Verfahren zur Gewinnung von Eisen und Stahl direkt aus den Erzen auf elektrischem Wege. Von Dr. Albert Neuburger, Berlin. Verfahren zur Gewinnung von Eisen und Stahl direkt aus den Erzen auf elektrischem Wege. Das in D. p. J. 1902, 317, 784 beschriebene Verfahren zur Erzeugung von Elektrostahl in Gysinge beruht auf der Verwendung eines Gemenges von Roheisen Und altem Eisen als Ausgangsmaterial. Die Gewinnung von Eisen oder Stahl unmittelbar aus den Erzen ist nachdemselben nicht möglich, und dieser Umstand erklärt neben andern auch den verhältnismässig geringen wirtschaftlichen Erfolg, welchen es bisher hatte. Wie der Erfinder selbst mehrfach ausgesprochen hat, sind es weniger die Ersparnisse in bezug auf die Herstellungskosten, als vielmehr die vorzügliche Qualität des erzeugten Produktes, die dem Verfahren den Wettbewerb ermöglichen. Zum Unterschiede von dem in Gysinge ausgeübten Kjellinschen Verfahren benutzen die Verfahren von Stassano, Héroult und Keller die Eisenerze oder Eisenerze gemengt mit Eisenabfällen als Ausgangsmaterial und es gelingt nach denselben ebenfalls, Stahl von vorzüglicher Qualität herzustellen. Durch entsprechende Leitung des Prozesses ist es aber auch möglich, Roheisen oder Grauguss von bestimmter Qualität zu erhalten. 1. Das Verfahren von Stassano. Das Verfahren von Stassano, welches bisher in Darfo am Lago d' Iseo ausgeübt wurde und sich in längerem Betriebe hervorragend bewährt hat, bildet die Grundlage eines grösseren Eisen- und Stahlwerks das von dem Erfinder mit Unterstützung der italienischen Regierung im königlichen Schmelzwerke zu Turin errichtet worden ist. Das Verfahren zeichnet sich durch seine Einfachheit aus und liefert ein Eisen von grosser Reinheit und Billigkeit, welche letztere allerdings zum Teil in den örtlichen Verhältnissen begründet liegt. Das Ausgangsmaterial für das Stassano-Verfahren sind die in Oberitalien vorkommenden Eisenerze, die eine für den Verlauf der Reaktion sehr günstige Zusammensetzung zeigen. Die durchschnittliche Mischung solcher Erze in bezug auf ihre Bestandteile gibt Stassano selbst folgendermassen an: Hämatit Magnetit Fe 2 O 3 = 88,850 v. H. 78,400 v. H. MnO = 0,470 „ 0,700 „ SiO 2 = 2,960 „ 8,650 „ Al 2 O 3 = 3,420 „ 7,330 „ CaO = 0,870 „ 2,100 „ MgO = – 1,030 „ S = 0,078 „ 0,055 „ P = 0,093 „ 0,008 „ Glühverlust = 2,561 „ – Das Erz wird sorgfältig ausgesucht und nach irgend einem der hierfür gebräuchlichen Verfahren fein gepulvert. Das Pulver wird gesiebt, gewaschen und getrocknet und, so weit es die Natur des Erzes gestattet, einem sogenannten magnetischen Aufbereitungsverfahren unterzogen. Für ein solches ist besonders das Magnetiterz sehr geeignet. Das Verfahren besteht darin, dass man das Erzpulver vor einem kräftigen Elektromagneten in senkrechter Richtung herabfallen lässt. Die stärker magnetischen Partikelchen, die zugleich die eisenreicheren sind, werden dann in der Richtung gegen den Magneten hin aus der Fallrichtung abgelenkt und es findet so eine Scheidung in eisenreiche und eisenarme Teile statt.S. D. p. J. 1902, 317, 673. Durch mehrmaliges Vorbeigehenlassen vor dem Magneten kann auf diese Weise eine äusserst vollkommene Trennung des Erzes von dem tauben Gestein erreicht. werden, so dass zuletzt ein ausserordentlich eisenreiches Erz von folgender durchschnittlicher Zusammensetzung erhalten wird: Fe 2 O 3 = 93,020 v. H. MnO = 0,619 „ CaO MgO = 0,500 „ SiO 2 = 3,790 „ S = 0,058 „ P = 0,056 „ H 2 O = 1,720 „ Die verwendeten Zuschläge sind durchschnittlich folgendermassen zusammengesetzt, wozu bemerkt sei, dass Stassano sich sehr bemüht, stets Materialien derselben Herkunft und Zusammensetzung zu verwenden, um immer dieselben Mischungen anwenden zu können Durchschnittliche Zusammensetzung des Zuschlags: CaO = 51,21 v. H. MgO = 3,11 „ M 2 O 8 Fe 2 O 3 == 0,50 „ SiO 2 = 0,90 „ CO 2 = 43,43 „ Im allgemeinen kommt Stassano auf Grund zahlreicher Analysen und Versuche zu folgender Zusammenstellung der Mischung für die Beschickung: Erz 1000 g, Kohle 231 g, Kalkstein 111 g. Textabbildung Bd. 319, S. 220 Fig. 1. Stassano-Ofen. Diese Bestandteile werden aufs sorgfältigste durcheinandergemengt und noch eine kleine Menge Teer von 5–10 v. H. Kohlenstoffgehalt zugegeben. Dieser Teer dient als Bindemittel, um die nun folgende Brikettierung des Gemenges zu ermöglichen. Auch seine Menge wird auf Grund der Analysen genau berechnet, da ja sein Kohlenstoff an der Reaktion teilnimmt. Stassano hat eine besondere analytische Methode zur Ermittlung des Kohlenstoffgehaltes im Teer ausgearbeitet, die besonders deshalb wichtig ist, weil Stassano den Teerzusatz gleichzeitig benutzt, um die Güte des erzeugten Produktes entsprechend zu beeinflussen. Je nach der zugesetzten Menge an Teer vermag er sowohl weiches Eisen wie irgend eine beliebige Stahlsorte zu erzeugen. Soll eine bestimmte Eisenlegierung hergestellt werden, so werden die hierzu nötigen Bestandteile ebenfalls bereits den Briketts beigemengt, so dass es also auch besondere Briketts für die Gewinnung von Wolframstahl, Chromstahl usw. usw. gibt. Das Brikettieren der Mischung geschieht mittels besonderer Pressen. Es hat den Zweck, eine Entmischung während des Prozesses zu verhindern und so die ständige Gewinnung eines Eisens von stets genau gleicher Zusammensetzung zu gewährleisten. Einen wie grossen Vorteil demnach die Brikettierung für die Güte des erzeugten Produktes darstellt, einen ebenso grossen Nachteil bedeutet sie in wirtschaftlicher Hinsicht, denn durch sie werden die Kosten des Verfahrens ganz bedeutend erhöht. Stassano hat sich deshalb in der neuen Anlage im Schmelzwerk zu Turin mit Versuchen beschäftigt, die den Zweck haben, die Brikettierung zu vermeiden. Sollten diese Versuche von Erfolg gekrönt sein, so würde der Preis des erzeugten Stahles noch eine bedeutende Ermässigung erfahren. Es sei noch bemerkt, dass als Material für die den Briketts zugesetzte Kohle reine Holzkohle dient, sowie dass Stassano sich bemüht, eine Schlacke von ganz bestimmter Zusammensetzung zu erhalten, die so beschaffen ist, dass sie dem elektrischen Strome einen möglichst geringen Widerstand entgegensetzt. Es hat sich gezeigt, dass eine Schlacke von der Formel SiO2 + 4 Basis am besten dieser Anforderung entspricht. Der von Stassano benutzte Ofen war in den Anlagen zu Rom und zu Darfo ein elektrischer Schachtofen, dessen Prinzip das folgende ist (Fig. 1): Der Schachtofen besteht aus dem Schachte a, der durch zwei mit ihren Grundflächen aufeinanderstehende Kegel gebildet wird. Beim Flammofen tritt an die Stelle dieses Schachtes ein Gewölbe, das mit einem seitlich angebrachten Einfülltrichter versehen ist, durch den die Erze zugegeben werden. Der Raum g ist der eigentliche Schmelzraum, in den die beiden Kohlenelektroden c, c hineinragen, die mit einer Einstellvorrichtung versehen sind, durch welche sie einander genähert und voneinander entfernt werden können. Ihr nicht im Ofen befindlicher Teil ist mit einem Mantel umgeben, der so eingerichtet ist, dass bei Bedarf Kühlung durch Wasser stattfinden kann. Das geschmolzene Eisen sammelt sich in dem Raume unterhalb der Elektroden an und wird durch die Oeffnung f abgestochen. Die bei der Reaktion entstehenden Gase entweichen durch die beiden Oeffnungen t, t. Der Verschluss des Einfülltrichters t1 ist so beschaffen, dass, wenn der Kegel v mittels eines Hebels o abwärts gedrückt wird, um Erz einzufüllen, die Aussenluft nicht in das Innere des Ofens gelangen kann. Auch die beiden Röhren t, t sind mit besonderen Vorrichtungen versehen, welche den Zweck haben, beim Nachlassen des Druckes im Innern des Ofenraumes Nachsaugen von Luft zu verhindern. Nach diesem Prinzipe waren die ersten OefenStassanos hergestellt. Später errichtete er in der Anlage zu Darfo einen Versuchsofen zu Vorstudien für die Anlage in Turin, der dem Schachtofen ähnlich war und sich nur dadurch von ihm unterschied, dass anstatt des Schachtes ein niedriges Gewölbe zur Anwendung kam, so dass also eine Art Flammofen vorlag. Die Beschickung stand hierbei in geringerer Höhe über den Elektroden und die letzteren lagen höher über der Herdsohle als beim Schachtofen. Dies letztere sollte bezwecken, das gewonnene reine Eisen sowohl, wie die Schlacke möglichst schnell aus dem Bereiche des elektrischen Lichtbogens zu entfernen, um den Widerstand und damit die Kosten des Verfahrens einerseits zu vermindern und um andererseits eine Aufnahme von Kohle aus den Elektroden durch das geschmolzene Eisen zu verhindern, wodurch ein minderwertiges Produkt entstehen kann. Die Abänderung des Ofens hatte daher weniger eine technische als vielmehr in erster Linie eine wirtschaftliche Bedeutung. Stassano fand jedoch auch an diesem Ofen noch verschiedene Mängel und er errichtete deshalb in der neuen Anlage zu Turin einen Ofen, bei dem zwar das Prinzip noch dasselbe ist, der sich aber in der Ausführung und damit in der Wirkungsweise von den bisherigen Oefen ausserordentlich unterscheidet. Textabbildung Bd. 319, S. 221 Stessano-Ofen, ausgeführt im Königl. Schmelzwerk zu Turin. Dieser Ofen (Fig. 2 u. 3) ist drehbar angeordnet, doch erfolgt die Drehung nicht um seine Mittelachse, sondern um eine Achse, die zu dieser in einem spitzen Winkel steht. Infolgedessen hat auch der ganze Ofen eine etwas geneigte Lage und die Sohle des Herdes liegt geneigt zur Horizontalen. Hierdurch soll bewirkt werden, dass die Beschickung des Ofens, der während des Prozesses um seine Drehachse rotiert, langsam von selbst nach unten gleitet und infolge der schiefen Lage der Herdsohle in fortwährender schiebender und gleitender Bewegung bleibt. Hierdurch soll einerseits die Ansammlung von Schlacke und fertigem Eisen an den Elektroden vermieden und dadurch ein möglichst geringer elektrischer Widerstand, sowie ein möglichst reines Produkt erzielt werden, andererseits hofft Stassano dadurch eine gute Mischung der Beschickung erzielen und eine Entmischung vermeiden zu können. Wenn ihm dies in der Tat gelingen sollte, so könnte dann die das Verfahren so sehr verteuernde Brikettierung wegfallen; Vorderhand wird, bis die besonders angestellten Versuche gezeigt haben, ob die Brikettierung entraten werden kann, allerdings noch mit Briketts gearbeitet, die nach ihrer Herstellung in Stücke von Walnussgrösse zerpocht und so in den Ofen gegeben werden. Es hat sich gezeigt, dass diese Grösse der Brikettstücke den Gasen am besten einen ungehinderten Durchzug gestattet. An dem neuen Turiner-Ofen ist der Einfülltrichter für die Beschickung seitlich angebracht (a, b und c der Abbildung) und es sind für die Schlacke d wie für das fertige Eisen e besondere Abstichöffnungen an entgegengesetzten Seiten des Ofens vorgesehen. Der Ofen selbst vermag pro Tag 2500–3000 kg Stahl zu produzieren bei einem Energieverbrauch von 120–140 Kilowatt. Aehnlich wie Stassano die Zusammensetzung der Briketts genau auf Grund seiner Analysen berechnet, so versuchte er auch zunächst, den Stromverbrauch auf Grund thermo-chemischer Werte festzustellen. Er ging zunächst von der theoretischen Formel von Gin und Leleux t=\frac{1}{A}\,\left(\frac{1}{S}\right)^2\,\frac{R}{C} aus, wobei; R Widerstand der Gashülle, C Spezifische Wärme des Gases, S Querschnitt der Elektroden, t Temperatur des Lichtbogens ist. und stützte seine Berechnungen auf diese Formel in Verbindung mit der von Joule: h = 0,24 i2 Rt Es zeigte sich jedoch die grundsätzlich wichtige Tatsache, dass diese Formeln für den elektrischen Ofen keine Geltung haben, und dass es ganz unmöglich ist, sie der in Rede stehenden Berechnung zugrunde zu legen. Die Ursache hierfür liegt darin, dass bei der ungewöhnlich hohen Hitze, bei der man arbeitet, die die Elektroden umgehenden Gase sicher getrennt sind und dass die Analyse über ihre Zusammensetzung nichts angeben kann, weil beim Entnehmen von Proben diese getrennten Gase sich wieder verbinden, sobald sie nicht mehr der hohen Hitze an den Elektroden ausgesetzt sind. Es folgt hieraus, dass die Werte von R und C niemals durch Versuche bestimmt werden können. Man kann auch die theoretischen Reaktionen der Bestimmung des thermischen Wirkungsgrades nicht zugrunde legen, weil die Ofentemperatur eine viel höhere ist, als zur Hervorrufung dieser Reaktionen nötig ist. Stassano hat jedoch auf Grund seiner vielfachen praktischen Versuche eine thermische Leistung von 61,33 v. H. bei seinem Ofen gefunden, d.h. von der dem Ofen zugeführten Wärme werden 61,33 v. H. zur Erzeugung des Stahles nutzbar; die übrigen gehen durch Leitung und Strahlung verloren. Dieser praktisch gefundene Wert bildet bei der Schaffung neuer Anlagen eine hinreichend sichere und genügend brauchbare Grundlage zur Berechnung der Stromverhältnisse. Was nun die wirklichen Gestehungskosten des Prozesses anbetrifft, so sind, um 1000 kg Eisen oder Stahl zu erzeugen, 1600–1700 Kilogramm Erz erforderlich, je nach dessen Zusammensetzung. Legt man die italienischen Preisverhältnisse zugrunde, so ergibt sich nach Stassanos Angaben folgende Aufstellung für die Kosten; aus der man auch alle sonst noch wissenswerten Zahlenwerte über den Stromverbrauch usw. usw. ersehen kann, wobei noch zu bemerken ist, dass bei der Versuchsanlage, die für diese Berechnung in Betracht kommt, Wasserkraft verwendet wurde. Berechnung der Kosten für 1000 Kilogramm Eisen bei einer Anlage von 5000 PS, die in 24 Stunden30 Tonnen Stahl liefert (der thermische Nutzeffekt ist hierbei mit etwa 60–66 v. H. angenommen, die in Klammern stehenden Einheitspreise gelten für je 1000 kg): 1600 kg Erz (12 M.) 19,20 M. Für Pulvern des Erzes (2,4 M.) 3,84 „ 200 kg Zuschlag (4 M.) 0,80 „ 250 kg Kokes (36 M.) 9,00 „ Für Pulvern des Kokes (1,6 M.) 0,40 „ 190 kg Bemengungen (à 56 M.) 10,64 „ Für Herstellung der Mischungen (2,4 M.) 5,40 „ Verbrauch der Elektroden 12 kg (à 0,24 M.) 2,88 „ Unterhaltung des Ofens 9,60 „ Arbeitslohn 4,80 „ Geräte 2,40 „ Elektrische Kraft 4000 PS, die Stunde zu      0,00456 Pf. 18,24 „ Allgemeine Unkosten 2,40 „ ––––––––– insgesamt: 89,60 M. Hiervon abzuziehen 900 cbm an flüchtigen         und brennbaren Gasen, deren Wärme         resp. Verbrennungswert = 1,6 Pfg. für         das cbm beträgt 14,40 M. ––––––––– Wirkliche Unkosten für 1000 kg 75,20 M. Dieser Preis für die Tonne Stahl ist ein ausserordentlich niedriger, und man möchte fast versucht sein, ihn für unrichtig zu halten. Die vorstehend angeführten Zahlen sind jedoch von einwandsfreiester Seite, nämlich von Dr. Hans Goldschmidt in Essen a. R., der im Auftrage des Kaiserlich Deutschen Patentamtes nach Darfo reiste und die Anlage studierte, nachgeprüft und für richtig befunden worden, mit Ausnahme des Betrages für die allgemeinen Unkosten, der sich der Kontrolle entzog, und in bezug auf den sich Goldschmidt auf die Angabe von Stassano verlassen musste. Es ist jedoch zu bemerken, dass dieser Preis durch die ausserordentlich günstigen Verhältnisse in Italien wesentlich beeinflusst wird. Abgesehen von der Reinheit der Erze und der Billigkeit der elektrischen Anlagen kommen hierfür die ausserordentlich billigen Arbeitskräfte in erster Linie mit in Betracht, und Goldschmidt ist der Ansicht dass diese Art der Herstellung des Eisens und Stahls überall dort in Frage gezogen werden kann, wo billige Wasserkräfte und reine Eisenerze vorhanden sind. Er hat sich der Aufgabe unterzogen, die Zahlen auf deutsche Verhältnisse umzurechnen, und kommt dabei zu dem Ergebnis, dass die Tonne nach diesem Verfahren in Westfalen hergestellten Stahles etwa 150–170 M. kosten würde. Es könnte sonach das Verfahren mit den zurzeit in Deutschland gebräuchlichen nicht in Wettbewerb treten, soweit es sich um die Herstellung gewöhnlichen Stahles handelt, dessen Preis ja überall weniger als 100 M. beträgt. Ganz andere Verhältnisse würden sich jedoch ergeben, wenn der Stassano-Stahl durch seine Eigenschaften befähigt wäre, mit dem Tigelgusstahl zu konkurrieren, der ungefähr 300 M. pro Tonne kostet. Gerade auf diesem Gebiete sind die Aussichten für den nach dem Stassanoschen Verfahren erzeugten Elektrostahl ausserordentlich günstig, und Goldschmidt stellt den Versuchen in dieser Hinsicht ein günstiges Prognostikon: Die günstigen Aussichten für die Zukunft des Verfahrens liegen wesentlich in der ganz besonderen Reinheit des erzielten Produktes, die, abgesehen von der Reinheit der verwendeten Erze, noch besonders dadurch hervorgebracht wird, dass es eben, wie wir ausführlich darlegten, möglich ist, durch genaue Berechnung der Zuschläge das Silicium fast ganz, Mangan, Schwefel und Phosphor hingegen in erheblichem Masse in die Schlacke hinüberzuführen. Ein weiterer Vorteil des neuen Verfahrens besteht darin, dass sich durch dasselbe mit Leichtigkeit Legierungen des Eisens mit Mangan, Nickel, Chrom oder Wolfram herstellen lassen; ferner je nach Belieben harter oder weicher Stahl oder Eisen von derZusammensetzung des im Puddelofen, in der Bessemerbirne oder im Siemens-Martinofen erzeugten Produktes. (Schluss folgt.)