Theile Silicium, während die Menge des als Gas entweichenden Kohlenstoffes 5,27 Theile beträgt. Der Kohlenstoff wird daher jetzt im Verhältniß zum Silicium rascher oxydirt, als dieß zur Zeit des Nehmens der Probe Nr. 1 der Fall war.

Probe 4. – Dieselbe wurde zehn Minuten nach dem Beginne des Blasens und möglichst bald nach dem Eintreten des Kochens genommen. Jetzt war das vollständige Spectrum sichtbar und constant, und blieb so bis zum Ende des Blasens. Das Gas enthielt:

Kohlensäure 3,58
Sauerstoff fehlte
Kohlenoxyd 19,59
Wasserstoff (nicht bestimmt) 2,00 (wahrscheinlich)
Stickstoff 74,83
––––––
100,00

Hier ist die bedeutende Zunahme des Kohlenoxydgehaltes und die entsprechende Verminderung der Kohlensäure bemerkenswerth. Daraus erklärt sich die verstärkte Leuchtkraft der Flamme in dieser Periode des Processes, da wir nun ein großes Gasvolum haben, welches an der Mündung des Converters wirklich brennt. Nehmen wir an, daß der sämmtliche in Verbindung mit anderen Elementen jetzt sich entwickelnde Sauerstoff direct von dem in diesem Stadium durch das Eisen gepreßten Gebläsewinde herrührt, so haben wir für die 74,83 Volume Stickstoff, 19,84 in den Converter eintretende Volume Sauerstoff; da aber die Kohlensäure 3,58 Volume und das Kohlenoxyd 9,79 Volume Sauerstoff enthält, im Ganzen also 13,37 Volume Sauerstoff an Kohlenstoff gebunden sind, so bleiben noch 6,47 Volume Sauerstoff zur Verbindung mit anderen Elementen übrig. Diese Sauerstoffmenge würde 6,25 Theile Silicium oxydiren, und da jetzt 9,6 Theile Kohlenstoff verbrannt werden, so sind hier die Verhältnisse umgekehrt, d.h. Kohlenstoff wird rascher oxydirt als Silicium. Dieß ist der Zeitpunkt in welchem die Kohlenstofflinien scharf hervortrreten und die Analyse belehrt uns, weßhalb dieß so ist.

Probe 5. – Sie wurde zwölf Minuten nach Beginn des Blasens aufgefangen. Das Gas enthielt:

|150|
Durch Absorption
bestimmt
Durch Verbrennung
bestimmt.
Kohlensäure
Sauerstoff
Kohlenwasserstoffe
Kohlenoxyd
Wasserstoff
Stickstoff
2,47
fehlte
fehlten
29,58

67,95
2,30


29,30
2,16
66,24
100,00 100,00

Diese Gasprobe wurde speciell auf einen Gehalt an Kohlenwasserstoffen geprüft, denn wenn sich eine bestimmbare Menge derselben bilden sollte, so würde es höchst wahrscheinlich in diesem Stadium des Processes der Fall seyn. Obgleich aber das Gas zwölf Stunden lang mit rauchender Schwefelsäure in Berührung gelassen wurde, fand doch keine Absorption statt. Da die durch Verbrennung erhaltenen Resultate gleichfalls die Abwesenheit von Kohlenwasserstoffen erweisen, so glaube ich mit Recht schließen zu dürfen, daß eine Bildung derselben nicht stattfindet.

Probe 6. – Dieselbe wurde vierzehn Minuten nach Beginn und vier Minuten vor Beendigung des Blasers genommen. Das Gas enthielt:

Kohlensäure 1,34
Sauerstoff fehlte
Kohlenoxyd 31,11
Wasserstoff (nicht bestimmt) 2,00 (wahrscheinlich)
Stickstoff 65,55
––––––
100,00

Auffallend ist hier der hohe Gehalt an Kohlenoxyd und die sehr geringe Menge von Kohlensäure; 65,55 Theile Stickstoff entsprechen 17,37 Sauerstoff, 16,89 Volume (18,66 Gewichtstheile) Sauerstoff sind mit 13,45 Theilen Kohlenstoff verbunden, daher 0,53 Theile Sauerstoff übrig bleiben, welche sich mit 0,46 Theilen Silicium verbinden würden, so daß in diesem Zeitpunkte praktisch genommen, bloß Kohlenstoff oxydirt wird, indem die letzten Spuren von Silicium nur sehr allmählich verschwinden.

Ueberblicken wir diese Analysen, so ersehen wir daraus, daß in der ersten Periode des Blasens Kohlensäure gebildet wird, mit wenig oder gar keinem Kohlenoxyd, während in der letzten Periode Kohlenoxyd entsteht mit nur Spuren von Kohlensäure. Es drängt sich daher die Frage auf, weßhalb der Kohlenstoff in dem einen Zeitabschnitte zweimal so viel Sauerstoff aufnimmt, als in einem anderen, unter anscheinend gleichen Bedingungen? Meine eigene Ansicht ist die, daß sowohl die chemische Reaction als auch die Abweichung der Spectra von dem unter gewöhnlichen |151| Umständen beobachteten Spectrum des Kohlenoxydes Functionen der Temperatur sind. Es ist gewiß, daß im Anfange des Blasens die Temperatur nicht viel höher als Gelbgluth seyn kann, während dieselbe am Ende des Blasens unzweifelhaft eine gute Weißglühhitze ist. Unter den im Converter obwaltenden Bedingungen ist aber Kohlenoxyd der stabilste Körper bei hoher Temperatur und Kohlensäure der stabilste bei einer niedrigeren Temperatur. Dieß steht mit den Versuchen von J. Lowthian Bell in Einklang, wornach die Gleichgewichtsbedingungen für diese Gase in Gegenwart von metallischem Eisen sind:

dunkle Rothglühhitze, 150 Volume Kohlensäure
volle Rothglühhitze, 47 Volume Kohlensäure
annähernde Weißgluth, 11 Volume Kohlensäure
für je 100
Kohlenoxyd.

Es stimmt auch mit der allgemeinen Beobachtung überein, daß wenn das Eisen beim Abstechen aus dem Schmelzofen kalt ist, der Eintritt der Kochperiode im Converter verzögert wird, wohingegen diese Periode, wenn das Roheisen in einem zum Einschmelzen dienenden Flammofen längere Zeit auf einer hohen Temperatur erhalten worden, weit rascher erreicht wird. Die Wirkung des Sauerstoffes auf das Silicium dürfte mit dem Oxydationsgrade des Kohlenstoffes einigermaßen in Zusammenhang stehen; denn nach meinen Beobachtungen hängt die Zeit in welcher das Kochen eintritt, von der Menge des im Roheisen enthaltenen Siliciums ab. So findet bei Eisen mit einem Siliciumgehalte von beiläufig 2 1/2 Procent das Kochen ungefähr in der Mitte des Blasens statt, während bei schwedischem Eisen, welches nur ungefähr 1 Proc. Silicium enthält, dieser Zeitpunkt meines Wissens viel früher eintritt.

Veränderungen in der Temperatur veranlassen Veränderungen in den Spectren und man wird wohl finden daß das Bessemerspectrum, oder wenigstens jener Theil desselben welcher vom Kohlenstoff herrührt, einfach das Spectrum des Kohlenoxydes von der Temperatur ist, bei welcher es im speciellen Falle an der Mündung des Converters verbrennt.

V. Vergleichung der Zusammensetzung des Gases mit den spectroskopischen Erscheinungen.

Die Spectraluntersuchung
weist nach:
Die Analyse des Gases
weist nach:
Erstes Stadium. 0 bis 4. Minute. –
Schwaches continuirliches Spectrum. Keine
wirkliche Flamme.
Entwickelung von Kohlensäure, mit
wenig oder gar keinem Kohlenoxyd.
4. bis 8. Minute. – Es treten Kalium-,
Natrium- und Lithiumlinien auf.
Gegen Schluß zuweilen Aufblitzen von
Kohlenstofflinien.
Kohlensäure-Entwickelung fortdauernd,
mit nur wenig Kohlenoxyd. Temperatur
jedenfalls im Steigen und Verflüchtigung
von Alkalimetallen verursachend.
|152|
Die Spectraluntersuchung
weist nach:
Die Analyse des Gases
weist nach:
Zweites Stadium. 8. bis 10. Minute. –
Dichte Flamme. Helle Kohlenstofflinien in
rothem, blauem und grünem Felde.
Entwickelung bedeutender Mengen von
Kohlenoxyd, welches an der
Convertermündung mit hoher Temperatur
verbrennt.
10. bis 14. Minute. – Helle grüne
Kohlenstofflinien deutlicher.
Menge des Kohlenoxydes bedeutend
vermehrt.
14 Minute bis zur Beendigung des
Blasens. – Kohlenstofflinien hell bis zum
Schlusse, wo sie plötzlich verschwinden.
Entwickelung von Kohlenoxyd
fortdauernd bis zum Ende der Reaction.

VI. Leuchtkraft der Flamme.

M. Williams hat in der Zeitschrift Nature die Vermuthung ausgesprochen, daß die bedeutende Helligkeit der Flamme von Kohlenwasserstoffen herrühren dürfte, aber die Analyse zeigt daß diese Annahme unhaltbar ist. Ich halte es für wahrscheinlicher, daß der Grund des Auftretens einer so hellen Kohlenoxydflamme während des Blasens darin liegt, daß dieses Gas an der Convertermündung bei einer weit höheren Temperatur verbrennt, als wir sie beim Anzünden eines Stromes des kalten Gases erhalten; denn offenbar muß das im Metallbade gebildete Kohlenoxyd eine Temperatur haben, welche sogar noch höher ist als die Temperatur des Metalles selbst, und zu dieser Temperatur kommt noch die beim Verbrennen des Kohlenoxydes an der Luft entwickelte Wärme. Dieß ist in Uebereinstimmung mit der von H. Sainte-Claire Deville und Kirchhoff gegebenen Erklärung für die Zunahme der Leuchtkraft einer Flamme wenn dieselbe unter großem Drucke verbrannt wird, daß nämlich die Temperatur der Flamme hierbei erhöht wird.

VII. Vergleichung des Convertergases mit den Hohofengasen und dem Gase aus dem Siemens'schen Generator.

Es dürfte von Interesse seyn, die Zusammensetzung des während der letzten Periode des Blasens sich entwickelnden Gases mit anderen verwerthbaren, in Eisenhüttenwerken auftretenden Gasen zu vergleichen. Hierzu habe ich eine Gasprobe aus einem Cleveland-Hohofen und aus einem Bessemer-Hohofen des Hrn. Wm. Crossley zu Askam ausgewählt; auch habe ich zwei kürzlich von mit ausgeführte Analysen von Gasproben aus Siemens'schen Generatoren zu Dowlais beigefügt.

|153|
Textabbildung Bd. 202, S. 153

VIII. Werth des Gases als Brennmaterial.

Aus den im Vorstehenden mitgetheilten Analysen ergibt sich, daß das Gas aus dem Bessemerconverter während der letzten Hälfte des Blasens wirklich den Werth hat wie irgend ein anderes auf einem Eisenwerke absichtlich oder zufällig dargestelltes Gas. Diese Thatsache ist von Wichtigkeit und wenn wir die Menge des auf diese Weise verloren gehenden Brennmateriales in Erwägung ziehen, so drängt sich uns natürlich die Frage auf, ob jenes Gas nicht verwerthet werden könne.

Nehmen wir an, daß während der letzten Hälfte des Blasens zwei Drittheile des gesammten im Roheisen enthaltenen Kohlenstoffes verbrennen und daß das eingeschmolzene Eisen 3 1/2 Procent Kohlenstoff enthält, so finden wir daß in einer Bessemerhütte welche nur 1000 Tonnen von solchem Roheisen per Woche verbraucht, eine Quantität Brennstoff verloren geht, welche 23 1/2 Tonnen reinem Kohlenstoff, also circa 25 Tonnen Kohks entspricht.

IX. Verwerthung des Convertergases.

Nun möchte ich darauf aufmerksam machen, daß es durch einfache Mechanismen möglich ist, dieses Gas zu sammeln und unter Dampfkessel zu leiten, wo man durch dasselbe die äquivalente Menge Steinkohle ersparen würde. Allerdings ist jetzt der Arbeiter zur Beendigung des Processes auf diese Flamme angewiesen, aber das Spectroskop würde diese Aufgabe mit einem Bruchtheile des Gases welches jetzt aus dem Converter hervorbraust, in viel genauerer Weise lösen.

Die Beschaffenheit der während des Blasens entwickelten Gase wird natürlich mit der Qualität des verwendeten Eisens wechseln; da es aber |154| nicht möglich ist, Roheisen mit weniger als 3 Procent Kohlenstoff zum Bessemerprocesse zu benutzen, so kann die Menge des entwickelten Kohlenoxydes nicht viel geringer seyn als die bei den mitgetheilten Analysen gefundene, und ich glaube daß, von welcher Qualität das verwendete Roheisen auch seyn mag, die allgemeinen Resultate sich gleich bleiben werden. – Es würde übrigens von Interesse seyn, zur Vergleichung eine ähnliche Reihe von Analysen der Convertergase stark manganhaltigen Roheisens auszuführen.

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