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vermindert aber die Schweißbarkeit des Eisens. Der Siliciumgehalt kann ohne nachteiligen Einfluß um so höher sein, je kohlenstoffärmer und je manganreicher das Eisen [* 2] ist. Bei zu hohem Siliciumgehalt wird das Eisen faulbrüchig, d. h. spröde in der Kälte und Wärme; [* 3] ein solches Eisen ist dunkelfadig und körnig, mit unganzen Stellen auf dem Bruch. 0,1-0,3 Proz. Silicium sind nicht merklich schädlich. Von wesentlichem Einfluß auf die Festigkeit [* 4] des Schmiedeeisens ist noch die Art der Darstellung und der mechanischen Bearbeitung.
Durch ungleichmäßiges Frischen des Roheisens wird Rohbruch herbeigeführt, zu erkennen an dem Zusammenvorkommen von gröberm Stabeisenkorn mit feinerm Stahlkorn auf dem Bruch. Ist infolge schlechter Schweißung oder Schmiedung Schlacke oder Hammerschlag in das Eisen eingeschlossen, so zeigt dasselbe auf dem Bruch Trennungsflächen sowie schwarze, glänzende Partien, und man nennt dasselbe »hadrig« oder »schulfrig«. Von der Qualität eines Eisenstabes gibt Kenntnis das Ansehen der Oberfläche und des Bruches, eine Wurf- oder Biegungsprobe und das Verhalten beim Schweißen.
Die Darstellung des Schmiedeeisens durch direkte Reduktion von Erzen (die sogen. Rennarbeit) wird meist nur noch in unkultivierten Gegenden, wo Brennmaterial billig ist und reiche und reine Erze zu Gebote stehen, bei sehr unvollkommenem Eisenausbringen in kastenförmigen Vertiefungen (Rennfeuern, Luppenherden) in der Weise ausgeführt, daß man den aus Eisenplatten gebildeten Kasten mit Kohle ausfüllt, die letztere durch zugeführte Gebläseluft verbrennt und das Erz (meist poröse, leicht reduzierbare Braun- und Spateisensteine) allmählich ins Feuer einführt, wobei sich ein Teil des Eisens reduziert und zu einem Klumpen (Luppe, Wolf, Stück) zusammenschweißt, während ein großer Teil des Eisens sich verschlackt.
Die Luppe wird dann ausgehoben, zum Ausquetschen der eingeschlossenen Schlacke starken Hammerschlägen ausgesetzt (»gezängt«),
darauf in mehrere Stücke geteilt, diese schweißwarm gemacht und ausgereckt. Man erhält zwar bei reinen Erzen ein vorzügliches Eisen, aber mit bedeutendem Aufwand an Brennstoff und großem Eisenverlust, welche Nachteile in manchen Hütten [* 5] durch Erhöhung der Herde zu kleinen Schachtöfen von 1,3-3,8 m Höhe (Stücköfen, Wolfsöfen) verringert wurden. Aus den Stücköfen entwickelten sich dann allmählich die noch zur Zeit gebräuchlichen Hochöfen. - Die neuern Versuche, aus den Erzen direkt schmiedbares Eisen zu erzeugen, sind bisher noch ohne praktischen Erfolg geblieben.
Bei allen gegenwärtig gebräuchlichen Methoden zur Herstellung von schmiedbarem Eisen wird dem Roheisen durch einen Oxydationsprozeß (Frischprozeß) Kohlenstoff entzogen. Als Oxydationsmittel benutzt man in der Regel den Sauerstoff der Luft, zuweilen aber auch den in Oxyden (Eisenoxyd, Eisenoxydoxydul) enthaltenen Sauerstoff. Der Frischprozeß wird bei der Darstellung von Schweißeisen entweder in offenen Gebläseherden (Frischherden) unter Anwendung von Holzkohlen (Herdfrischprozeß) oder in Flammöfen (Puddelöfen) unter Anwendung von Steinkohlen oder Gasfeuerung [* 6] ausgeführt (Puddelofenprozeß).
Bei der Darstellung von Flußeisen wird in einem hängenden, birnförmigen Gefäß [* 7] (Bessemerbirne) Luft in feiner Zerteilung durch ein Roheisenbad gepreßt (Bessemerprozeß), oder man benutzt Flammöfen mit Gasfeuerung und steigert dabei die Temperatur bis zum Schmelzen des schmiedbaren Eisens (Martinprozeß). Der Herdfrischprozeß ist der älteste aller Frischprozesse und liefert ein sehr reines, weiches und dehnbares Eisen, erfordert aber als Brennstoff Holzkohlen und ist deshalb nur noch in holzreichen Gegenden im Gebrauch. Auch der Puddelofenprozeß, welcher bis vor kurzem noch in voller Blüte [* 8] stand, wird gegenwärtig durch die weitere Entwickelung des Bessemer- und Martinprozesses immer mehr verdrängt; eine wesentliche Rolle spielt dabei das Streben nach Massenproduktion, z. B. werden 5000 kg Roheisen durch Herdfrischen in ca. 1½ Woche, durch Puddeln in 1½ Tag und durch Bessemern in 20 Minuten in schmiedbares Eisen verwandelt.
1) Darstellung von Schweißeisen.
Reines Weißeisen (garschmelziges Eisen) kann ohne weiteres, siliciumreiches Weißeisen und graues Roheisen (roh schmelziges Eisen) dagegen erst nach einer vorbereitenden Arbeit (dem sogen. Feinen, Raffinieren oder Läutern) dem Herdfrischen oder Puddeln unterworfen werden. Das Feinen besteht in einem Einschmelzen des Roheisens unter Luftzutritt in besondern Apparaten; dabei oxydiert sich zunächst das Silicium zu Kieselsäure, welche mit dem gleichzeitig entstehenden Eisenoxydul eine Schlacke (Rohschlacke) bildet.
In dem Maß, als sich das Silicium abscheidet, geht der Graphit in gebundenen Kohlenstoff über, ohne sich zu oxydieren; man erhält dann schließlich Weißeisen (Feineisen). Die Operation des Feinens (Hartzerrennens) führt man gewöhnlich in einem sogen. Feineisenfeuer [* 1] (Fig. 7 auf Tafel II) aus. Dasselbe besteht aus einem kastenförmigen Raum f mit dem Schornstein a, an drei Seiten von Wasserbehältern c, an der Vorderseite durch eine Eisenplatte mit Stichöffnung geschlossen und mit einer Sand- oder Schlackensohle versehen.
Vor den Kasten c, welche aus b mit Wasser gespeist werden, befinden sich Wasser enthaltende Troge d zum Kühlen der Werkzeuge. [* 9] Durch vier oder sechs stark geneigte Formen an zwei Seiten wird viel Wind zugeführt. Man füllt den Herd f mit Koks, setzt die Roheisencharge (2000-2500 kg) über die Formen, schmelzt dieselbe tropfenweise nieder und läßt den Gebläsewind auf das flüssig gewordene Eisen wirken. Man sticht das gefeinte Produkt (Feineisen) nach etwa 3-4 Stunden in Formen ab und begießt dasselbe noch mit Wasser.
Auf 100 kg Feineisen braucht man etwa 20-30 kg Koks und hat 13-15 Proz. Eisenabgang. Da bei diesem Verfahren das Feineisen durch die Asche des Brennmaterials, z. B. durch den Schwefelgehalt der Koks, verunreinigt werden kann, so führt man den Feinprozeß auch wohl in Gasflammöfen (Weißöfen) aus (Oberschlesien). Zuweilen wird das Feinen von Graueisen auch direkt im Frischherd vorgenommen. In einigen Fällen genügt als Vorbereitung des Graueisens ein bloßes Übergießen des erstarrenden Eisens mit Wasser (»abschrecken«) oder Einleiten des flüssigen Produkts in kalte Eisenformen oder Glühen zwischen Kohlen (»braten«).
Das reine Weißeisen oder das gefeinte Graueisen wird nun im Herb- oder Flammofen dem eigentlichen Frischprozeß unterworfen. Bei Einwirkung der Luft auf das geschmolzene Eisen findet eine lebhafte Oxydation des Eisens statt (Rohfrischperiode); es entsteht eine eisenreiche Schlacke, welche gebildetes Eisenoxyduloxyd auflöst, und dieses wirkt im gelösten Zustand energisch oxydierend auf den gebundenen Kohlenstoff unter Erzeugung von Kohlenoxydgas, welches in reichlicher Menge in Gestalt blauer Flämmchen entweicht und die Masse zum Aufschäumen (Kochen) bringt. Ist dieselbe wieder ruhig geworden, so ist ein Produkt mit dem Kohlenstoffgehalt von Stahl ¶
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entstanden, welchem zur Bildung von Schmiedeeisen noch Kohlenstoff entzogen werden muß. Man setzt deshalb den Oxydationsprozeß noch fort, und das im Überschuß gebildete, von der immer basischer werdenden Schlacke (Garschlacke) aufgelöste Eisenoxyduloxyd trägt zur weitern Entkohlung bei, bis an gewissen Kennzeichen (Weißglühen, knetbarer Zustand der Eisenteilchen etc.) das Ende der Periode (Garfrischperiode) erkannt wird. Reines Weißeisen frischt sehr schnell, weil durch das dickflüssige Einschmelzen (Spiegeleisen macht hiervon eine Ausnahme) eine energischere Oxydation ermöglicht wird.
War das Weißeisen nicht ganz schwefelfrei, so kann das Frischen so rasch gehen, daß der Schwefel nicht Zeit findet, sich zu oxydieren, und es erfolgt ein rotbrüchiges Produkt. In solchem Fall gibt man Zuschläge, welche das Frischen verzögern (Sand, Thon, Rohschlacken), indem sie eine dünnflüssige Schlacke erzeugen, die das Kohleneisen bedeckt und die Luft mehr von demselben abschließt. Spiegeleisen frischt langsamer und schwerer als gewöhnliches Weißeisen, indem dasselbe dünnflüssig einschmilzt und sein Mangangehalt, welcher noch vor dem Eisen und neben dem Silicium oxydiert wird, eine dünnflüssige Schlacke bildet, die in der eben angegebenen Weise luftabhaltend wirkt.
Außerdem löst sich das den Kohlenstoff energisch oxydierende Eisenoxydoxydul in der manganhaltigen Schlacke nicht auf, und daher wird die Entkohlung verzögert. Man verwendet das Spiegeleisen gern zur Stahlfabrikation, einmal wegen seiner Reinheit, dann, weil sich bei dem verzögerten Frischen der Punkt leichter treffen läßt, wo noch die zur Stahlbildung erforderliche Kohlenstoffmenge vorhanden ist, als wenn das Frischen zu rasch verläuft. Schwefel wird um so vollständiger entfernt, je länger der Prozeß dauert.
Phosphor wird oxydiert, nachdem alles Silicium entfernt ist; eine vollständige Abscheidung findet aber nur dann statt, wenn die Schlacke basisch ist, die Temperatur nicht zu hoch steigt und ein Eisen mit geringem Kohlenstoffgehalt hergestellt wird. Die übrigen Verunreinigungen des Roheisens werden durch das Frischen leicht entfernt, nur das Kupfer [* 11] macht davon eine Ausnahme. Man kann das Frischen künstlich beschleunigen durch Zusatz Sauerstoff abgebender (garender) Substanzen (Hammerschlag, Garschlacke etc.). Die zum Frischen dienenden Gebläseherde (Frischherde, Frischfeuer) bestehen aus einem mit eisernen Platten (Zacken) ausgekleideten Raume mit eiserner, gewöhnlich von unten gekühlter Bodenplatte. Man nennt die Eisenplatte, auf welcher die Form d (Textfig. 3) ruht, Formzacken (t), die gegenüber befindliche (h) Windzacken, die Hinterplatte (s) Aschenzacken und die Vorderplatte Vorder- oder Schlackenzacken. Durch das Ventil [* 12] v ist der Zutritt der Gebläseluft aus w in die Düse zu regulieren. Man gelangt zu dem mit einer Esse (a) überdeckten Herde durch die Arbeitsöffnung bei b. Zuweilen sind die Frischfeuer überwölbt und mit Glühherden versehen, auf welchen das zu verfrischende Roheisen durch die abziehende Flamme [* 13] vorgewärmt wird.
Die Modifikationen beim Frischen werden hauptsächlich durch die Beschaffenheit des Roheisens, namentlich durch seine Reinheit und das Verhalten beim Frischen, ob roh- oder garschmelzig, bedingt. Graues, rohschmelziges Roheisen erfordert zur Überführung in Schmiedeeisen die Durchführung der oben angegebenen drei Perioden des Feinens, Roh- und Garfrischens (Dreimalschmelzerei); Spiegeleisen und schwach gefeintes Roheisen bedingen nur die beiden letzten Perioden (Zweimalschmelzerei) und kohlenarmes Weißeisen, luckige Flossen oder stark gefeintes Eisen nur die letzte Periode (Einmalschmelzerei).
Als Beispiel für die Dreimalschmelzerei diene die deutsche Frischschmiede für halbiertes und graues Roheisen, welche noch dadurch charakterisiert ist, daß das dabei erhaltene Luppeneisen behufs Schweißung und Ausreckung in demselben Feuer erhitzt wird, in welchem das Frischen gleichzeitig stattfindet. Man füllt den Herd mit Kohle, schiebt vom Windzacken her die Roheisenstücke (Gänze) in den Herd, läßt dieselben, mit Kohlen bedeckt, tropfenweise in den Herd schmelzen, wobei ein Feinen des Roheisens (s. oben) eintritt.
Auf die Feinperiode (Gänzeschmelzen), in welcher nach Umständen rohe oder garende Zuschläge gegeben werden, folgt, nachdem die gebildeten Rohschlacken durch den Stich im Vorderzacken abgelassen worden, das Rohaufbrechen: die auf der Bodenplatte befindliche Eisenmasse wird mittels einer Brechstange (Speer) in mehrere Stücke gebrochen und jedes derselben nach und nach über die Form gehoben, um beim Niedergang vor derselben entkohlt zu werden. Die Anzahl der zu erzeugenden Stücke richtet sich nach der Reinheit, namentlich dem Schwefelgehalt des Roheisens. Je unreiner dasselbe, desto mehr und kleinere Stücke erzeugt man (Klumpfrischen mit nur einem Stück; Durchbrechfrischen mit vielen Stücken, kombiniertes Klump- und Durchbrechfrischen mit wenigen Stücken).
Man sticht die entstandene Schlacke (Rohschlacke) ab, bricht die am Boden befindliche, etwa im Zustand des Stahls befindliche Masse nochmals auf (Garaufbrechen) und läßt die Stücke behufs weiterer Entkohlung wieder vor der Form vorbeigehen und sich dann unterhalb derselben zu einem Klumpen (Luppe, Deul, Dachel) vereinigen, welcher, nachdem er von allen Seiten dem Wind zur vollständigen Garung ausgesetzt worden, mittels Zange [* 14] ausgehoben und zum Auspressen der darin enthaltenen Schlacke (»zängen«) kräftigen Schlägen unter einem Stirn- oder Aufwerfhammer (s. Hammer) [* 15] auf einem Amboß ausgesetzt und zu einem parallelepipedischen Stück (Massel) bearbeitet wird.
Dieses teilt man in mehrere Stücke (Schirbel, Zaggel), wärmt dieselben während des Einschmelzens des Roheisens im Fokus des Frischfeuers an, während dahinter das Roheisen für die nächste Charge einschmilzt, und reckt sie unter Hämmern zu Stäben aus. Man setzt durchschnittlich 110-120 kg Roheisen ein, bringt 72-75 Proz. Schmiedeeisen aus und verbraucht auf 100 kg ausgeschmiedetes Eisen 1-1,5 cbm Holzkohle bei 4-6 Stunden Arbeitsdauer. Bei dem sogen. Anlauf- oder Judenfrischen steckt man in der letzten Periode einen Eisenstab in die Masse, an welchen sich dann das entstandene Frischeisen (Anlaufeisen) ansetzt, worauf man den Klumpen abhaut und ausschweißt.
[* 10] ^[Abb.: Fig. 3. Frischfeuer.] ¶