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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Stahlguss. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum In der Geschichte der Eisenmetallurgie gab es drei revolutionäre Umwälzungen, die tiefgreifende Auswirkungen auf den gesamten Verlauf der Menschheitsgeschichte hatten: Die erste fand in der Antike statt, als Rohöfen auftauchten; der zweite ereignete sich im Mittelalter nach der Entdeckung des Alterationsprozesses; die dritte fand in der zweiten Hälfte des XNUMX. Jahrhunderts statt und war mit dem Beginn der Stahlgussproduktion verbunden. Stahl blieb zu allen Zeiten das notwendigste und begehrteste Produkt der Eisenmetallurgie, denn nur er besaß die Härte und Festigkeit, die für die Herstellung von Werkzeugen, Waffen und Maschinenteilen erforderlich waren. Doch bevor das Metall zu einem Stahlprodukt wurde, musste es eine Reihe von arbeitsintensiven Arbeitsgängen durchlaufen. Zunächst wurde Eisen aus Erz geschmolzen. Dann wurde das Gusseisen zu Weicheisen reduziert. Schließlich wurde aus einem Eisenring durch Langzeitschmieden das notwendige Stahlteil gewonnen (oder nur ein Rohling dafür, der dann auf spanenden Maschinen einer Endbearbeitung unterzogen wurde). Die Herstellung von Weicheisen und insbesondere das Schmieden war lange Zeit der Engpass in der Eisenverarbeitung. Sie nahmen die meiste Zeit und Mühe in Anspruch, und die Ergebnisse waren bei weitem nicht immer zufriedenstellend. Dieses Problem wurde im XNUMX. Jahrhundert besonders akut, als die Nachfrage nach billigem Stahl stark zunahm. Natürlich hatten viele Wissenschaftler und Erfinder eine Idee, die Bessemer später formulierte: Wie bekommt man ein Metall mit den Eigenschaften von Eisen und Stahl, aber in flüssiger Form, damit man es zum Gießen verwenden kann? Die Lösung dieses Problems erforderte mehrere Jahrzehnte harter Arbeit vieler Metallurgen. Auf dem Weg dorthin wurden mehrere wichtige Entdeckungen und Erfindungen gemacht, von denen jede eine Ära in der Geschichte der Eisenverarbeitung darstellte. Bis zum Ende des XNUMX. Jahrhunderts erfolgte die Umwandlung von Gusseisen in weiches Temperguss nur in Glühöfen. Diese Methode war jedoch in vielerlei Hinsicht unbequem. Das dabei gewonnene Metall war heterogen - stellenweise näherte es sich in seinen Eigenschaften dem schmiedbaren Eisen, stellenweise dem Stahl an. Außerdem erforderte die Arbeit viel Zeit und körperlichen Einsatz. Da der Brennstoff (Kohle) in direktem Kontakt mit Eisen stand, wurden sehr hohe Anforderungen an ihn gestellt, da eventuelle Verunreinigungen die Qualität des Endprodukts beeinträchtigten. Der Kohleverbrauch war sehr hoch (im Durchschnitt wurden bis zu 1 kg Kohle benötigt, um 4 kg Eisen wiederherzustellen). In den größten Schmieden konnten in 24 Stunden nicht mehr als 400 kg Eisen gewonnen werden. Inzwischen verlangte der Markt immer mehr nach Eisen und Stahl. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, war es notwendig, einen perfekteren Weg zu finden, um Gusseisen neu zu gestalten. Ein bedeutender Fortschritt auf diesem Weg war das 1784 vom Engländer Cort vorgeschlagene Verfahren des Puddelns in einem speziell konstruierten Ofen.
Pudding ist der metallurgische Prozess der Umwandlung von Gusseisen in weiches Eisen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (Schmiedeeisen). Der Kern des Prozesses besteht darin, Gusseisen in einem speziellen Ofen ohne Kontakt mit Brennstoff zu schmelzen und das geschmolzene Metall mit speziellen Stäben zu vermischen, an denen Partikel geschmolzenen Eisens haften bleiben und sich nach und nach eine teigartige Kruste mit einem Gewicht von bis zu 40–60 kg bildet. Am Ausgang des Puddelofens wird das resultierende Kritsa geschmiedet und zum Glätten geschickt. Puddingeisen lässt sich gut schweißen, hat eine hohe Duktilität und enthält wenige Verunreinigungen (Phosphor, Schwefel, nichtmetallische Einschlüsse). Das Hauptgerät des Puddelofens war wie folgt. Im Ofen wurde Brennstoff verbrannt. Die Verbrennungsprodukte durch die Steinschwelle fielen in den Arbeitsraum des Ofens, wo sich das mit eisenhaltigen Schlacken beladene Gusseisen auf dem Herd befand. Die Schlacke ging unter Einwirkung der Flamme in einen pastösen Zustand über und schmolz teilweise. Mit steigender Temperatur begann das Gusseisen zu schmelzen und seine Verunreinigungen brannten durch den in den Schlacken enthaltenen Sauerstoff aus. Dadurch wurde das Gusseisen entkohlt, dh es verwandelte sich in einen schwammigen Eisenschrei. Ein wichtiger Unterschied zwischen dem Pfützenofen und dem Bloomery bestand darin, dass er die Verwendung aller Brennstoffe als Brennstoff erlaubte, einschließlich billiger Rohkohle, und sein Volumen viel größer war.
Puddingöfen machten Eisen billiger. Gleichzeitig erforderte Korts Ofen im Gegensatz zu den kreischenden Hörnern kein erzwungenes Blasen. Luftzugang und guter Durchzug wurden durch ein hohes Rohr erreicht. Dies war einer der Gründe, warum sich Puddingöfen auf der ganzen Welt verbreiteten. Ein wesentlicher Nachteil dieser Öfen war jedoch, dass die Luft nur den oberen Teil des Gusseisens blies. Damit die Eisenreduktion gleichmäßig und im gesamten Volumen ablaufen konnte, war es notwendig, den Ofen regelmäßig zu öffnen und das Gusseisen zu rühren. Es war harte Handarbeit. Da außerdem die Kraft und die Fähigkeiten des Arbeiters begrenzt waren, durfte der Ofen nicht zu groß sein. (Um das Rühren zu ermöglichen, stellte Kort zwei Rohre zur Verfügung, von denen sich eines unter dem Ofen und das zweite am Ende des Ofens befand. Es wurde in dem Moment geöffnet, als es erforderlich war, die Temperatur zu senken.) Mitte des XNUMX. Jahrhunderts entsprachen Puddelöfen nicht mehr den neuen Anforderungen der Industrie. Um der Nachfrage gerecht zu werden, mussten für jeden großen Hochofen mehrere Öfen gebaut werden (im Durchschnitt versorgten zehn Pfützenöfen einen Hochofen). Dies erhöhte die Kosten und erschwerte die Produktion. Viele Erfinder haben darüber nachgedacht, wie man Pfützenbildung durch eine bessere Methode zur Rückgewinnung von Eisen ersetzt. Dieses Problem wurde vor anderen vom englischen Ingenieur Bessemer gelöst. Zur Metallurgie kam Bessemer nach vielen Jahren Arbeit an der Verbesserung von Artilleriegeschützen und Granaten. Er setzte sich zum Ziel, einen Weg zu finden, hochwertigen Stahlguss herzustellen, aus dem Kanonen gegossen werden konnten. Als er viele Male das Schmelzen von Gusseisen beobachtete, bemerkte er, dass festes reduziertes Eisen vor allem in der Nähe der Gebläserohre gebildet wird. Das brachte ihn auf die Idee, Stahl zu gewinnen, indem man intensiv Luft durch geschmolzenes Gusseisen bläst. Bessemer führte seine ersten Versuche in einem geschlossenen Tiegel durch, den er in einer Esse mit Koks erhitzte. Das Ergebnis übertraf die kühnsten Erwartungen. In weniger als einer Stunde Blasen verwandelte er Eisen in erstklassigen Stahl. Darüber hinaus haben weitere Versuche gezeigt, dass es nicht erforderlich ist, Wärme von außen in den metallurgischen Prozess einzubringen. Tatsache ist, dass Gusseisen seine eigenen brennbaren Stoffe als Verunreinigungen enthält: Silizium, Mangan, Kohlenstoff – insgesamt etwa 45 kg brennbare Stoffe pro Tonne Gusseisen. Durch ihre Verbrennung ermöglichten sie es, die Schmelztemperatur deutlich zu erhöhen und Stahl in flüssigem Zustand zu erhalten. 1856 demonstrierte Bessemer öffentlich den von ihm erfundenen Festwandler. Der Konverter hatte die Form eines niedrigen vertikalen Ofens, der oben mit einem Gewölbe mit einem Loch für den Gasaustritt verschlossen war. An der Seite des Ofens befand sich ein zweites Loch zum Gießen von Gusseisen. Fertiger Stahl wurde durch ein Loch im unteren Teil des Ofens freigesetzt (während des Betriebs des Konverters war es mit Ton verstopft). Gebläserohre (Winddüsen) befanden sich in der Nähe des Herdes des Ofens. Da der Konverter stationär war, wurde die Spülung gestartet, bevor das Eisen eingefüllt wurde. Andernfalls würde das Metall die Blasdüsen überschwemmen. Aus dem gleichen Grund war es notwendig, durchzublasen, bis das gesamte Metall freigesetzt war. Der ganze Vorgang dauerte nicht länger als 20 Minuten. Die geringste Verzögerung bei der Freilassung führte zu einer Ehe. Diese Unannehmlichkeiten sowie eine Reihe anderer Mängel des stationären Konverters zwangen Bessemer, auf einen Drehrohrofen umzusteigen. 1860 meldete er sich ein Patent für eine neue Konverterkonstruktion an, die im Allgemeinen bis heute erhalten ist.
Das Bessemer-Verfahren war eine echte Revolution auf dem Gebiet der Metallurgie. In 8-10 Minuten verwandelte sein Konverter 10-15 Tonnen Gusseisen in duktiles Gusseisen oder Stahl, wofür zuvor ein Pfützenofen mehrere Tage oder die ehemalige Blockhütte mehrere Monate in Anspruch genommen hätte. Nachdem die Bessemer-Methode jedoch unter industriellen Bedingungen angewendet wurde, erwiesen sich ihre Ergebnisse als schlechter als im Labor und der Stahl war von sehr schlechter Qualität. Zwei Jahre lang versuchte Bessemer, dieses Problem zu lösen und fand schließlich heraus, dass in seinen Versuchen Gusseisen wenig Phosphor enthielt, während in England aus Eisenerzen erschmolzenes Gusseisen mit hohem Phosphorgehalt weit verbreitet war. Unterdessen brannten Phosphor und Schwefel nicht zusammen mit anderen Verunreinigungen aus; aus Gusseisen fielen sie in Stahl und verringerten dessen Qualität erheblich. Dies und neben den hohen Kosten des Konverters führte dazu, dass das Bessemer-Verfahren nur sehr langsam in die Produktion eingeführt wurde. Und 15 Jahre später wurde in England das meiste Gusseisen in Pfützenöfen eingeschmolzen. Konverter sind in Deutschland und den USA wesentlich weiter verbreitet.
Neben dem Bessemer-Verfahren zur Stahlherstellung erlangte das Open-Heart-Verfahren bald eine große Rolle. Sein Wesen war, dass Gusseisen in einem speziellen Regenerativofen mit Alteisen verschmolzen wurde. Dieser Ofen wurde 1861 von den deutschen Ingenieuren Friedrich und William Siemens für die Bedürfnisse der Glasindustrie erfunden und gebaut, aber er wurde am häufigsten in der Metallurgie verwendet. Die Zusammensetzung des Ofens umfasste Gaserzeuger (oder Gasgeneratoren), den Ofen selbst mit Wärmeregeneratoren (oder Regeneratoren) zum Erhitzen von Gas und Luft und ein Gießereiabteil (Hof).
Generatoren und Regeneratoren wurden durch ein spezielles Kanalsystem für Gas, Luft und Verbrennungsprodukte miteinander verbunden. Letztere wurden in einen bis zu 40 m hohen Schornstein geleitet, der für den nötigen Zug sorgte. Die Generatoren befanden sich unter dem Herd oder an den Seiten des Ofens. Die Regeneratoren waren spezielle Kammern zum Erhitzen von Gas und Luft. Spezielle variable Ventile leiteten Gas und Luft in die eine oder andere Kammer, und die Verbrennungsprodukte wurden in das Rohr abgelassen. Die Verbrennung fand auf folgende Weise statt. Gas und Luft wurden jeweils in einer eigenen Kammer erhitzt und traten dann in den Schmelzraum ein, wo die Verbrennung stattfand. Die Verbrennungsprodukte, die über den Boden des Ofens gelangt waren, strömten in die Regeneratoren und gaben hier den größten Teil ihrer Wärme an die Verlegung der Regeneratoren ab und gingen dann in den Schornstein. Damit der Prozess kontinuierlich ablaufen konnte, wurden Luft und Gas mit Hilfe von Ventilen zuerst zu einem Regeneratorpaar und dann zu einem anderen geleitet. Als Ergebnis eines solchen durchdachten Wärmeaustauschs erreichte die Temperatur im Ofen 1600 Grad, dh sie übertraf die Schmelztemperatur von reinem kohlenstofffreiem Eisen. Die Schaffung von Hochtemperaturöfen eröffnete der Metallurgie neue Horizonte. Mitte des 1864. Jahrhunderts verfügten alle Industrieländer über riesige Alteisenvorräte. Aufgrund seiner hohen Feuerfestigkeit konnte es nicht in der Produktion verwendet werden. Die französischen Ingenieure Émile und Pierre Martin (Vater und Sohn) schlugen vor, diesen Eisenschrott in einem Regenerativofen mit Gusseisen zu verschmelzen und so Stahl zu gewinnen. XNUMX führten sie im Werk Sireil unter der Leitung von Siemens die erste erfolgreiche Verhüttung durch. Dann wurde diese Methode überall angewendet. Herdöfen waren billiger als Konverter und wurden daher weiter verbreitet. Doch weder das Bessemer- noch das Offenherdverfahren ermöglichten es, hochwertigen Stahl aus schwefel- und phosphorhaltigen Erzen zu gewinnen. Dieses Problem blieb anderthalb Jahrzehnte lang ungelöst, bis 1878 der englische Metallurge Sidney Thomas auf die Idee kam, dem Konverter bis zu 10-15% Kalk hinzuzufügen. Dabei bildeten sich Schlacken, die Phosphor in starken chemischen Verbindungen zurückhalten konnten. Infolgedessen brannte Phosphor zusammen mit anderen unnötigen Verunreinigungen aus und Gusseisen wurde zu hochwertigem Stahl. Die Bedeutung von Thomas' Erfindung war enorm. Sie ermöglichte die großtechnische Stahlerzeugung aus phosphorhaltigen Erzen, die in Europa in großen Mengen abgebaut wurden. Generell ermöglichte die Einführung des Bessemer- und des Herdverfahrens die Stahlerzeugung in unbegrenzten Mengen. Gussstahl gewann schnell einen Platz in der Industrie, und seit den 70er Jahren des 60. Jahrhunderts wurde Schmiedeeisen fast vollständig nicht mehr verwendet. Bereits in den ersten fünf Jahren nach Einführung der Open-Heart- und Bessemer-Fertigung stieg die Weltstahlproduktion um XNUMX %. Autor: Ryzhov K.V.
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