Titel: Bell, über die Ausscheidung der Verunreinigungen von Eisen.
Autor: Bell, Isaac Lowthian
Fundstelle: 1877, Band 225 (S. 264–268)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj225/ar225084

Ueber die Ausscheidung von Kohlenstoff, Silicium, Schwefel und Phosphor im Frischfeuer im Puddelofen und im Bessemerconverter; von J. L. Bell.1)

Kohlenstoff, Silicium, Schwefel und Phosphor sind in geringerer oder größerer Quantität die steten Begleiter der in den Handel kommenden Eisen- und Stahlwaaren. Das hohe Interesse, welches die großen Eisenconsumenten unserer Zeit an dem Einfluß dieser Substanzen auf die Qualität des Fabrikates nehmen, macht es dem Eisenproducenten zur Pflicht, seine materielle und intellectuelle Kraft einzusetzen zur baldigen Erreichung des Zeitpunktes, wo wir seine Producte nicht allein dem Namen nach unterscheiden, sondern auch mit bestimmten chemischen Formeln belegen können. Denn er ist es allein, dem die Mittel zu Gebote stehen, zu diesem Ziele zu gelangen.

Die An- oder Abwesenheit der genannten vier Stoffe gibt dem Eisen ganz specifische Eigenschaften. Ihr Verhalten zu dem Eisen und ihr wechselseitiger Einfluß während der Verarbeitung des Roheisens zu Fertigfabrikat ist bisher nur in sehr ungenügendem Maße Gegenstand der Forschung gewesen. Wenn auch im großen Ganzen die Vorgänge beim Frischen, Puddeln und Bessemern nur Modificationen ein und desselben Processes sind, so bedingen doch sie so specifisch die Natur des erzeugten Productes, daß diese verschiedenen Arbeitsmethoden auch eine gesonderte Untersuchung verlangen.

Die vorzunehmenden Betrachtungen machen es wünschenswerth, zunächst in Kürze die wesentlichsten chemischen Vorgänge bei der Herstellung des Roheisens im Hohofen zu erörtern. Bei der Fabrikation des ordinären Roheisens ist die Anwesenheit der folgenden fünf Substanzen im Hohofen unbedingt erforderlich: Kalk, Thonerde und Kieselsäure als Schlackenbilder; Kohle, von der ein verhältnißmäßig nur sehr kleiner Theil sich mit dem Eisen verbindet, während der Rest in gasförmigen Verbindungen entweicht, und schließlich das Eisen selbst. Außer diesen |265| Stoffen sind noch zwei andere zu erwähnen, weil sie nie ganz fehlen: Phosphor und Schwefel. Der Phosphor ist gewöhnlich in Verbindung mit Sauerstoff, als Phosphorsäure, und der Schwefel entweder in der Form von Schwefeleisen oder von Schwefelsäure, im letzteren Falle meistens an Kalk gebunden, vorhanden.

Durch die intensiv reducirende Wirkung des Hohofens wird ein Theil der Kieselsäure, und wahrscheinlich der größere Theil der Schwefelsäure, ihres Sauerstoffes beraubt, und Silicium sowie Schwefel verbinden sich mit dem reducirten Eisen. Die Resultate der Praxis belehren uns ferner daß die Phosphorsäure sämmtlich zu Phosphor reducirt wird, welcher ohne Ausnahme im Roheisen wiederzufinden ist. Der an das Eisen überlieferte Kohlenstoff ist entweder vom Brennmaterial direct aufgenommen worden, oder aus der Reduction gasförmiger Kohlenstoffverbindungen entstanden. Für unsere gegenwärtige Aufgabe kann man daher das Roheisen als eine Verbindung von Eisen mit Kohlenstoff, Silicium, Schwefel und Phosphor betrachten. Nachstehende Analysen von Cleveland-Roheisen mögen zeigen, in welchen Quantitäten die vier genannten Stoffe in demselben vorkommen:

Kohlenstoff 3,670 3,030 3,305 3,200
Silicium 1,910 2,610 2,163 1,506
Schwefel 0,046 0,020 0,102 0,096
Phosphor 1,930 1,450 1,515 1,020
––––––––––––––––––––––––––––
Gesammtgehalt an Metalloiden 7,546 7,110 7,085 5,822
Eisen (Differenz) 92,454 92,890 92,915 94,178
––––––––––––––––––––––––––––
100,000 100,000 100,000 100,000

Bevor man die Hohöfen kannte, war eine besondere Art kleiner Oefen, von denen die mit dem Namen Catalanische bezeichneten als Typus gelten können, im Gebrauch, um aus Eisenerzen direct schmiedbares Eisen herzustellen. Die in diesen Oefen erzeugbare Temperatur ist, im Verhältniß zu der in den Hohöfen vorhandenen, sehr niedrig. Die Folge davon war, daß die Reduction des Eisens nur mangelhaft vor sich ging. Die Schlacken entführten bis zu 25 Proc. des in den Erzen enthaltenen Eisens, und die Production an Eisen blieb gering. Anderseits aber gewährte diese Fabrikationsmethode einen nicht zu unterschätzenden Vortheil. Nicht nur das Eisen wurde unvollständig reducirt, sondern auch das Silicium, der Schwefel und der Phosphor, und es hat den Anschein, daß da, wo Holzkohlen und Erze billig sind, das erwähnte Verfahren auch heute noch durchaus nicht absolut zu verwerfen ist. Die statistischen Nachweise belehren uns, daß Nordamerika bis zur Stunde auf diesem Wege jährlich ca. 60000t herstellt. Dieser große |266| Vortheil, den die alte Hütterei vor dem Hohofenbetrieb voraus hat, gab in jüngster Zeit Veranlassung, sich wieder etwas eingehender mit derselben zu beschäftigen.

Dr. C. William Siemens hat in Towcester eine Versuchsstation angelegt, woselbst er in einem rotirenden Ofen aus Erzen, die im Hohofen verhüttet, ein Roheisen mit 1 1/2 Proc. Phosphor liefern würden, Schmiedeisen vorzüglicher Qualität erzeugt. Ein Theil des Erzes wird bei mäßiger Temperatur in Berührung mit Kohle reducirt und dann, bei verstärkter Hitze, die Schlacke geschmolzen und das Eisen auf Schweißhitze gebracht. Die nachstehenden Analysen von Schlacke und Eisen beweisen sowohl die unvollständige Reduction des Eisens, als die Ueberführung des ungleich größern Theiles des Phosphors in die Schlacke.

Bestandtheile der Schlackenproben.

I. II.
Eisenoxydul 46,95 49,24
Eisenoxyd 7,05
Kieselsäure 28,10 18,80
Thonerde 16,50 20,40
Kalk 2,09 Spuren
Mangan 0,49 Spuren
Schwefel 1,03 0,408
Phosphorsäure 5,22 3,465
–––––– –––––––
100,38 99,363
Gehalt an metallischem Eisen 36,51 43,23
„ „ Phosphor 2,24 1,51

Bestandtheile der Eisenprobe.

Metallisches Eisen 99,71
Kohlenstoff 0,12
Silicium 0,065
Schwefel 0,027
Phosphor 0,074.

Es existiren allerdings Analysen von Schmiedeisenproben aus Cleveland-Roheisen, in Danks' Puddelofen verarbeitet, welche nicht mehr Phosphor aufweisen, als vorstehende Eisenanalyse. Dr. C. W. Siemens versichert indessen, daß andere Analysen seines Fabrikates im Phosphorgehalt noch unter einem Sechstel des obigen bleiben.

Ob die fortgesetzten Versuche in dieser Richtung für die Zukunft zu dem gewünschten Resultate führen, oder ob der mit allen Verbesserungen der Neuzeit ausgestattete Hohofen im Verein mit dem rotirenden Puddelofen den Sieg davon tragen werden, lassen wir dahingestellt sein.

Nach der Einführung des Roheisens, zu Anfang des 17. Jahrhunderts, bediente man sich zur Umwandlung desselben in Schmiedeisen |267| einer Art kleiner Frischöfen. In diesen wurde das Roheisen geschmolzen und dann bis zur fast gänzlichen Verbrennung des Kohlenstoffes einem Windstrom ausgesetzt. Erst vor etwa 100 Jahren führte Cort das Puddeln ein. Trotzdem ist noch heute die oben erwähnte Frischarbeit unter der Bezeichnung „Feinen“ zur Vorbereitung des Roheisens für den Puddelofen an manchen Orten im Betrieb und namentlich da, wo es gilt, schlechtere Sorten Roheisen zu Stahl zu verarbeiten. Es ist übrigens auch anzunehmen, daß das Roheisen bei längerer Behandlung in einem Bade von geschmolzenem Eisenoxyd mehr von seinem Phosphorgehalt verliert als bei der Verarbeitung im Puddelofen. Welche Umwandlung das Roheisen in Bezug auf den Gehalt an Metalloiden im Feinfeuer erfährt, ist aus nachstehenden, vor Kurzem angestellten Analysen ersichtlich:


Metalloide.
Versuch angestellt auf
Bowling Works mit
Bowling Roheisen.
Durchschnitt von 3
Versuchen angestellt auf
Bowling Works mit
Bowling Roheisen
Versuch angestellt auf
Tudhoe Ironworks mit
Clarence III Roheisen.
Roheisen. Gefeintes
Eisen.
Verlust.
Proc.
Roheisen. Gefeintes
Eisen.
Verlust.
Proc.
Roheisen. Gefeintes
Eisen.
Verlust
Proc.
Silicium 1,255 0,150 88,05 1,250 0,123 90,12 2,80 0,12 90,57
Phosphor 0,565 0,490 13,27 0,669 0,344 48,12 1,47 0,84 42,85
Schwefel 0,033 0,025 24,24 0,0346 0,0233 29,77 0,11 Spuren 100,00
Kohlenstoff 3,686 3,342 9,33 3,743 3,410 8,89 3,12 2,50 19,87

Obgleich hier einzelne Unregelmäßigkeiten vorkommen, so ist doch die Reihenfolge, in welcher die Metalloide vorstehend geordnet sind, gleichzeitig diejenige für das Maß ihres Austreibens im Feinfeuer. Der größere Verlust an Kohlenstoff bei Clarence-Eisen mag abzuleiten sein von der größern Zeitdauer dessen Verweilens im Feinofen, bedingt durch den größern Siliciumgehalt. Die andern Abweichungen sind nicht aufgeklärt.

So verschieden auch in der „äußern Erscheinung“ der Bessemer-Proceß von dem Feinproceß ist, so gleichen sie sich doch beide im Princip. In beiden Fällen befindet sich das Eisen während der Behandlung einem Strom gepreßter Luft ausgesetzt, und durch den Oxydationsproceß entsteht eine ganz bedeutende Temperaturerhöhung; letztere ist indessen beim Bessemern erheblich größer. Während beim Feinen der Wind nur auf der ihm grade dargebotenen Oberfläche des Eisens hinstreicht, durchdringt derselbe beim Bessemern die ganze Masse des Eisens, wodurch der Sauerstoff der Luft in viel innigere Berührung mit den einzelnen |268| Eisentheilchen kommt und kräftiger auf dieselben einwirkt. Außerdem liegt ein Unterschied in der Zeitdauer der beiden Operationen. Hiervon abgesehen, geschieht das Feinen in Gegenwart von reichlich Eisenoxyd enthaltender Schlacke, was beim Bessemern nicht der Fall ist.

Auch die bei beiden Processen mit der Zusammensetzung des Eisens vorgehenden Veränderungen treffen nicht überein. Das Silicium wird zwar bei beiden Methoden durch Oxydation größtentheils ausgetrieben, der Phosphor hingegen, welcher beim Feinen unter den ausgetriebenen Metalloiden schon in zweiter Linie kommt, bleibt beim Bessemern sämmtlich in dem Eisen zurück.

(Schluß folgt.)

Nach einem in der Jahresversammlung des Iron and Steel Institute gehaltenen Vortrag (Iron, März 1877 S. 390 ff.)

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