Titel: Gruner und Dürre, über die Ausnützung der Wärme in den Oefen etc.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1876, Band 220 (S. 513–528)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj220/ar220125a

 Studien über die Ausnützung der Wärme in den Oefen der Hüttenwerke; von Dr. E. F. Dürre in Aachen.

(Schluß von S. 332 dieses Bandes.)

15) Roheisenschmelzungen in Schachtöfen.

In den bis jetzt geschilderten Schmelz- oder Erhitzungsprocessen (mit Ausnahme der Bessemerretorten und der Rostherde) ist das Schmelzmaterial nicht in unmittelbarer Berührung mit dem Brennstoff. Dagegen geschieht dies in den Schachtöfen, welche demzufolge auch eine bessere Ausnützung der Wärme zeigen; die Ueberleitung der Wärme durch Contact von festen Brennstoffen auf das Brennmaterial erfordert eine geringere Arbeit, vor Allem wahrscheinlich nicht die volle Ausgabe der Vergasungswärme des Kohlenstoffes. 10

Die meisten Schachtöfen verbrennen den Kohlenstoff als Kohlenoxyd, nicht als Kohlensäure. Trotzdem kommt die letztere in den Gasen vor, rührt aber nicht immer von der Kohlenverbrennung, sondern von den reducirenden Wirkungen des Kohlenoxydes her (Erzreductionsöfen), ist auch in ihrem Verhältniß zum Kohlenoxyd veränderlich je nach der Bauart und Disposition der Ofenräume.

Man bedarf im Allgemeinen zur genügenden Ausnützung der Hitze einer wenig ausgedehnten Verbrennungszone und eines im Verhältniß zur Ofencapacität raschen Schmelzganges. Diese Anforderungen realisiren sich am besten in hohen Oefen, zusammengezogenen Wänden, im Bereich der Windzuführung und bei einer reichlichen Windmenge.

Am besten lassen sich diese Behauptungen an den Cupolöfen der Eisengießereien beweisen, weil hierbei außer dem Schmelzproceß nur Verbrennungsprocesse stattfinden. Die alten Oefen dieser Art (vgl. die Angaben in des Verfassers Handbuch des Eisengießereibetriebes, Bd. 1 und 2) waren cylindrisch und hatten nur 2 bis 2m,5 Höhe, wurden mit engen Düsen, einem meist ungenügenden und oft zu stark gepreßtem Luftvolum betrieben; in der Windleitung ergaben sie wenig mehr als 1000k pro Stunde und verbrauchten 20 bis 30 Proc. Kokes, wobei die Gichtgase heiß und lebhaft brennend waren. Zunächst erhöhte man die Oefen und verstärkte den Wind, ohne aber die Schachtform

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zu verändern und einen wesentlichen Einfluß auf die Betriebsresultate zu bekommen.

Einen solchen veränderten Ofen bespricht unter ausführlicher Darlegung feiner Verhältnisse Ebelmen in den Annales des Mines, 4. Serie Bd. 5 S. 60; die Höhe dieses zu Vienne arbeitenden Ofens war 3m, 10, und er schmolz 1000k stündlich mit 18 bis 20 Proc. Kokes. Untersucht man diesen Apparat mit Hilfe der von Gruner gefundenen Werthe für die Wärmeabsorption der Materialien, so findet man zunächst, daß die Wärmeproduction bei Kohlensäurebildung ist: 8080 × 0,19 × 0,90 = 1375c unter der Voraussetzung, daß 10 bis 11 Proc. Asche in den Kokes sich befinden. Zu dieser Wärme ist noch die Wärmeproduction des Abbrandes zu rechnen; der Abbrand ist von Ebelmen auf 8 bis 9 Proc. angegeben, wovon aber bekannter allgemeiner Erfahrung nach höchstens 4,5 Proc. durch Oxydation entstehen, der Rest durch Verlust bei den Gießmanipulationen. Durch Annahme von 4 Proc. Eisen und 0,5 Proc. Silicium in diesem Abbrand (was einen Gehalt von 12,5 Proc. Silicium im Roheisen bedingen würde, wenn man nicht eine allgemeine Entsilicirung des Eisens annimmt) rechnet Gruner eine weitere Wärmeproduction von 7830 × 0,005 = 39,6 plus 1350 × 0,04 = 50,3, zusammen 89c,9 heraus. Dadurch ergeben sich im Ganzen 1463c, welchen die Wärmeabsorption des Roheisens mit 275c gegenüber steht, also 18,8 Proc. Nutzeffect ergibt, unter der Annahme, daß nur Kohlensäure verbrannt werde. Dieser Bedingung kann nie entsprochen werden, weil man es mit einer Schmelzsäule zu thun hat, die stets die Oxydation in der untersten Schicht durch die Reduction in allen obern mehr als ausgleicht.

Glücklicherweise existiren von dem Cupolofen zu Vienne Gasanalysen, welche ergeben:

dem Volum nach 11,65 Proc. Kohlensäure,
14,16 Proc. Kohlenoxyd,
0,83 Proc. Wasserstoff und
73,36 Proc. Stickstoff;

dem Gewicht nach, indem man den Wasserstoff vernachlässigt:

17,2 Proc. Kohlensäure,
13,3 Proc. Kohlenoxyd und
69,5 Proc. Stickstoff.

Bezeichnet man mit

m das Verhältniß Kohlensäure/Kohlenoxyd,

x das Gewicht des Kohlenoxydes pro 1k Eisen,

c die pro Eiseneinheit verbrannte Kohlenstoffmenge,

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so ist

6/14 x + 6/22 m x = 3/7 x + 3/11 m x = c

und

Textabbildung Bd. 220, S. 515

Nach dem Ausweis der obigen Analysen ist m = 172/133; folglich x = 0k,217. Demnach ist die noch nicht producirte Wärme = 0,217 × 2403 = 521c. Zieht man diese Wärmemenge von der früher gefundenen 1463c ab, so bleiben 942c als wirklich im Cupolofen producirt, so daß der Nutzeffect von 18,8 auf 29,2 Proc. steigt. Das Resultat ist aber immer noch zu ungünstig, da durch die Gase nicht allein die Wärmeproductivität ihres Kohlenoxydgehaltes, sondern auch die der Gießtemperatur entsprechende Wärmemenge weggeführt wird.

Der Sauerstoff in den Gasen beträgt nach den frühern Voraussetzungen:

8/14 x + 16/22 m x = 4/7 x + 8/11 m x

und der zugehörige Stickstoff

a = 3,33 (4/7 x + 8/11 m x).

Will man auch die von der Verbrennung der Mengen Eisen = f und Silicium = s herrührenden und übrigbleibenden Stickstoffmengen berücksichtigen, so erhält man hier den Sauerstoffverbrauch der beiden Substanzen

8/28 f + 16/14 s = 2/7 f + 8/7 s

und für den Stickstoff, welcher den Sauerstoff begleitete,

b = 3,33/7 (2 f + 8 s).

Es berechnen also sich für den Cupolofen von Vienne pro 1k Roheisen:

k
Kohlenoxyd x = 0,217
Kohlensäure m x = 0,281
Stickstoff a = 1,136
b = 0,057
= 1,193
–––––––
zusammen 1,691 Gase pro 1k Eisen,

welche unter Einrechnung der bezüglichen Wärmecapacitäten (0,226 0,217 0,244) für 600° Gastemperatur 240c geben.

Die producirte Wärme — 942c — vertheilt sich, wie folgt:

Roheisenschmelzen 275c oder 29,2 Proc.
Gaswärme 270 oder 25,5 Proc.
Erwärmung des Ofens, Strahlungsverluste, Schlackenschmelzen, Verbrennungsluft 427 oder 45,3 Proc.
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Die Totalwärme der verbrannten Substanzen = 1463c vertheilt sich etwas anders. Es consumiren:

Roheisenschmelzen 275c oder 18,8 Proc.
Gaswärme 240 oder 16,4 Proc.
Wärmeleistung des vorhandenen Kohlenoxydes 521 oder 35,6 Proc.
Ofenerwärmung, Strahlungsverluste, Schlackenschmelzen, Verbrennungsluft 427 oder 29,2 Proc.

Da in diesem von Gruner angezogenen Beispiel der Verbrauch durch Ofenerhitzung und Winderwärmung Schlackenschmelzen etc. nicht genau geschieden und kurzweg als Verlust bezeichnet wird, kann man den Betrieb nicht vollständig beurtheilen. Keinenfalls werden die auf Wärmeleitung und Strahlung durch die Ofenwände beruhenden eigentlichen Verluste viel mehr als etwa 300c betragen.

Die nachfolgenden Beispiele verschiedener Cupolofenbetriebe, wie sie aus den Rechnungen des Verfassers hervorgegangen, ehe Gruner noch an die Calculation der Oefen gedacht, erläutert die einzelnen Posten besser.

Karsten führt die alten Gleiwitzer Oefen an, welche 47,6 Proc. Kokes verbraucht hatten, nach Einführung der Wiedergewinnung aber ohne sonstige Aenderung des Betriebes auf 22,6 Proc. Kokesverbrauch heruntergingen.11 Unter der Annahme, daß die oberschlesischen Cupolofenkokes nicht mehr als höchstens 80 Proc. Kohlenstoff enthalten, berechnet sich aus dieser Angabe eine Wärmeentwicklung von 1461c bei ausschließlicher Kohlensäureproduction und ein Nutzeffect von nur 18,8 Proc. Aus den ebenfalls durch Karsten, wie auch durch Wachler mitgetheilten Verhältnissen der Windzuführung und des Betriebes ergibt sich aber ein Windquantum von höchstens 110 Proc. des Einsatzes, welches auf die erwähnten 22,6 Procenteinheiten Kohlen zu 80 Proc. Kohlenstoff bezogen über die Formation von Kohlenoxyd hinaus nur einen ganz geringen Sauerstoffüberschuß nachweist.

Die 0,226 × 0,80 = 0,1808 Einheiten Kohlenstoff verbrennen so, daß ca. Einh. sich in Kohlenoxyd und 1 Einh. in Kohlensäure verwandelt. Es werden hiernach 0,17 × 2403 = 408c,51 plus 0,01 × 8080 = 80c,80 zusammen 489c,31 entwickelt, welche den geforderten 275c gegenüber stehen, also einen Effect von 56 Proc. für den Ofenbetrieb geben.

Dieselben Oefen wurden später mit schlechtem Brennstoff (backenden Staubkohlen mit Sinterkohlenklein gemengt und verkokt) betrieben und |517| hatten dabei ein zu überhitzendes Roheisen von leicht grell werdender Beschaffenheit zu verarbeiten (Product eines nicht ganz normalen Hohofenbetriebes auf dem eigenen Werk und deshalb nicht abweisbar). Es wurde mit starker Pressung (50 bis 80mm Wasser) gearbeitet und zwei Formen von über 52mm Durchmesser angewendet. Der Kokesverbrauch betrug pro 100k Roheisen etwa 40k,47, pro 100k Gußwaare ca. 46k,86. Rechnet man den letztern Fall und nimmt rund 60 Proc. Kohlenstoff an, so erhält man einen Satz von 28 Proc. Kohlenstoffverbrauch, der einen Maximaleffect von 2262c ergibt oder einen Nutzeffect von rund 12 Proc.

Führt man dieselben Bestimmungen rücksichtlich der Windmenge aus, wie bei dem ältern Betrieb, so findet man ein Luftquantum von 235,3 Proc. der Gußwaarenproduction, welches ca. 54,6 Proc. Sauerstoff enthält.

Die beiden Gleichungen

3/7 x + 3/11 m x = 28 und 4/7 x + 8/11 m x = 54,6

ergeben nach Elimination von m die Production von 35 Einh. Kohlenoxyd, in denen 15 Einh. Kohlenstoff enthalten sind; 28 - 15 oder 13 Einh. verbrennen mithin zu Kohlensäure.

Das Verhältniß CO2 : CO = m ist nach Ausweis dieser Rechnung etwa = 347/351, oder 173,5/175,5, im Gegensatz zu dem bei dem Cupolofen von Vienne nachgewiesenen 172/133 also eine unvollkommenere, durch eine höhere Kokessäule bedingte Verbrennung des Brennstoffes.

Der Effect der ermittelten Verbrennung ist 0,15 × 2403 = 360c,45 plus 0,13 × 8080 = 1050c,40, also im Ganzen 1410c,45, so daß der Nutzeffect 27 500 : 1410,45 = 19,5 Proc. beträgt.12

Der Betrieb der sog. Sefström'schen Oefen, wie er auf der jetzt aufgelösten Berliner Eisengießerei, den Gießereien zu Gleiwitz und Sayn existirt hat, zeigt trotz der vermehrten Düsenzahl eine verhältnißmäßig geringere Kohlensäureproduction. Es verbrennen von 22 Proc. Kokesverbrauch zu 95 Proc. Kohlenstoff (beste englische Schmelzkokes), mittels einer durch 4 Düsen zu 40mm strömenden Windmenge von 142,5 Einh. mit 33,27 Einh. Sauerstoff, 22 × 0,95 = 20,90 Proc. Kohlenstoff, welche, um in Kohlenoxyd überzugehen, 27,86 Einh. Sauerstoff beanspruchen, |518| so daß nur 4,41 Einh. Sauerstoff bleiben, um einen Theil des Kohlenoxydes weiter zu oxydiren. Daraus berechnen sich 6/8 × 4,41 = 3,3 Proc. Kohlenstoff als in Kohlensäure übergehend, während der Rest von 17,60 Proc. in Kohlenoxyd sich verwandelt. Der productive Effect ist demnach 0,1760 × 2403 = 422c,9 plus 0,033 × 8080 = 266c,6, zusammen 689c,5 und der Nutzeffect 39,9 Proc.

Hierbei ist zu bemerken, daß das Eisen durchschnittlich weit flüssiger und überhitzter war als bei dem vorher besprochenen Ofen.

Wie der relative Effect bei Oefen mit weiten cylindrischen Schächten sinkt, geht aus dem gleichfalls dem Handbuch des Verfassers (Theil 2 S. 111) entnommenen Beispiel der Cupolöfen auf den Werken der Dampfschifffahrtsgesellschaft zu Bukau-Magdeburg hervor. Der 1m weite, 2m hohe Ofenschacht erhält den Wind von nur 10 bis 15mm Quecksilberdruck Pressung aus zwei Düsen von je 157mm Weite (6 Zoll rheinisch) und schmilzt das Roheisen mit etwa 15 Proc. Kokesverbrauch. Nach den Durchsetzverhältnissen ergeben sich auf 15 Einh. Brennstoff (mit 14,25 Kohlenstoff) 217 Einh. kalte Luft mit etwa 50 Einh. Sauerstoff. Da 14,25 Einh. Kohlenstoff zur Kohlensäurebildung nur 38 Einh. Sauerstoff gebrauchen, so ist, wenn die gemachten Betriebsangaben richtig sind, ein Luftüberschuß vorhanden, der unnütze Wärme wegführt, aber die ausschließliche Umwandlung des Brennstoffes in Kohlensäure möglich scheinen läßt.

Jedenfalls muß man bei der Kritik dieses Apparates in Ermanglung von Gasanalysen die Effectberechnung nach dem vorstehenden Ergebniß gestalten; es sind mithin producirt 0,1425 × 8080 = 1151c, welche 275c gegenüber stehen. Der Nutzeffect ist somit 27 500: 1151 = 23,9 Proc.

Die Verbrauchsziffern ermäßigen sich noch bedeutender für die neuern Cupolofenconstructionen, unter denen Gruner besonders die zu Nevers und St. Gervais construirten Oefen vom Obersten Maillard, sowie die Oefen von Ireland erwähnt, denen sich noch die Oefen von Krigar, Mackenzie und Comp. anschließen. Alle diese Apparate zeigen neben einem Wachsen der Höhe auf 4,50 und 6m und des Durchsetzquantums auf 3 bis 4t ein Einziehen der Schmelzzone bis zu 0,9 und 0m,8.

Auch diese verschiedenen Oefen hat der Verfasser schon früher untersucht und auf Grund der Windberechnung ermittelt, daß hinreichend Luftüberschuß vorhanden ist, um eine ausschließliche Verbrennung zu Kohlensäure möglich zu machen. (A. a. O. Theil 2 S. 112 bis 117.) Es verbrauchten:

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Der Ofen von Maillard 10,29 Proc.
(wovon 6,08 zum Umschmelzen)
die Oefen von Ireland und zwar
der Ofen zu Bolton 7,00 Proc.
der Ofen bei A. Borsig (Berlin) 11,40 Proc.
der Ofen von Gerhardi (Lüdenscheid) 13,50 Proc.
der Ofen von Krigar und Eichhorn
der Ofen zu Königin-Marienhütte 10,40 Proc.

Daraus berechnen sich als Wärmeproductionen und Effecte nachstehende Größen. Es entwickeln sich zunächst pro 1k Eisen:

im Ofen von Maillard 0,1029 × 0,9 × 8080 = 748c
im Ofen zu Bolton 0,070 × 0,9 × 8080 = 509
im Ofen zu Berlin 0,114 × 0,9 × 8080 = 829
im Ofen zu Lüdenscheid 0,135 × 0,9 × 8080 = 982
im Ofen zu Königin-Marienhütte 0,104 × 0,9 × 8080 = 756.

Bezieht man diese Anforderungen auf die zum Roheisenschmelzen aufzuwendende Hitze von 275c, welche aber unter Umständen, wenn man die Hitzegrade des Productes der verschiedenen Ofensysteme auch nur oberflächlich vergleicht, bis 300 und darüber anwachsen kann, so erhält man die nachstehenden Relationen:

Für den Ofen von Maillard 27 500 : 748 = 36–37 Proc.
Für den Ofen zu Bolton 27 500 : 509 = 54 Proc.
Für den Ofen zu Berlin 27 500 : 829 = 33 Proc.
Für den Ofen zu Lüdenscheid 27 500 : 982 = 28 Proc.
Für den Ofen zu Königin-Marienh. 27 500 : 756 = 36 Proc.

Der Effect ermäßigt sich etwas durch Einrechnung der Wärmeproduction bei der Oxydation des Eisens und Siliciums.

Aus der vorstehenden Zusammenstellung ergaben sich interessante Folgerungen.

Abgesehen von dem in kolossalen Verhältnissen erbauten Ofen zu Bolton, aus welchem die Hälfte des Eisenbedarfes für eine Hammerchabotte von 100 000k in 8 Stunden entnommen werden konnte, zeigen die Ofenconstructionen den Mindestverbrauch an Brennstoff, welche, wie der Maillard'sche und der Krigar-Eichhorn'sche Ofen, weite Windzuführungen haben. In jenem verhalten sich die Zuführungsquerschnitte zum Horizontalschnitt der Windzone wie 353,4 zu 1809,5; in diesem wie 112 zu 706,9; das erstere Verhältniß reducirt sich auf 1 zu 5 bis 6, das andere auf 1 zu 6.

Der Irelandofen (bei Borsig) zeigt dagegen ein Verhältniß wie |520| 123 zu 452 oder kaum wie 1 zu 4; dennoch zeigt er bei weniger intensivem Betrieb ungünstigere Verhältnisse als die andern Oefen.

Obiges Verhältniß kommt eben nicht immer und nur dann vollständig zur Wirkung, wenn der Betrieb keinerlei Hindernisse erfährt, wenn also nicht mit dem Schmelzen zeitweise eingehalten werden muß, oder irgendwelche Verlangsamung des Ofenganges eintritt. Wo der Irelandofen seinem Schachtquerschnitt entsprechend betrieben werden kann, ergibt er viel bessere Resultate als die andern Roheisenschmelzöfen, da die Verluste des Schachtofenbetriebes im directen Verhältniß stehen zu der Relation zwischen der Ofenoberfläche und der pro Zeiteinheit ermittelten Production des Apparates.

Rechnet man den allerdings sehr veränderlichen Kokesverbrauch für das Füllen und Anwärmen der Oefen nicht mit ein, sondern nur die beim laufenden Betrieb erforderlich werdenden Mengen, so ist der Satz von 6 bis 7 Proc. des Einsatzes wohl der allgemein richtige für die neuern Oefen. Bei stärkerm Winddruck ist man sogar auf 4 Proc. herunter gegangen, z. B. bei Borsig in Berlin, und es ist außer allem Zweifel, daß rascher Gichtenwechsel und aufmerksamer Betrieb bei sonst gut construirtem Ofen dieses Resultat stets erreichen lassen werden. Dann wird auch der Abbrand geringer und nicht viel über 4 Proc. steigen.

Der Bruttoeffect eines solchen Ofenbetriebes mit 4 Proc. Brennstoffverbrauch stellt sich dann auf

0,06 × (8080 × 0,9) = 436c durch Verbrennung des Kohlenstoffes
(0,04 × 0,02) × 7830 = 6c durch Verbrennung von 2 Proc. Silicium13 im Abbrand
0,0384 × 1358
0,0016 ×8080
=
=
48c
13c
durch Verbrennung von 4 Proc. Kohlenstoffgehalt des Abbrandes.
––––––
Im Ganzen 503c. (Bei Gruner 572c,5).

Erforderlich sind 275c für das Eisen, richtiger 0,96 × 275 = 264c und von 17c,5 für die Schlacken, zusammen also 281c,5.

Es ergibt sich für den besten Cupolofenbetrieb ein Leistungseffect von 56 Proc. (anstatt der von Gruner berechneten 48 Proc.), und der Verlust ermäßigt sich auf 44 Proc. Wie sich derselbe vertheilt, läßt sich ohne Gasanalysen nicht ermitteln; doch kann man nach Gruner's Ansicht aus der Proportion des Kohlenverbrauches dieser vervollkommneten Oefen zu dem des Ofens von Vienne schließen, daß die eigentlichen Verluste, |521| also die Wärme der abgehenden Gase und die durch die Ofenwände transmittirten Verluste, sich auf ein Drittel der ermittelten Quantitäten ermäßigen werden.14

Demnach wären von den übrigbleibenden 503–281,5 oder 221c,5 abzurechnen etwa 80c Gaswärme plus 130c,5 Strahlungsverluste, zusammen also 210c,5, so daß nur 11c als Production der Verbrennung des Kohlenoxydes in den Gasen übrig bleiben.

16) Kupfer- und Bleisteinschmelzen in Schachtöfen.

Da in calorischer Beziehung die Verschmelzungsprocesse gerösteter Kupfererze sich wenig von wirklichen Umschmelzprocessen unterscheiden, indem die vorkommenden chemischen Reactionen doch zu wenig Wärme produciren oder absorbiren, kann man die Kritik ihres Effectes hier unmittelbar anschließen. Sie bilden den Uebergang der niedern Oefen zu den eigentlichen Hohöfen und werden deshalb wohl Großöfen, Halbhohöfen genannt.

Gruner führt in seiner Mittheilung zunächst die Halbhohöfen von Atvidaberg in Schweden an, welche noch die calorisch fehlerhafte Construction eines in der Windzone übermäßig weiten, nach oben zusammengezogenen, dabei viereckig profilirten Schachtes zeigen. Es werden daselbst nur etwa 12 bis 14t Möllerung in 24 Stunden durchgesetzt, und es besteht der Satz aus theilweise gerösteten Eisen- und Kupferkiesen mit einem variablen Zinkgehalt bei quarziger Gangart. Die Producte sind 20 Proc. Steine und 75 Proc. Bisilicatschlacken mit 41 bis 42 Proc. Kieselsäure, und es erfordern nach Gruner's Versuchen die Rohsteine 0,20 × 275 = 55c, die Schlacken 0,75 × 410 = 307c, zusammen 362c pro Kilogramm geschmolzener Materialien.

Die Oefen haben 4 Düsen zu 1½ Zoll engl. (etwa 40mm) Durchmesser und arbeiten mit 22mm,5 Quecksilber Druck.

Nach den Hauer'schen Tabellen erhält man pro Düse und Minute 4cbm,45 Luftlieferung oder (pro Cubikmeter 1k,2932) 5k,75, also im Ofen überhaupt pro Minute 22k,90. Da nun täglich etwa 100 Sätze zu 100k gemacht werden, so ergibt dies pro Minute (100 × 100) : (24 × 60) = 7k Schmelzmaterial. Da 20 Proc. desselben an Brennmaterial verwendet werden, so gehen in derselben Zeit 1k,40 Kokes auf, oder 1k,26 Kohlenstoff. Diesem Quantum steht der Sauerstoffgehalt von 5k,75 |522| atmosphärischer Luft gegenüber, d. h. es sind 0,23 × 5,75 = 1k,3225 Sauerstoff vorhanden, um 1k,26 Kohlenstoff zu verbrennen. Der letztere erfordert indessen mindestens 1k,6 Sauerstoff, um Kohlenoxyd zu bilden.

Einen Fehler in den Angaben (von Percy, Kerl u. A.) selbst vorausgesetzt, kann man doch wohl annehmen, daß im Ganzen der Kohlenstoff zu Kohlenoxyd verbrennt, indem die Kohlensäure der Schmelzregion, nach oben gelangend, sich durch Aufnahme von Kohlenstoff in Kohlenoxyd umwandelt.

Gruner berechnet den Bruttoeffect dieser Oefen auf (0,20 × 0,90) × 8080 = 1454 und den Nettoeffect demzufolge auf 362 : 1454 oder rund 25 Proc.

Es erscheint indessen wohl nicht gerechtfertigt, bei derartigen Apparaten (auch Bleisteinöfen etc.), wo es auf Oxydation einzelner Metalle neben neutraler Behandlung anderer ankommt, und wo eine Verschlackung der letztern vermieden werden soll, die Maximalleistung des Brennstoffes als Grundlage anzunehmen, sondern die Verbrennung zu Kohlenoxyd, da, wie Gruner selbst sagt (a. a. O. p. 193), in den eigentlichen Schmelzöfen die mineralischen Materien nur höchst selten Sauerstoff abgeben.

Dieses festgestellt, erhält man 362 : (0,20 × 0,90 × 2473) = 362 : 445,84 oder rund 81 Proc. als Nutzeffect.

Einen bessern Vergleich liefern die Kupferschieferrohöfen des Mansfelder Bezirkes, welche die gebrannten bituminösen Mergelschiefer der permischen Formation verschmelzen. Es ist zu bemerken, daß der gesammte Kalkgehalt der Schiefer nach dem Brennen nicht kaustisch ist, daß ein Theil derselben mehr oder minder im Zustand des Carbonats bleibt, und daß ein anderer Theil sich in Kalkhydrat umwandelt. Dadurch wird eine bedeutende Wärmeabsorption in der Schlackenbildung hervorgerufen, die man nicht gut berechnen kann.

Das Profil der Oefen folgt hier bekanntlich schon etwas mehr den Anforderungen der Wärmeconcentration und ist nach unten hin bedeutend verengt; doch übersteigt die Höhe nicht viel 6m, und es wurden bis 1864 in 24 Stunden kaum 11 bis 12t durchgesetzt, in neuerer Zeit 6 bis 8 Fuder zu 3t, also 18 bis 24t oder das Anderthalbfache bis Doppelte des ehemaligen Quantums.15

|523|

Früher verbrauchte man (wie Gruner noch anführt) 18 bis 20 Proc. Kokes, die ganze Beschickung gerechnet; jetzt werden die Großöfen mit 550k pro Fuder betrieben. Rechnet man im schlimmsten Fall (Sangerhäuser Revier) 30 bis 35 Proc. Zuschläge hinzu, während gewöhnlich (Mansfelder Revier) nur 5 bis 7,5 Proc. gebraucht werden, so ergibt das Schieferquantum von 8 Fudern oder 24 000k einen Zuschlag von 8000k; es erfolgen also zusammen 32 000k Schmelzmassen, welche 8 × 550 = 4400k Kokes verbrauchen, mithin pro 100k Schmelzmassen 13k,7 Kokes, die 12k,33 Kohlenstoff enthalten (wenn man die Benützung guter westphälischer Kokes voraussetzt). Rechnet man dieses Kohlenstoffquantum in durch Kohlensäurebildung producirte Wärme um, so erhält man 0,123 × 8080 = 997c,8 pro Kilogramm geschmolzene Materialien.

Nach Gruner's Annahme kommen 1374c heraus, welchen die von der Schmelzung der erzielten Producte absorbirten Wärmemengen gegenüber stehen. Dieselben belaufen sich auf 0,09 × 275 = 25c für das Steinschmelzen plus 0,80 × 400 = 320c für das Schlackenschmelzen, zusammen 345c für den Schmelzproceß überhaupt. Daraus ergeben sich für die ältern Betriebsresultate 25 Proc., für die neuern Angaben von Leuschner beinahe 35 Proc. Effect des Ofens unter der Voraussetzung ausschließlicher Kohlensäurebildung. Dieselbe findet aber nicht statt, und kann auch nicht stattfinden, da die Gefahr des Wachsens von dem Kupfergehalt in der Schlacke sonst eine zu bedeutende ist und leicht über die 0,33 Proc. hinausgeht, die als Maximum angenommen ist.

Es liegen Gasanalysen Bunsen's vor, welche sich auf den ältern Hüttenproceß beziehen und in Volumprocenten 68,45 N, 13,62 CO, 11,81 CO2, 1,55 SO2, 1,94 H und 2,63H4C ergeben hatten.

Vernachlässigt man den Wasserstoff, dessen Gewicht sehr unbedeutend ist, so sind nur noch die beiden Kohlenoxyde und der Kohlenwasserstoff in Rücksicht zu ziehen. Der letztere enthält 0,6 × 2,63 oder 1,578 Kohle, d. h. etwa den 11. Theil des ganzen in den Gasen enthaltenen Kohlenstoffes. Mithin verbrennen von den oben pro Kilogramm durchgesetzte Materialien ausgerechneten 0k,123 Kohlenstoff nur 0,123 - 0,123/11 = 0,112 zu Kohlenoxyden.

Das früher noch für den Cupolofen berechnete Verhältniß m ist durch Multiplication der specifischen Gewichte mit den obigen Volumprocenten (Gruner) auf 1807/1321 = CO2/CO = 1,37 festgestellt und gibt |524| für die Quantität Kohlenoxyd x, welche pro Kilogramm Schmelzmaterial sich bildet, nach der Relation

c = 6/14 x + 6/22 m x

Textabbildung Bd. 220, S. 524

und für die Kohlensäure m x = 0,139 × 1,37 = 0k,19.

Es enthalten aber an Kohlenstoff 0k,139 Kohlenoxyd 0,059 und 0k,190 Kohlensäure 0,053, zusammen 0,112 w. o.

Danach berechnet sich die wirklich producirte Wärme auf 0,059 × 2473 = 145c,907 plus 0,053 × 8080 = 428c,240, also zusammen 574c,147. Es beträgt demnach der neuerdings in den Großöfen hergebrachter Form erreichte Effect rund 34 500 : 574 = 60 Proc. der producirten Wärme. Selbst unter der Hinzurechnung der durch die Winderwärmung beigetragenen Wärmezufuhr, welche sich bei dem Gruner'schen Beispiel des ältern Betriebes auf 42c beläuft (für eine Temperatur von 135°), für die neueren Verhältnisse aber wenig mehr betragen dürfte, wird sich der Effect des verbesserten Betriebes in den Oefen alter Form auf nicht weniger als 50 Proc. herausstellen. Für den alten Betrieb rechnet Gruner 41,6 Proc. heraus, welche gegenüber dem Cupolofen von Vienne den Vorzug hoher Schächte zeigen. Gruner beklagt, daß ihm die erforderlichen Elemente der Rechnung für den noch höhern Mansfelder Rundofen gefehlt hätten. Der Verfasser ergänzt den Mangel, indem er die schon 1871 veröffentlichten Daten über den Betrieb des Pilz'schen Ofens (Oesterreichische Zeitschrift, 1871 Nr. 10 und danach Kerl: Grundriß der Metallhüttenkunde, S. 134) benützt. Es betragen 200k Kokes 1250k Schmelzmaterialien, aus denen pro Fuder 250k Rohstein entfallen. Bezieht man diese Relation (250 zu 3000) auf obiges Quantum, so erhält man 1250 × 250 : 3000 oder 104k,2 Rohstein oder 104,2 : 1250, d. s. 8,3 Proc.

Den Schlackenfall zu 80 Proc. wie früher angenommen, ergibt 1k Beschickung einen Wärmeaufwand von 0,083 × 275 = 22c,8 plus 0,800 × 400 = 320c, daher zusammen 342c,8 denen die Wärmeproduction von 0k,16 Kokes mit 0,14 Kohlenstoffgehalt nebst der durch den Wind von ca. 300° Hitze eingeführten Wärme gegenüber steht. Die Windmenge beläuft sich pro Minute auf 170cbm welche (nach v. Hauer : Windtabellen, 1876) 170 × 1,293k oder 219k,8 wiegt und 219,8 : 4,33 oder 50k Sauerstoff enthält. Dieser Menge entsprechen 103k Durchsetzquantum pro Minute und mithin 103/100 × 14k = 14k,42 Kohlenstoff. Da 50 Einh. Sauerstoff vollkommen genügen, um 14,42 Einh. Kohlenstoff in Kohlensäure zu verwandeln, so kann man in Ermanglung |525| Von Gasanalysen annehmen, daß eine vollkommene Verbrennung des Kohlenstoffes hier stattfindet und muß dem durch weitere Annahme einfacher Schmelzung auf 342c,8 zu bemessenden Wärmebedarf eine Production von 0,14 × 8080 = 1131c,20 gegenüber stellen.

Es stellt sich daher gegen den schon besprochenen modificirten Großofenbetrieb, welcher 0,123 × 8080 = 997c,8 mit gleichen Voraussetzungen ergab, ein bedeutender Mehraufwand an Wärme heraus, selbst wenn man die durch den Wind eingeführte Wärme von 219,8 × 103/100 × 300 × 0,239 = 162c, als der veränderten Beschickung entsprechend, vernachlässigt. Es ergibt sich ein Nutzeffect von nur 34 280 : 1131,2 = 30,3 Proc.

Gruner hat für den Pilz'schen Ofen zu Freiberg, der zum Bleischlackenschmelzen dient, und bei 7m Schacht mit 8 Düsen betrieben wird, 41 Proc. Effect bei totaler Kohlenverbrennung herausgerechnet. Er nimmt an, daß 50t Beschickung in 24 Stunden heruntergehen (gegen 120 bis 150t im Mansfeldischen Ofen), und daß 1k derselben 0k,085 Kokes mit 0k,080 Kohlenstoff erfordern, so daß 8080 × 0,08 = 646c producirt werden. Denselben stehen als Wärmequautitäten, welche von den Schmelzproducten aufgenommen werden, gegenüber: für die Schlacken (Eisensingulosilicate) 0,75 × 300 = 225c, für den Bleistein 0,155 × 260 = 40c und für das Blei 0,065 × 50 = 3c, zusammen also 268c, welche einem Effect von 41 Proc. entsprechen.

Aus der Nichtübereinstimmung dieser verschiedenen Kupfer- und Bleischmelzöfen gleicher Construction oder gleichen Betriebes geht entschieden hervor, daß auch noch andere Wärme consumirende Reactionen sich vollziehen als die blosen Schmelzungen16

17) Das Schmelzen im Eisenhohofen.

In diesem geräumigen Apparat, dem größten der Schachtöfen, spielen die chemischen Reactionen schon eine bedeutende Rolle und müssen bereits stark in Rechnung gezogen werden. Gruner geht auf die früher von ihm in seinen Studien über den Hohofen (Annales des Mines, 7. Serie Bd. 2 S. 1) festgestellten Antheile der einzelnen Reactionen zurück; nur berichtigt er auf Grund seiner calorimetrischen Messungen die durch Eisenschlacken aufgeschluckten Wärmemengen. Seine früher aufgestellte Tabelle ist dann folgende:

|526|
Kohlenstoff Pro 1k Roheisen 1,288 0,990 0,987 1,0055 0k,789
Totalwärme durch Kohlensäureproduction 10407 7999 7975 8124 6375c
Wirklich im Hohofen producirte Wärme 4935 4418 4459 4192 3654c
Wärmeverbrauch durch Reduction, Schmelzung etc. 3548 3420 3373 2997 2960c
Abziehende Gasmengen 923 545 646 758 303c
Wärmeverlust durch die Wand 464 453 440 437 391c
Verhältniß der im Ofen verbrauchten Wärme zur Totalproduction 0,341 0,427 0,423 0,369 0,464
Verhältniß der im Ofen verbrauchten Wärme zur empfangenen 0,719 0,774 0,757 0,715 0,810
Verhältniß der mit den Gasen abziehenden Wärme zur empfangenen 0,187 0,123 0,144 0,181 0,083
Verhältniß des Transmissionsverlustes zur empfangenen Wärme 0,094 0,103 0,098 0,104 0,107
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
1,000 1,000 1,000 1,000 1,000
Verhältniß der Transmissionsverluste zu der Totalwärme 0,045 0,056 0,055 0,054 0,061
kleiner großer Großer Hohofen zu Ormesby. Hohofen zu gewöhnliche Winderhitzung. Consett sehr heißer Wind.
Hohofen zu Clarence Works.

Die Folgerungen, welche Gruner im Hinblick auf die Frage des Nutzeffectes aus der vorstehenden Tabelle ableitet, sind:

1) Die im Ofen benützte Wärmemenge correspondirt in manchen Hohöfen nur dem Drittel der möglichen Wärmeentwicklung des Brennstoffes und scheint die Hälfte desselben selbst unter den vortheilhaftesten Umständen nicht zu erreichen; das günstigste Verhältniß ist dasjenige des einen Ofens zu Consett mit 0,464.

Die Differenz zwischen verbrauchter und zu entwickelnder Wärme, die Hälfte bis zwei Drittel der letztern, findet sich fast ganz in der Brennkraft der Gase der Gicht wieder, da nur 4 bis 6 Proc. sich durch Transmission der Ofenwände verlieren.

2) Beim Vergleichen der im Ofen benützten und der wirklich empfangenen Wärme findet man ein Effectverhältniß von 0,715 bis 0,810, so daß sich der Wärmeverlust auf nur 20 bis 30 Proc. beläuft. Dieser Verlust steckt nach Gruner zum größten Theil in der von den abziehenden Gasen mitgenommenen Wärme 8 bis 18 Proc., während die Transmission |527| durch die Hohofenwand 9 bis 10 Proc. der wirklich producirten Wärme absorbirt.

3) Die berechneten Verhältnisse, in runde Zahlen übersetzt, geben für die Vertheilung der wirtlich empfangenen Wärme:

für schlechten Gang. für guten Gang. für sehr guten Gang.
0,70 0,75 0,80 Verbrauch im Ofen
0,20 0,15 0,10 Gaswärme
0,10 0,10 6,10 Strahlungsverluste.
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
1,00 1,00 1,00.

Die Rechnungen gelten nur für geröstete Erze.

18) Glühen und Brennen im Hoffmann'schen Ringofen.

Der Hoffmann'sche Ringofen.17 ist einer der methodischsten Heizapparate und läßt sich den Schachtöfen anschließen, da in demselben ebenfalls eine Mischung von Brennstoff und zu erhitzender Substanz sich befindet. Aus diesem Grunde werden in jenem Apparate auch ziemlich hohe Effecte erzielt.

Beim Kalkbrennen rechnet man für 100k Kalk 6 bis 7k Kleinkohlen, und es werden in Folge dessen pro 1k Kalkstein 0k,06 reine Kohle verbrannt, welche 8080 × 0,06 = 465c entwickeln. Anderseits ergaben die Versuche von Favre und Silbermann, daß 373c,5 zum Vertreiben der Kohlensäure erforderlich sind. Mithin erzielt man bei vollem Brand des Brennstoffes18 373,50 × 100 : 485 = 77 Proc. Nutzeffect.

Beim Ziegelbrennen verbraucht man 4 Proc. oder 0k,035 reine Kohlensubstanz pro 1k gebrannter Steine, also 8080 × 0,035 = 283c; die benöthigte Wärme wird von Gruner auf die Entfernung von 30 Proc. Wasser bezogen und beträgt 0,30 × 637 = 191c. Der Effect ist daher 191 × 100 : 283 = 70 Proc.

Schlußbemerkung.

Die vorstehend wieder gegebenen und durch eigene Mittheilungen wesentlich ergänzten und vielfach berichtigten Rechnungen Gruner's über die Effecte verschiedener Oefenconstructionen sind für sich allein nicht ausreichend, einen Apparat zu kritisiren.

Zuvörderst, was mehrfach betont worden ist, erscheint es nicht |528| überall richtig, die Verbrennung des Brennstoffes zu Kohlensäure und Wasser allein als Grundlage der Effectberechnung zu wählen. Alle Reductionsapparate sind von vornherein auszuschließen, ebenso viele, welche nicht oxydirend wirken dürfen, wo also die Kohlensäure in stärkerer Verdünnung auftreten muß.

Dann ist die Wärmeaufnahme durch das dem Proceß selbst angepaßte Mauerwerk des Ofens jedenfalls ebenso in Rücksicht zu ziehen als die Wärmeaufnahme durch die Einsätze. Es kann daran gespart werden, aber eine der Minimaloberfläche der Einsatzmasse reichlich entsprechende Umhüllung muß auch gewiß vorhanden sein.

Mit diesem Verhältniß hängt zusammen die Größe der Berührungsfläche von Einsatz und Feuergasen, welche natürlich die Intensität der Wirkung direct proportional ist.

Diese verschiedenen Beziehungen sind nicht in jedem Fall nach dem zu erzielenden calorischen Effect zu gestalten; sie sind meist abhängig von dem auszuführenden Proceß und sehr schwer zu messen, noch schwerer zu berechnen. Der Gasanalysenapparat von Orsat und das Pyrometer von Siemens müssen noch manche Arbeit thun, ehe die Kritik der Heizapparate auf wirklich zur Existenz berechtigenden Grundlage entstehen kann.

Aachen, März 1876.

Berichtigung. S. 254 Z. 15 v. o. ist zu lesen Firminy statt „Firming“.

|513|

Obwohl diese Hypothese nur als Vermuthung ausgesprochen werden kann, wegen Mangel an positiven Erfahrungen oder Messungen, so ist doch, abgesehen von großem Nutzeffect, bekannt, daß Schmelzungen strengflüssiger Substanzen oft weit besser in Schachtöfen, selbst in Windöfen gelingen als in Oefen mit Flammen- oder mit Gasfeuerung (die Fälle, wo Regeneration angewendet wird, ausgeschlossen).

|516|

Vgl. Handbuch des Eisengießereibetriebes, Theil 2 S. 106.

|517|

Im angezogenen Werk des Verfassers S. 107 und 108 ist als Kohlenstoffquantum die Zahl 26,84 angenommen, welche auf dieselbe Windmenge bezogen eine größere Kohlensäureproduction ergibt, nämlich die Verbrennung von 0,141 Einh. zu Kohlensäure und von 0,1274 Einh. zu Kohlenoxyd.

Der producirte Effect ist noch größer als in obiger Darlegung und der Nutzeffect des Ofens geringer, wiewohl er immer noch die in gleichem Grad unvollkommenen Flammöfen weit übertrifft.

|520|

Die Rechnung ist hier genauer durchgeführt als bei Gruner; deshalb ist auch der Kohlenstoffgehalt des Roheisens in Anschlag gekommen und gibt 2473c Effect.

|521|

Da die Verbrennungserscheinung in den beiden Apparaten, dem von Vienne und dem von Borsig in Berlin, doch sehr verschieden ist, kann man die von Gruner vorgeschlagene Proportionalität nicht gut annehmen, sondern muß die Analysen der Cupolofengase abwarten.

|522|

Gruner gibt nur die erstangeführten Zahlen für die vor 1870 giltig gewesenen Wirkungswerthe der Großöfen an. Leuschner hat aber schon 1868 in seiner Monographie des Mansfelder Kupferhüttenbetriebes (Preußische Zeitschrift, Bd. 17) die Erweiterung des Großofenbetriebes besprochen und gibt an, daß die Durchsetzquantität von 6 auf 8 Fuder (zu 3t) gestiegen sei, und daß im großen Durchschnitt ein Fuder oder 3000k etwa 550k Kokes verbrauchten.

|525|

Es ist zu wünschen, daß auch für diese Apparate die Fragen der Wärmestatik bearbeitet werden, natürlich auf Grund von Gasbestimmungen und calorimetrischen Versuchen.

|527|

Vgl. *1860 155 178. 158 183. *1872 205 205. 311. 1873 210 69.

|527|

Gruner nimmt diese Wärmentwicklung an, da der Brennstoff rauchlos verbrannt werde. Die Gasuntersuchungen von Seger und Aron (Notizblatt, 1875 S. 322) zeigen, daß vollkommene Verbrennung stattfindet.

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