XXXVIII. Ueber das Frischen des Roheisens auf Schmiedeeisen und Stahl nach Bessemer's Verfahren; vom Ober-Bergingenieur Gruner. (Schluß von S. 53 des vorhergehenden Heftes.) Gruner, über Bessemer's Verfahren zum Frischen des Roheisens. Gestehungskosten. – Nach dem Vorhergehenden ist es einleuchtend, daß die Gestehungskosten des Bessemer'schen Schmiedeeisens und insbesondere des Stahls nicht bedeutend seyn können. Außer dem Abfall kommen eigentlich nur die Kosten der Handarbeit und der Winderzeugung in Betracht; die übrigen Kosten sind verhältnißmäßig unbedeutend, besonders wenn man das Roheisen direct dem Hohofen entnimmt. Bessemer glaubt, daß im District der Rotheisensteine (Cumberland und Lancashire), wenn man das Roheisen direct dem Hohofen entnimmt, die Gestehungskosten des Stahls nicht über 4 Pfd. Sterl. betragen können, also 100 Francs die Tonne, bei einem Preise des Roheisens von 2 Pfd. Sterl. 10 Sh. bis 3 Pfd. St. Zu Woolwich aber, wo das Brennmaterial, das Roheisen und die Handarbeit theurer sind, betrugen die Gestehungskosten des Stahls durchschnittlich 6 Pfd. St. 10 Shill., bei einem Roheisenpreise von 3 Pfd. Sterl. 11 Sh. bis 3 Pfd. St. 15 Sh. Die Gestehungskosten des Schmiedeeisens berechnen sich annähernd wie folgt: Pfd. St. Sh. Pfd. St. Sh. Roheisen, bei einem Abfall von 20 bis 25 Proc. 4 10 bis 4 15 Kosten des Umschmelzens im Kupolofen „   5 „   5 Wind, Handarbeit, feuerfeste Materialien,    verschiedene und allgemeine Kosten 1 10 1 10 –––––––––––––––––––––––––––– Im Ganzen: 6   5 bis 6 10 Schlußfolgerungen. – Nach dem Vorstehenden dürfte in der Fabrication des Gußstahls, und zum Theil in derjenigen des Schmiedeeisens, in der nächsten Zeit eine gänzliche Umänderung eintreten. Der Gußstahl ließe sich zu sehr vermindertem Preise erzeugen. Alles Roheisen, welches weder Schwefel noch Phosphor enthält, selbst solches welches wenig Mangan enthält, kann man im Bessemer'schen Apparat leicht auf Gußstahl verfrischen. Insbesondere in Frankreich verdient diese neue Methode studirt zu werden, denn in der Franche-Comté, im Berri, Périgord und in den Pyrenäen wird ein für dieselbe vorzüglich geeignetes Holzkohlen-Roheisen erzeugt. Theoretische Betrachtungen über das Bessemer'sche Verfahren. Zwei Thatsachen sind bei der neuen Frischmethode besonders auffallend: die hohe Temperatur welche in Abwesenheit jedes kohlehaltigen Brennmaterials hervorgebracht wird, und der rasche Verlauf des Frischens. Ursachen der hohen Temperatur. – Bei der Bessemer'schen Methode wird das Roheisen im geschmolzenen Zustande in die Retorte eingeführt, also mit beiläufig 1600° C.; nachdem das Einströmen des gepreßten Windes einige Minuten gedauert hat, ist die Temperatur schon hoch genug um den Stahl und sogar das Schmiedeeisen in flüssigem Zustande zu erhalten, was respective 1800° und 2000° C. voraussetzt. Indem die Luft durch das Roheisen dringt, oxydirt sie direct das vorwaltende Metall; außer dem Eisen werden auch der Graphit und das Silicium verbrannt, da diese aber nur in geringem Verhältniß vorhanden sind, so wird die Wärme hauptsächlich durch die Verbrennung des Eisens erzeugt. Wenn man eine Charge von 1000 Kilogr. Roheisen anwendet, so ist dasselbe in zehn Minuten in Stahl umgewandelt, wobei der Abfall 12 bis 15 Proc. beträgt, von denen beiläufig 10 Proc., also 100 Kil., Eisen sind. Nun läßt sich leicht zeigen, daß die so entwickelte Wärme mehr als hinreichend ist, um das Eisen auf 1800 bis 2000° zu bringen. Nach Dulong entwickelt 1 Liter Sauerstoffgas, indem es Eisen verbrennt, 6216 Wärme-Einheiten, oder 1 Grm. Sauerstoff 4327 Einheiten.Annales de Physique et de Chimie, 3e série, t. VIII. Nach Desprez hätte man sogar 5325 Einheiten.Physique dePouillet. Wir werden die niedrige Zahl annehmen, weil bei den calorimetrischen Versuchen das Eisen in Oxyduloxyd oder sogar in Oxyd übergeht, während im Bessemer'schen Apparat das Eisen hauptsächlich als Oxydul mit Kieselerde verbunden zurückbleibt, und man nicht wissen kann in welchem Verhältniß die Wärmemengen stehen, welche nacheinander durch die stufenweise Bildung der verschiedenen Oxyde entwickelt wurden. Selbst wenn man die Ziffer von Dulong annimmt, wird man daher eine zu hohe Zahl finden; da ich aber bei der Berechnung der entwickelten Wärme-Einheiten die Wärme vernachlässige, welche durch die Verbrennung des Graphits und des Siliciums geliefert wurde, so muß ich als Endresultat vielmehr eine zu geringe Wärmemenge erhalten. Die 10 Kil. Eisen erfordern, um sich in Oxydul zu verwandeln, 2,85 Kil. Sauerstoff, und entwickeln folglich 2,85 × 4327 = 12332 W. E. In 10 Minuten wird man also 123320 W. E. haben. Diese Wärme dient hauptsächlich um das Eisen, die Schlacken und den Stickstoff auf 1800° zu bringen. Da man die specifische Wärme der Schlacken nicht kennt und das zurückbleibende metallische Eisen neun Zehntel der Gesammtmasse bildet, so kann man ohne großen Irrthum annehmen, daß die absorbirte Gesammtwärme gleich derjenigen ist, welche erforderlich ist, um die 1000 Kil. Eisen auf 1800° zu bringen, plus derjenigen welche nöthig ist um die ganze Luft, und nicht mehr bloß den Stickstoff, ebenfalls auf 1800° zu erhitzen. Für das Eisen dessen Temperatur vorher schon 1600° beträgt, hat man:    W. E. 1000 × 0,13 ×   200° = 13000Diese Ziffer ist etwas niedrig, weil 0,13 die mittlere specifische Wärme des Eisens zwischen 0 und 300° ist, und weil seine Wärmecapacität mit der Temperatur zunimmt. Für die Luft von anfänglich 0°:       28k,5 × (1000/231) × 0,26 × 1800° = 57754 ––––––––––– Im Ganzen:    70754 Die Differenz zwischen 70754 und 123320 ist groß genug, um die Wärmeverluste welche durch directe Strahlung und durch die Wände der Retorte stattfinden können, reichlich auszugleichen, besonders wenn man berücksichtigt, daß die Wärme sich mitten in der Eisenmasse auf dem Wege der die Verbrennung bewirkenden 25 Luftstrahlen entwickelt. Während der folgenden zehn Minuten wird noch eine gleiche Wärme erzeugt, wogegen die absorbirte Wärme nur um diejenige zunimmt, welche erforderlich ist um die Luft von 1800 auf 2000° zu bringen, also um 28,5 × (1000/231) × 0,26 × 200 = 3817 Wärmeeinheiten. Man wird also im Ganzen 74571 W. E. anstatt 70754 haben; diese geringe Differenz kann aber das weiche Eisen nicht verhindern ebenfalls im geschmolzenen Zustande zu verbleiben. Allerdings könnte man sehr gut durch die Roheisenmasse einen Ueberschuß von Luft treiben, was eine stärkere Wärmeabsorption zur Folge hätte. Es ist einleuchtend, daß dieß besonders dann eintreten kann, wenn man eine zu geringe Roheisencharge anwendet und wenn der Luftstrom nicht hinreichend zertheilt ist. Uebrigens ist bei Anwendung schwacher Roheisenchargen (unter 100 bis 200 Kil.), die durch die Wände der Retorte absorbirte Wärme, oder im Allgemeinen der Wärmeverlust, verhältnißmäßig größer; unter diesen Umständen wird es auch offenbar schwierig seyn, die Bildung von Klumpen zu verhüten. Ohne Zweifel aus diesem Grunde empfiehlt Bessemer mit großen Massen zu operiren, und in seiner Abhandlung schreibt er sogar das Mißlingen seiner ersten Versuche nicht minder den kleinen Chargen als dem Schwefel- und Phosphorgehalt des Roheisens zu. Bei Anwendung kleiner Chargen kam es auch oft vor, daß der Abfall bis auf 40 Proc. stieg. Ueberdieß wurde bei jenen Versuchen der Wind an den Seiten des Ofens und durch größere und weniger zahlreiche Düsen eingetrieben, was offenbar die vollständige Absorption des Sauerstoffs und diejenige der erzeugten Wärme schwieriger machte. Hieraus folgt also, daß hinsichtlich der entwickelten Wärme das Bessemer'sche Verfahren nothwendig um so besser gelingen muß, je höher (zwischen gewissen Grenzen) die flüssige Roheisensäule und je größer also die Windpressung ist; dann auch, je mehr der Wind in dünne Strahlen zertheilt ist.Heiße Luft würde offenbar die Temperatur des Products erhöhen; wenn man aber in Folge der Ausdehnung der Luft das Gewicht des eingetriebenen Sauerstoffs vermindern müßte, so würde dadurch andererseits eine weniger lebhafte Verbrennung und eine weniger intensive örtliche Wärme veranlaßt. Es wäre interessant zu wissen, ob unter den oben erörterten Umständen ein Ueberschuß von Wind vorhanden ist oder nicht. Man könnte diese Frage beantworten, wenn es möglich wäre das eingetriebene Volum genau zu berechnen. Aber der Querschnitt der Düsen wird durch Verstopfungen mehr oder weniger verengt und die Spannung des Windes durch den Druck des Roheisens mehr oder weniger aufgehoben. Man müßte also, um die Frage zu lösen, eine Analyse der aus der Retorte entweichenden Gase vornehmen. In Ermangelung einer solchen wollen wir versuchen uns durch eine Berechnung Aufklärung zu verschaffen. Die Pressung des Windes beträgt im Mittel 2 Atmosphären, also 1 Atmos. über den gewöhnlichen Luftdruck. Bei Anwendung einer Charge von 1000 Kil. entspricht, wie wir gesehen haben, die flüssige Roheisensäule beiläufig 1/3 Atmosphäre; in Berücksichtigung der anderen Hindernisse welche noch zu überwinden sind, muß aber der Gesammtverlust sicher 1/2 Atm. ausmachen. Die Spannung, womit der Wind aufsteigt, beträgt folglich höchstens 1/2 Atmosphäre. Hiernach findet man, daß die 25 Düsen von 6 Millimeter Querschnitt per Minute ein Luftvolum liefern müssen, welches auf 0° und 0,76 Met. Barometerstand reducirt, 13,5 Kubikmeter betragen und dessen Gewicht 17,55 Kil. seyn würde. Andererseits entsprechen die per Minute vom Eisen absorbirten 2,85 Kil. Sauerstoff 12,34 Kil. Luft, und wenn man dazu das Gewicht der Luft rechnet, welche den Sauerstoff lieferte, der von den 2 bis 5 Kil. Graphit und Silicium absorbirt wurde, so kommt man nahezu auf die oben gefundene Ziffer. Hiernach scheint es, daß wenig Sauerstoff der Verbrennung entgehen kann, und dieß ist auch einleuchtend, da bei einer so hohen Temperatur das Roheisen von einer Reihe dünner Luftstrahlen durchdrungen wird. Ursachen des raschen Frischens. – Wir wollen nun sehen, durch welche Reactionen das Roheisen in so kurzer Zeit gefrischt werden kann. Erstens ist keine Kohle vorhanden, welche gerade beim gewöhnlichen Frischen in Herden dem oxydirenden Einfluß der Luft und der Schlacken unaufhörlich entgegenwirkt. Ferner ist die Temperatur so hoch und die Vermischung des Roheisens mit der Luft so innig, daß dasselbe offenbar viel rascher und gleichförmiger oxydirt werden muß, als durch das unvollkommene Umrühren des Puddlers auf der Flammofenfohle. Im letztern Falle muß die Schlacke, damit sie sich mit dem Roheisen mischen und auf dasselbe einwirken kann, nur halbflüssig und folglich auf einer verhältnißmäßig nicht hohen Temperatur seyn; wogegen im Bessemer'schen Apparat die stürmische Bewegung, welche dem Metall durch die 25 Windstrahlen mitgetheilt wird, Schlacke und Roheisen unaufhörlich mischt, ungeachtet ihrer höchsten Flüssigkeit und ihrer verschiedenen Dichtigkeit. Die Reactionen sind folglich im letztern Falle lebhafter und kräftiger. Wir wollen nun annehmen, das verwendete Roheisen enthalte weder Schwefel noch Phosphor. Das Eisen wird durch die Luft oxydirt, und mit ihm, theils direct, theils hauptsächlich indirect Man sehe die Abhandlung über das Puddeln auf Stahl in den Annales des mines, 5e série, t. XV p. 291., das Silicium und der Kohlenstoff, aber zuerst vorzugsweise das Silicium, wegen der Verwandtschaft der Kieselerde zum Eisenoxydul. Da überdieß das überschüssige Eisenoxydul die Wände der Retorte stark angreift, so bildet sich ein basisches Silicat von Eisen und Thonerde. Nachdem das Silicium oxydirt ist, verschwindet auch der Kohlenstoff durch die Einwirkung der basischen Schlacke, wie beim Puddeln auf Stahl, und das Product wird daher mehr oder weniger gekohltes Eisen seyn, je nach der Dauer der Operation, also entweder harter Stahl, oder weicher Stahl, stahlartiges Eisen oder sogar weiches Eisen. Einige Minuten mehr oder weniger sind dazu hinreichend, denn die Entkohlung erfolgt noch rascher als beim Puddeln auf Stahl. Wenn das Roheisen Mangan enthält, so oxydirt sich dieses zum Theil direct wie das Eisen, aber hauptsächlich indirect durch das Eisenoxyd. Das Manganoxyd, als starke Vase, muß auch die Abscheidung des Siliciums beschleunigen. Das viel Silicium enthaltende Roheisen wird also leichter zu verfrischen seyn, wenn es zugleich Mangan enthält. Aber die Gegenwart dieses Metalls ist bei der Bessemer'schen Methode nicht durchaus nothwendig, wie die Resultate mit dem Roheisen von Cumberland beweisen, welches aus Rotheisensteinen erblasen ist, die in der Regel sehr wenig Mangan enthalten. Der Phosphor wird bei der neuen Methode nicht ausgeschieden, und selbst das Mangan scheint dessen Abscheidung nicht zu erleichtern, weil das englische Roheisen, welches aus den im Steinkohlengebirg vorkommenden Eisenerzen erblasen ist, die alle Phosphor und viel Mangan enthalten, stets schlechte Resultate gab. Der Phosphor könnte nur in Form von phosphorsaurem Eisen oder Mangan ausgetrieben werden; das phosphorsaure Eisen wird aber durch das metallische Eisen zu Phosphormetall reducirt, und dieß ist auch sehr wahrscheinlich bei dem phosphorsauren Mangan der Fall. Beim Frischen in Herden oder Feuern und im Puddelofen geht ein Theil des Phosphors in die Schlacken über, weil die Berührung zwischen letzteren und dem Eisen weniger innig und die Hitze nicht so groß ist; wenn aber das Eisen selbst geschmolzen und durch den Wind unaufhörlich mit der Schlacke vermischt wird, so muß es nothwendig sehr kräftig auf das momentan gebildete phosphorsaure Salz einwirken. Die hohe Temperatur wird überdieß die Verwandtschaft der Phosphorsäure zum Eisenoxyd eher vermindern als verstärken. Bei dem gegenwärtigen Standpunkte des Bessemer'schen Verfahrens wird es also schwierig seyn, phosphorhaltiges Roheisen, selbst wenn es Mangan enthält, zugutezumachen. Der Schwefel ist auch nicht leicht abzuscheiden. Bekanntlich wird das Schwefeleisen durch das Eisenoxydul nicht zersetzt und noch weniger durch dessen Silicat. Unter dem directen Einfluß des Windes entweicht sehr wahrscheinlich ein Theil des Schwefels als schweflige Säure; aber dieses Gas wird ebenfalls durch das Eisen zersetzt, so daß das Austreiben des Schwefels sehr unvollkommen ist. Wegen der hohen Temperatur und der innigen Vermischung des Roheisens mit der Schlacke verhält es sich mit dem Schwefel wie mit dem Phosphor; seine Abscheidung ist im Bessemer'schen Apparat sicher schwieriger als im Frischherd und Puddelofen. Die Frischschlacken enthalten fast immer Schwefel, welcher sich darin wohl nur in Form von Oxysulfureten oder von Sulfosilicaten befinden kann. Die Oxysulfurete sind jedoch wenig beständige Verbindungen und müssen bei einer hohen Temperatur durch das Silicat und das Metall zersetzt werden; das Sulfosilicat oder Doppelsulfuret von Eisen und SiliciumBekanntlich entbindet sich aus vielen Roheisensorten Schwefelsilicium beim Abstich aus dem Hohofen. aber kann dem gemeinschaftlichen Einflusse des Eisens und des Windes nicht widerstehen, es entsteht gewöhnliches Silicat und der Schwefel muß sich neuerdings mit dem Eisen verbinden. Abgesehen von der geringen Menge Schwefel, welcher in Form von schwefliger Säure oder Schwefelsilicium entweichen kann, muß sich derselbe also vielmehr im Metall concentriren. Der Schwefel ist jedoch weniger schädlich als der Phosphor, weil man gutes Schmiedeeisen und guten Stahl mit Kohksroheisen erhalten kann. Da überdieß das Roheisen, welches aus dem stets mit Schwefelkies gemengten Spatheisenstein und Sphärosiderit erblasen ist, sehr guten Stahl gibt, so ist es wahrscheinlich, daß das Mangan hier durch seine bekannte Verwandtschaft zum Schwefel als Verbesserungsmittel wirkt. Wenn man also das phosphorhaltige Roheisen und gewisse zu viel Schwefel enthaltende Sorten ausschließt, so liefert die neue Frischmethode, gehörig angewandt, selbst bei Benützung von Kohksroheisen, sehr gute Producte. Offenbar verdient jedoch, unter übrigens gleichen Umständen, das mit Holzkohlen erblasene Roheisen den Vorzug.