STAHL UND EISEN
Z E I T S C H R I F T F Ü R D A S D E U T S C H E E I S E N H Ü T T E N W E S E N
H era u sg eg eb en vom V erein deutscher E isen h ü tten leu te G e le ite t v o n D r.-Ing. D r. m ont. E .h . O . P e t e r s e n
unter verantw ortlicher Mitarbeit von Dr. J.M.Reidiert und Dr. W . Steinherg für den w irtschaftlichen Teil
H E F T 32 9. A U G U S T 1934 54. J A H R G A N G
Reichspräsident von Hindenburg t
H in d en b u rg ist nicht m ehr!
D e s D eu tsch en R eiches O b erh au p t, des V aterlan d es V ater, R eichspräsi
d en t G en era lfeld m a rsch a ll P a u l v o n B e n e c k e n d o r f f u n d v o n H i n d e n b u r g ist am 2 . A u gu st 1934 , am 20 . Jahrestage der M ob ilm ach u n g der d eu t
schen W eh rm a ch t für den W eltk rieg , vorm ittags um 9 U h r in d ie E w igk eit a b b eru fen w o rd en . A n seiner Bahre b eu gen sich vor der gesch ichtlich g e w o r d en en G r ö ß e d ieses ein zigartigen M enschen, F eld h erm und Staatsm annes d ie d eu tsch en E isen h ü tten leu te in tiefer aufrichtiger Trauer und d o ch vo ll D a n k es g e g e n d ie V orsehung, d ie dem deutsch en V o lk e ein en so lch en M ann gesch en k t hat. H ind en burg hat im R ingen um D eu tsch la n d s Ehre und B estand d ie d eu tsch en H eere v on S ieg zu S ieg geführt. Er hat aber auch, als d e r W id e r - stan d d ieser H eere g e g e n ü b e r schier unüberw indbaren G e w a lte n zu zerb re
chen d roh te, in schlichtem selb stlo sem P flich tgefü h l die tapferen K äm pfer sicher in die H eim at g eleitet. U n d er hat endlich, als das V aterlan d aufs n eu e in ihm den R etter erblickte, im hohen A lter das Steuer des R eiches in seine fe s te H and g en o m m en . Ein stän d iger M ahner seines V olkes zur E inigkeit, hat er das R eichssteuer m it Beharrlichkeit, W e is h e it und B ed a ch t geführt.
D e r groß e T o te hat in den T agen , d a es galt, für d ie schw er käm p
fen d e n T ruppen d ie W a ffe n zu sch m ied en , die d eu tsch en H üttenw erke und d ie d eu tsch en E isen h ü tten leu te zu äußerster K raftanstrengung a u fg e - rufen. N ich t v erg eb en s: A lle sind sie dam als seinem R ufe g e fo lg t, und das V ertrauen, das h üb en und drüben leb te , hat ein B and gek n ü p ft, das d ie d eu tsch e E isenin dustrie m it dem V olk sh eld en verbunden hat und über sein G r a b hinaus un löslich v erb in d en w ird, so la n g e m an d eu tsch en Stahl reckt und sch m ied et.
D a s sei unser G e lö b n is . Es zu halten, b le ib t jedes d eu tsch en E isen
hütten m an n es E hrenpflicht.
822 S tahl un d Eisen. J . Müller-Berghaus: A nw endung von Stahlrekuperatoren a u f Eisenhüttenwerken. 54. Ja h rg . N r. 32.
Anwendung von Stahlrekuperatoren auf Eisenhüttenwerken.
Von J o a c h im M ü ll e r - B e r g h a u s in Völklingen1).
(Anforderungen an Stähle fü r Rekuperatoren m it hohen Arbeitstemperaturen. Durchbildung und Betriebs erg ebniss e von zwei Stahlrekuperatoren fü r einen Walzwerks- und einen Schmiedeofen. A nw endung von Stahlrekuperatoren f ü r die
Hochofenwinderhitzung.)
A
uf den Hüttenwerken herrscht bisher für höhere Vor- . wärmung von Gas und L uft für Oefen der steinerne Regenerator vor. In der letzten Zeit, nachdem die Schaffung hitzebeständiger Stähle gelungen ist, gewinnt der Rekuperator an Boden, soweit es sich um A rbeitstem peraturen bis 900°
handelt2) ; bei Vorwärmtemperaturen über 900° ist auch heute noch dem steinernen W ärmeaustauscher kein W ettbewerber gewachsen. G e g e n ü b e r d e n k e r a m is c h e n B a u s to f f e n h a t d e r h i t z e b e s t ä n d i g e S t a h l f o lg e n d e V o r te ile : 1. höhere Wärmeleitfähigkeit;
2. erleichterte Formgebung;
3. Herstellung der Wärmeübertragungsflächen in größeren Einheiten;
es t
r r
o- 7
20 °/oL> 1 \8 C/ohs /
\
/J /
\
/ 25°/oC r+200/o tti- i - h - f - l - h 1
--- - -
20% CrtV 0°/oN i 1 1 1 1 1 O 7 Z 3 V S S 7 8 3 70 77 72 73 7V 75 7G 77 78 '■
A n za h /d er Erh itzu n g en
wachsen nur wenig. Bei hitzebeständigen Bauten dürfte der zuerst erwähnte Stahl nur m it Vorsicht zu verwenden sein.
Die D a u e r s t a n d f e s t i g k e i t verschiedener Werkstoffe zwischen 600 und 1200° geht aus Abb. 2 hervor. Als Dauer
standfestigkeit ist hier nach dem Vorschläge von E. S ie b e i und M. U l r i c h 4) die Belastung verstanden, bei der sich nach Erreichung einer bleibenden Form änderung von 0,2% eine Dehngeschwindigkeit von 1 • 10~4 % /h ergibt. Die Kurven in Abb. 2 zeigen beispielsweise, daß der Stahl m it 16% Cr und 35 % Ni bei 1000° dem reinen Chromstahl m it 28% Cr vierfach überlegen ist. Die höchste Tem peratur, bei der
A bbildung 1. Längenänderung von Chrom-Nickel-Stählen durch wiederholtes E rhitzen (2 h auf 950°).
4. bessere Verbindung der einzelnen Teile miteinander, z. B. durch Schweißen, so daß hierdurch die bei Rekupe
ratoren notwendige vollständige Trennung von Wärme abgebendem und Wärme aufnehmendem Gas erreicht w ird;
5. infolge der Dichtheit Zulassung höherer D ruckunter
schiede, infolgedessen höhere Gas- und Luftgeschwindig
keiten und dam it erhöhter Wärmeübergang;
6. geringeren Platzbedarf.
Ehe man an die Verwendung von S tä h le n zu Rekupe
ratoren gehen konnte, mußte man sich über ihr V e r h a l te n b e i h o h e n T e m p e r a tu r e n K larheit verschaffen. In Be
trac h t kommen folgende Eigenschaften:
1. Längenänderung durch wiederholtes E rhitzen;
2. D auerstandfestigkeit;
3. W iderstand gegen den chemischen Angriff von Gasen, vor allem von solchen, die Sauerstoff und Schwefel enthalten;
4. Wärmeausdehnung;
5. Wärmeleitung;
6. Schweißbarkeit und Formgebungsmöglichkeit.
Die Kenntnis der L ä n g e n ä n d e r u n g d u r c h w i e d e r h o l t e s E r h i t z e n u n d A b k ü h le n ist äußerst wichtig.
Aus Abb. 1 nach R. H o h a g e 3) sieht man, daß der Stahl mit 20% Cr und 8% Ni, der billigste zunderfeste Chrom-Nickel- Stahl, sehr stark wächst. Die beiden anderen Legierungen
4) V ortrag auf der H auptversam m lung der E isenhütte Süd
west, Zweigverein des Vereins deutscher E isenhüttenleute, in Saarbrücken am 14. J a n u a r 1934.
2) Vgl. K . R u m m e l: S tahl u. Eisen 52 (1932) S. 559/62 (W ärm estelle 163).
3)'A u s einem V ortrag vor dem O esterreichischen B ezirks
verein des Vereins deutscher Ingenieure in W ien, F e b ru a r 1928.
A bbildung 2.
D auerstandfestigkeit hochhitzebeständiger Stähle.
noch eine Verwendung des Stahles m it 28% Cr möglich ist, beträgt 1050°; die Legierung m it 16% Cr und 35% Ni h at noch bei 1150° eine gewisse Standfestigkeit.
Ueber den E i n f l u ß v o n s c h w e f e lh a ltig e n G asen bei höheren Tem peraturen liegen noch wenig Versuchs
ergebnisse vor6). Der Stahl m it 28% Cr zeigte nach 80stün- digem Glühen bei 1000° in einem Gemisch aus 50% S 02 und 50% L uft keinen merklichen Angriff. D anach sind die hoch- legierten Chromstähle in oxydierender schwefelhaltiger Atmosphäre beständig. Die Verwendung von Chrom-Nickel- Stählen dürfte sich dagegen wegen ihres Nickelgehaltes verbieten, da sie durch die Bildung eines leicht schmelzenden Nickelsulfides zerstört werden6). Vorsichtshalber wird man es auch bei reinen Chromstählen vermeiden, diese zur E r
wärmung schwefelwasserstoffhaltiger Gase auf höhere Tem
peraturen zu verwenden. Ueber den W i d e r s t a n d g eg en d e n A n g r iff d es S a u e r s t o f f s aus der Luft, Kohlensäure und W asserdampf, also über die eigentliche Zunderbe
ständigkeit, ist mehrfach berichtet worden5) ’). Das Ver
hältnis der Zunderbeständigkeit verschiedener Stähle und Gußeisen zueinander ist in Abb. 3 zusammengestellt8).
Das gewöhnliche Gußeisen ist sehr wenig zunderbeständig, 4) Z. V D I 76 (1932) S. 659/63; vgl. S tah l u. Eisen 53 (1933) S. 1244.
5) Siehe W. H . H a t f i e l d : J . Iro n Steel In s t. 115 (1927) S. 483/522; S tah l u. Eisen 47 (1927) S. 1583/85.
6) Vgl. H. G r u b e r : Festsch rift zum 70. G eburtstage von W ilhelm H eraeus (H an au : B runo Claus 1930) S. 45.
’ ) A. F r y : K ruppsehe Mh. 7 (1926) S. 165/72; O. H e n g s t e n - b e r g un d F . B o r n e f e l d : K ruppsche Mh. 12 (1931) S. 153/58;
E. S c h e il und E. H. S c h u lz : Arch. E isenhüttenw es. 6 (1932/33) S. 155/60 (W erkstoffaussch. 189).
8) N ach H eat-R esisting Alloys, hrsg. von der Southern Man- ganese Steel Co., S t. Louis (Selbstverlag).
9. August 1934. J . MüUer-Bergbaus: Anwendung von Stahlrekuperatoren a u f Eisenhüttenwerken. S tahl und Eisen. 823 dann folgt ein Stahl m it 30% Ni, die Stähle m it 13 und
18% Crsind ebenfalls weniger hitzebeständig. Als sehr gut sind nach Abb. 3 Stähle m it 28% Cr oder m it 16% Cr und 35% Ni anzusprechen; eine Legierung m it 20% Cr und 80% Ni verhält sich nicht viel besser als der S tahl m it 28% Cr.
Die W ä r m e a u s d e h n u n g d e r h i t z e b e s t ä n d i g e n S tä h le geht aus Abb. 4 hervor. Die Längenänderung eines weichen, unlegierten Stahles liegt zwischen der des Stahles mit 28% C r und des Stahles m it 16% Cr und 3 5% Ni, nähert sich aber bei höheren Tem peraturen der des Chromstahles.
Eine hervorragende Eigenschaft der Metalle an sich ist ihre hohe W ä r m e l e i t f ä h i g k e i t , die sie zum geeignetsten Baustoff für W ärm eaustauscher, besonders für Rekupera
toren, m acht. Die W ärmeleitfähigkeit ändert sich m it der Temperatur und sinkt bei einem gewöhnlichen Stald mit weniger als 0,1 % C von etwa 48 kcal/m h °C bei Zimmertem
peratur auf 29 kcal/m h °C bei 8 0 0 ° 9). Mit Chrom und Nickel legierte Stähle haben bei Zim m ertem peratur eine bedeutend niedrigere W ärmeleitfähigkeit, z. B. erreicht ein Stahl m it 20% Cr nur einen W ert von 15 kcal/m h °C bei 20°; aller-
A bbildung 3.
Verzunde- rungstiefe verschiedener
W erkstoffe beim G lühen in L u ft in der
elektrischen Muffel.
dings ist der Abfall m it der Tem peratur nicht so stark wie bei dem unlegierten Stahl. Man kann m it einem W ert zwischen 10 und 15 kcal/m h ° C rechnen. Diese niedrige Wärmeleitzahl h a t im Vergleich zu den W ärmeübergangs
zahlen nur wenig zu bedeuten, solange dünne W andstärken verwendet werden.
Die Schwierigkeiten, die anfänglich bei der S c h w e iß u n g h o c h h i t z e b e s t ä n d i g e r S t ä h l e bestanden, können als überwunden gelten. Das Abbrennen von Legierungselemen
ten beim Schweißen, die W ärmeausdehnung und die gerin
gere W ärmeleitfähigkeit im Verhältnis zu F lußstahl haben durch die Verwendung entsprechenden Zusatzwerkstoffes und durch entsprechende Ausbildung der Schweißverfahren Berücksichtigung gefunden.
F ür die Auswahl der Stahlsorte ist weiterhin ihre E i g n u n g f ü r d ie F o r m g e b u n g durch Biegen, Pressen und Bördeln ausschlaggebend. Die Chrom-Nickel-Stähle sind hierin den einfachen Chromstählen überlegen, die verhältnis
mäßig spröde sind. Es ist aber heute möglich, auch aus chromreichen Stählen einwandfreie Rohre, die bisher am meisten benutzten Rekuperatorteile, herzustellen.
Der P r e is d e r h i t z e b e s t ä n d i g e n S t ä h l e ist natürlich um so höher, je höher der Gehalt an Legierungselementen ist, vor allem an Nickel. Man verwendet nickelreiche Stähle nur bei sehr hoher Beanspruchung. Die Herstellungs
kosten der Chromstähle liegen besonders niedrig, wenn m an als Chromträger die billigeren kohlenstoffreicheren Chrom
legierungen verwendet.
Als Beispiel für die Anwendung hitzebeständiger Stähle in Rekuperatoren sollen zwei Ausführungen auf den Röch-
9) N ach L a n d o l t - B ö r n s t e i n : Physikalisch-chem ische T a bellen, 5. A ufl., Bd. 2 (B erlin: Ju liu s Springer 1923) S. 1289.
lingschen Eisen- und Stahlwerken in Völklingen beschrieben werden.
Der erste R e k u p e r a t o r w u rd e a n e in e n W a lz w e r k s s to ß o f e n angeschlossen. Der Leitgedanke für seinen Bau waren Gasersparnis, Erniedrigung des Gasheizwertes und Steigerung der Ofenleistung. Diese Forderungen, die zu
sammen eine hohe Vorwärmung bedingen, konnten an sich durch einen steinernen Regenerator erfüllt werden; doch m ußte ein solcher aus dem W ettbewerb m it den Stahlrekupe
ratoren ausscheiden, da nicht genügend P latz zur Verfügung stand und der Betrieb der W alzenstraße keine längere U nter
brechung durch einen Ofenumbau duldete.
Wegen der hohen Anlagekosten, die allein schon die Nebeneinrichtungen eines Stahlrekuperators, wie Leitungen, Tragteile, Geräte usw. erfordern, m ußte eine B auart gewählt werden, die eine mehrjährige H altbarkeit ohne Aus-
A bbildung 4. W ärm eausdehnung verschiedener Stähle.
besserungsarbeiten gewährleistete. Hierfür schien die B a u a r t der R ekuperator G. m. b. H. am geeignetsten zu sein.
Bei ihr verw ertet m an die Erkenntnis, daß die H altbarkeit der Stahlrekuperatoren unverhältnism äßig sta rk steigt, wenn m an die Tem peratur der Heizfläche, also des W erk
stoffes, bei gegebener H eißlufttem peratur so niedrig wie möglich hält. Dies geschieht dadurch10), daß m an die W ärmeübergangszahl auf der Luftseite möglichst steigert, während die W ärmeübergangszahl des heizenden Gases klein gehalten wird.
N atürlich kann die W andtem peratur nie
mals unter die Tem
peratur der L uft fallen;
sie erreicht sie im Grenz
falle, wenn die Wär- meübergangszahl der L uft unendlich hoch wird. Abb. 5 zeigt die Verhältnisse für eine A bgastem peratur von 1200° und Heißluft
tem peraturen von 500 und 800°. Die W ärme
übergangszahl auf der Heizseite ist m it etwa 270 kcal/m2 h °C n ) angenommen. Wenn
10) A. S c h a c k : D er industrielle W ärm eübergang (D üsseldorf:
Verlag Stahleisen m. b. H. 1929) S. 24 8 ff.
11) A. S c h a c k : Arch. E isenhüttenw es. 4 (1930/31) S. 333/42 (W ärm estelle 146).
300
^ 800 L 700
| 800
^ SOO
& ¥00
| 300 200 700
'Tgm per7 tu r80,lO
O 700 200 300 V.OO
tVärmeüOerffangsza/i/derLufY in m z7i°C A bbildung 5. T em p eratu r der H eizfläche von W ärm eau stau schern in A bhängigkeit von der W ärm eübergangszahl auf der
L uftseite.
Temperatur/rj °C
824 Stahl un d Eisen. J . M üller-Berghaus: Anwendung von Stahlrekuperatoren a u f Eisenhüttenwerken. 54. Ja h rg . N r. 32.
--- 8500 Luftzug^ Gaszuff Kompensator^
^Ka/tgas
--Drosse/Mappe.
Drosse/Mappe2 'Heiß/uff Orosse/Mappen
Brennen
Heißluft
Heiß/uf/\ Staurang Srosse/k/appeS' Drossetktappe3 ‘
[Ot^faKo/tgas Ka/t/uft-X^\-Drosset/</oppe V
m an die früher bei Scham otterekuperatoren gültige Wärmeübergangszahl auf der Luftseite von etwa 20 kcal je m2 h °C zugrunde legt, so ergibt sich nach der Kurve eine W andtem peratur von 1155 bis 1175°. Eine solche W andtem peratur führt bei Flußstahl und Gußeisen schon in wenigen Stunden und bei dünnen W andstärken sogar in
Schnitt A-ß.
Orosse/k/appe
lI ... ,...
.
i i
U--- 78 ¥70---
Abbildung 6. Stoßofen 3 m it R ekuperator.
Minuten zur Zerstörung und ist auch von hochhitzebe
ständigen Stählen schon allein wegen der fast verschwin
dend klein werdenden Festigkeit nicht dauernd auszuhalten.
Bemerkenswert ist, daß die Höhe der H eißlufttem peratur selbst für die W andtem peratur bei einer solch kleinen W är
meübergangszahl fast gar keine Rolle spielt. Anders gestalten sich die Verhältnisse, wenn die Wärmeübergangszahl der Luft stark gesteigert, z.B . auf den Betrag von 200 kcal/m2h°C gebracht wird. Diese Zahl kann man durch hohe Geschwin
digkeiten m it entsprechenden Einbauten, die als zusätzliche Heizflächen ausgebildet sind, oder durch den unten noch zu erwähnenden senkrechten Stoß erreichen. Abb. 5 ergibt für diesen F all bei einer Lufttem peratur von 500° eine W and
tem peratur von 905° und bei einer L ufttem peratur von 800°
eine W andtem peratur von 1030°. Diese Tem peraturen sind noch dauernd zulässig, wenn m an auf die mechanische Festig
keit der Stähle entsprechend Rücksicht nimm t. Abgastem
peraturen von 1200° und darüber treten in H üttenwerken dauernd bei Schmiedeöfen und Schmelzöfen, bis zu 1100°
vorübergehend durch Nachverbrennungen bei Stoß- und Glühöfen auf.
Der R e k u p e r a t o r wurde der besseren Zugänglichkeit wegen ü b e r d em S to ß o f e n e r r i c h t e t (Abb. 6). Durch dessen Anschluß bestand von vornherein kein Grund zur Veränderung des Ofens, so daß während des Baues des Rekuperators der Ofen in Betrieb bleiben konnte und nur zum Einbau der veränderten Brenner und des Rauchgas
anschlusses stillgesetzt werden mußte. Der Ofen h a t eine nutzbare Herdlänge von 14 m und eine Breite von 3,3 m.
Am Kopf sind drei Blechbrenner eingebaut, außerdem wird das auf vier wassergekühlten Rohren gleitende W alzgut noch durch drei Unterbrenner erwärmt. Der Heizwert des Misch
gases betrug vor dem Umbau im Mittel 2000 kcal/N m3 und
konnte durch Koksgaszusatz am Ofen selbst auf durch
schnittlich 2200 kcal/N m3 erhöht werden. Vor dem Umbau h atte der Ofen eine Höchstleistung von 14 t / h bei kaltem Einsatz und einem Blockquerschnitt von 130 mm [J], d. h.
von 305 k g/m2 h. Das Abgas tr itt am Ende des Gewölbes in den Luftvorwärm er ein, wird links umgelenkt und strömt durch den Gasvorwärmer zurück durch eine Zug
sperre, die aus zwei Drosselklappen m it Falsch
luftöffnung dazwischen besteht, zu einem vor
handenen Kamin, in den das Abgasrohr etwa 8 m über Hüttensohle einmündet.
Das M is c h g a s kom m t m it geregeltem Druck von 150 mm WS von der Mischstation — durch ein W asserventil kann die Zufuhr sicher unter
brochen werden — , und ström t durch den Vor
wärmer im Gegenstrom zum Abgas zu den Brennern. Die Verbrennungsluft wird von einem V entilator m it einem Druck von 250 mm WS geliefert und muß nach Durchströmen des Vor
wärmers über die ganze Ofenlänge zu den Brennern zurückgeführt werden. Diese etwas umständliche F ührung der L uft wird gerechtfertigt durch die bessere W ärm eübertragung im Gegenstrom. Etwa in der Mitte des Ofens zweigen Gas und Luft für die Unterbrenner ab. Außerdem ist zur zweck
mäßigen Ofenführung noch Zweitluftzusatz im Gewölbe über dem Stoßherd angebracht.
Der L u f t v o r w ä r m e r b e s t e h t a u s fla c h e n T a s c h e n (Abb. 7) m it einer Gesamtoberfläche von 130 m 2. Diese Taschen, die an beiden Enden in Sammler münden, um eine gleichmäßige Luft
verteilung über den Querschnitt zu erreichen, be
stehen aus oben und unten verschweißtem, 3 mm starkem hochhitzebeständigem Stahlblech. Zur Verhütung von W ärm espannungen sind die Taschen, die auf der Ein
trittsseite des Rauchgases feste Schweißverbindung mit dem
A bbildung 7. Taschen im Luftvorw ärm er.
H eißluftkasten haben, auf der anderen Seite einzeln durch Stopfbüchsen m it dem K altluftkasten verbunden. Da diese Stopfbüchsen einen schwachen P u n k t der Kontraktionen bildeten, wurden sie später durch Metallschläuche ersetzt.
Die 7 m langen Taschen können nicht frei im Abgas
strom stehen. Die Strömungsverhältnisse würden bei irgend
welchen Verformungen sich nachteilig verändern; es besteht ja immerhin die Gefahr, daß sich die schmalen Taschen bei den hohen Tem peraturen werfen. Diese U m stände machten eine S t ü t z u n g d e r T a s c h e n nötig. D a ferner die Not
wendigkeit bestand, die großen Zwischenräume zwischen den Taschen auszufüllen, um eine höhere Rauchgasgeschwin
digkeit und dam it einen besseren W ärmeübergang zu er
9. August 1934. J . Müller-Bergbaus: Anwendung von StaMrekuperatoren a u f Eisenhüttenwerken. Stahl und Eisen. 825
halten, wurde davon abgesehen, die Stützen aus Stahl her
zustellen. Es wären nur wieder sehr teure Hohlkörper in Frage gekommen, die ebenfalls keine genügende Sicherheit gegen Verformung gegeben hätten. Aus diesem und einem gleich zu besprechenden Grunde wurde ein Einbau aus Schamotte gewählt. Der Einbau besteht aus P latten, in die Abstandsstücke eingesetzt wurden.
Zur S t e ig e r u n g d e r 'W ä r m e ü b e r g a n g s z a h l a u f d e r A u f h e iz s e ite und dam it zur Senkung der Stahltaschen
tem peratur wurden folgende M aßnahmen getroffen. Die Sammler an den Enden der Taschen, besonders die am Aus
trittsende, wurden in die wärmeübertragende Fläche nüt einbezogen. Man verzichtete dam it zwar auf ihre einfache Beobachtungsmöglichkeit — was sich jedoch bis je tzt noch nicht als Nachteil herausgestellt h a t — , aber m an erhielt eine sehr wirksame zusätzliche Heizfläche. Durch die Stoß
wirkung des in seiner R ichtung geänderten Luftstromes tr itt eine so starke W irbelung ein, daß die W ärm eübertragung von der W and an die L uft das Vier- bis Sechsfache des Wertes bei beruhigter turbulenter Ström ung beträgt. Dadurch h at man erreicht, daß die Teile, die durch das heiße Rauchgas am meisten gefährdet sind, so wirksam von innen gekühlt wer
den, daß keine Gefahr der Ueberhitzung m ehr besteht (vgl.
Abb. 6). Die zweite A rt, die W ärm eübertragung zu verbes
sern, ist die Anbringung von Flächen, die konvektiv aufge
heizt durch Strahlung wirken oder durch Strahlung aufgeheizt konvektiv Wärme abgeben. Das erste wurde erreicht durch Einfügen von W änden aus Leichtscham otte zwischen die einzelnen Taschen, und zwar an den Stellen, an denen eine Steigerung der W ärmeübergangszahl des Heizstromes zulässig ist. Diese W ände werden vom Rauchgas aufgeheizt.
Die äußere Taschenwand liegt nicht einer ebenso kalten anderen W and gegenüber, sondern der glühenden, strahlen
den Sehamottewand. Der Gedanke der verbesserten W ärme
übertragung wird um gekehrt angewendet innerhalb der Tasche, und zwar an den Stellen, an denen eine Kühlwirkung des Luftstromes erwünscht ist. In die Tasche ist zu diesem Zwecke senkrecht eine gewellte Scheidewand aus Blech ein
geschweißt, die die von den äußeren W änden durch Strah
lung und Leitung zugeführte Wärme durch Konvektion an die Luft abgibt. Durch die beschriebenen Maßnahmen wurde eine m ittlere W ärm edurchgangszahl von 28 kcal/m2 h °C erreicht, während sie im heißesten Teil etwa 60 kcal/m2 h °C betragen dürfte. Zu berücksichtigen ist ebenfalls die vorteil
hafte Verwendung des hochhitzebeständigen Stahles als ver
hältnismäßig dünnes Blech, da durch die Legierungsele
mente das W ärmeleitungsvermögen auf ein D rittel des
jenigen von gewöhnlichem Stahl verm indert wird und der Wärmedurchgangswiderstand bei dickeren W andstärken oder bei langen Wegen für die W ärme einen m erkbaren W ert erreichen kann.
Der G a s v o r w ä r m e r ist als R ö h r e n v o r w ä r m e r aus
gebildet. Nahtlose Rohre von 7 m Länge aus gewöhnlichem Stahl geben eine Heizfläche von 160 m 2. Die Rohre sind am Heizgaskasten verschweißt und am K altgaskasten in Stopfbüchsen eingezogen. Sie sind in Gerüsten aus Scha
m otte gelagert, die auch zur Erhöhung der Turbulenz der Abgase beitragen.
Die Rohrleitungen der erhitzten Gase bestehen voll
ständig aus gewöhnlichem Stahl. D a die Tem peraturen des Heißgases nicht viel über 400° hinausgehen, genügte es, die Heißgasrohrleitungen außen zu isolieren. Die H eißluft
leitungen, wo höhere Tem peraturen in Frage kommen, sind innen m it Isoliersteinen ausgemauert oder bestehen wie die Leitungen zu den U nterbrennern aus hitzebeständigem Stahl mit Außenisolierung.
Zur Vervollständigung der Anlage, zum Teil auch zum Schutz des Rekuperators, wurde eine z w a n g lä u f ig e R e g e lu n g eingerichtet, die folgendermaßen arbeitet: Bei Inbetriebnahm e des Ofens wird durch die Drosselklappe 1 (vgl. Abb. 6) in der Heißgasleitung hinter dem Vorwärmer das Verhältnis der Gasmenge, die den H auptbrennern zu
geführt wird, zu der Gasmenge, die den U nterbrennern zu
geführt wird, festgelegt. Dasselbe geschieht durch die Dros
selklappe 2 in der Heißluftleitung zu den U nterbrennern für die Heißluftzufuhr. Durch Drosselklappen an den Kopf- und U nterbrennem selbst wird die Einstellung der einzelnen Brenner zueinander geregelt. Diese genannten Einstellungen bleiben für immer bestehen. Die Drosselklappe 3 in der Kaltgasleitung wird durch einen D rahtzug vom Meßstand, auf dem die Gasmenge und Windmenge aufgezeichnet wer
den, gesteuert und dient zur Einstellung der gesamten Wärmezufuhr. Von der Gasmenge abhängig steuert ein Askania-Gemischregler die Drosselklappe 4 in der K altluft
zuleitung, so daß hierdurch die gewünschte Verbrennung gewährleistet wird. Bei vorübergehenden Störungen wird nach einem zum P ate n t angemeldeten Verfahren nicht die Brenngasmenge oder die Brennluftmenge verm indert, son
dern es wird durch D rahtzug vom Meßstand her lediglich die in der E rstluftleitung liegende K lappe 5 gedrosselt. Es ström t dann weniger W ind zu den Kopf- und U nterbrennern, und es ergibt sich eine stark reduzierende Atmosphäre auf dem Ziehherd. Genau die gleiche Luftmenge, die an der Prim ärluft abgezogen wurde, ström t nun infolge der Zwangs
regelung des Askania-Reglers zu den fünf Zweitluftzufüh
rungen, die vorher nur eine geringe, dem üblichen Betrieb entsprechende Zusatzluftmenge von z. B. 20% der Gesamt
menge durchließen. Das auf dem Ziehherd unverbrauchte Gas wird auf dem Stoßherd verbrannt und speichert dort die W ärme in den Blöcken auf, so daß darauf bei verstärktem Betrieb dem Ziehherd höher vorgewärmte Blöcke zugeführt werden, dam it die Leistung erhöht und die Durchwärmung verbessert wird. N ur zu einem geringen Teil wird also dem R ekuperator die auf dem Ziehherd eingesparte W ärme zu
geführt, zum größten Teil wird sie in der Blockwärme auf dem Stoßherd nutzbar gemacht. Sollte die Störung länger andauern, so kann in diesem Falle je tzt oder auch, wenn die längere D auer der Störung vorauszusehen war, schon von Anfang an vom Meßstand her in der bekannten Weise die Gasmenge verkleinert werden. Der Askania-Regler besorgt die entsprechende Drosselung der Luft.
Man kann also im Betrieb lediglich durch zwei vom Meß
stand aus zu betätigende H andräder, Ra und R 2, den Ofen vollkommen einwandfrei führen, wobei in jedem F alle die beste gassparende Einstellung gewährleistet wird. U m das Ansaugen von Falschluft durch die Einsatzöffnung zu ver
hindern, wird der Ofen neuerdings durch einen Kam inzug
regler u nter einem geringen Ueberdruck gehalten. Man h a t m it diesem Regelverfahren, das zuerst verwickelt er
scheint, einen sehr einfachen und wirtschaftlichen Ofen
betrieb erreicht.
Die L e i s t u n g d e s R e k u p e r a t o r s und die größte Leistung des Ofens wurde durch einen A b n a h m e v e r s u c h festgestellt. W ährend dieses Versuchs, der sich über 23 h erstreckte, konnte der Ofen 19,2 t / h k alten E insatz auf 1170°
erwärmen m it einer Gasersparnis von 27% , bezogen auf den früheren Betrieb m it einem Gas von 2200 k cal/N m 3, w ährend das jetzige Mischgas nur 1800 kcal/N m3 liefert.
Einen anschaulichen V e r g le ic h z w is c h e n B e t r i e b m it u n d o h n e R e k u p e r a t o r gibt Abb. 8. Das Schema, das dem Betrieb m it Rekuperator entspricht, ist nach den Ergebnissen des Abnahmeversuchs gezeichnet, das andere
826 S tahl un d Eisen. J . M üller-Berghaus: Anwendung von Stahlrekuperatoren a u f Eisenhüttenwerken. 54. Ja h rg . N r. 32.
m ußte aus früheren Wärmebilanzen errechnet werden, da für einen Durchsatz von 19 t/h keine tatsächlichen Unterlagen vorhanden waren. Die angegebenen Zahlen beziehen sich auf den Wärmeumsatz des Stoßofens bei Rekuperator
betrieb, der gleich 100 Einheiten gesetzt ist. Die N utz
wärme ist in beiden Fällen gleich, der Wärmeumsatz ist dagegen von 109 auf 100 Einheiten gefallen. Die Wärmezu
fuhr durch Abbrand ist gleich groß angesetzt, obgleich der neunmonatige Betrieb eher eine Verminderung des bereits geringen Abbrandes gegenüber früher ergeben hat.
Nach den angegebenen Zahlen beträgt der W ä r m e w ir k u n g s g r a d des R e k u p e r a t o r s 57,5%. Von diesem
m it R eku p era to r ohne R e hup e r a fo r
r. W ärm e im G as ä, ) 75,8E in h e ite n % )ü u - 7 8 0 0 j ^ i
fü/i/öare Wärme tu Gas u. Luft 2,S°/o
I
voo Abbildung 8. W ärm estrom schaubilder des Stoßofens 3 ohne un d m it R ekuperator (auf gleiche N utzw ärm e = 47,8 E inheiten bezogen).
ist der T e m p e r a t u r w i r k u n g s g r a d zu unterscheiden, der einfach das Verhältnis von A ustrittstem peratur des aufzu
heizenden Mittels zur E intrittstem peratur des Abgases ist.
Der Abnahmeversuch ergab für den Luftrekuperator einen Temperaturwirkungsgrad von 67 % und für den Gasrekupe
rator einen Temperaturwirkungsgrad von 90% . Dies ent
sprach bei einer A bgaseintrittstem peratur von 850° einer soo L ufttem peratur von 570° und einer Gastem peratur von 420°.
Die Abgastemperatur des Rekuperators betrug hierbei 320°.
Daß der Abnahmeversuch kein Paradeversuch war, zeigt die K u rv e d es m o n a tlic h e n W ä r m e v e r b r a u c h e s und der monatlichen Wärmeersparnis in Hundertteilen des Ver
brauches bei Betrieb o h n e W ärmeaustauscher (Abb. 9).
Der W ärmeverbrauch beträgt im D urchschnitt von sieben Monaten 392000 k cal/t Einsatz, die Wärmeersparnis mit Berücksichtigung der Erniedrigung des Heizwertes im Mittel 25,7% , die W ärmekostenersparnis 26,3% und die Koks
gasersparnis 33% . Die Herdflächenleistung konnte von 305 auf 430 k g/m2 h gesteigert werden.
Der zweite Ofen, der einen V o r w ä r m e r a u s h i t z e b e s tä n d i g e m S t a h l erhielt, w ar ein B lo c k w ä rm o f e n m i t a u s f a h r b a r e m H e r d (Abb. 10). Es sind zwei Oefen derselben B auart vorhanden, die unm ittelbar nebeneinander stehen und m it Mischgas m it einem unteren Heizwert von 2150 kcal/N m3 beheizt werden. Sie dienen zum Anwärmen von Blöcken von 17 bis 3 0 1 Gewicht. Der neue Ofen u nter
scheidet sich nur dadurch vom älteren, daß er einen wasser
gekühlten Türrahmen erhalten hat. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit ist der Rekuperator in zwei kleinere Ein
heiten aufgeteilt, die auf beiden Seiten des Ofens stehen.
Diese Rekuperatoren sind Röhrenapparate und dienen zur E rhitzung der Luft. Jeder Rekuperator h at eine Heizfläche von 14,3 m 2. Das Abgas fließt im Gegenstrom zur Luft nach oben und entweicht durch einen 20 m hohen Blech
kamin. Umlenkbleche im Rekuperator erhöhen den Wärme
übergang durch zusätzliche Querbewegung.
Das Besondere dieser B auart ist erstens der A u s g le ic h d e r W ä r m e d e h n u n g . Der Heißluftkasten unten ist auf dem F undam ent verankert. Der K altluftkasten hängt frei beweglich am Luftzufuhrrohr, das nach einem geschützten Verfahren von Hebeln m it Gegengewichten getragen wird.
Der Mantel, m it Isoliersteinen ausgemauert, ist senkrecht geteilt und kann auf einfache Weise ab- und angebaut werden. Zweitens sind zur Durchführung der oben angeführ
ten Vorschriften zur S e n k u n g d e r W a n d t e m p e r a t u r in d e n h e i ß e s t e n R o h r t e i l e n E inbauten angebracht, die durch die Verringerung des hydraulischen Durchmessers und die erhebliche zusätzliche Heizfläche die W ärmeübergangszahl der Luft auf das Dreifache bringen. Tatsächlich wurde in Auswirkung dieser Maßnahmen eine über
raschend niedrige höchste Rohrtem peratur von etwa 850° festgestellt, während die Abgastem
peratur im Zuleitungskanal über 1100° betrug.
Die beiden Sammelkasten und das Röhren
bündel bestehen vollständig aus hochhitzebe
ständigem Stahl, die Windleitungen zu den Brennern dagegen aus gewöhnlichem Stahl. Um zu vermeiden, daß aus irgendwelchen Gründen der Vorwärmer überhitzt wird, waren Vorsichts- maßnahmen getroffen worden.
Den W ä r m e v e r b r a u c h d es S c h m ie d e o fe n s je Tonne anzugeben, ist nicht eindeutig, da einmal das Gewicht der Blöcke sehr verschie
den ist, ferner je nach der A rt des Schmiede
stückes die A rt und Anzahl der Erwärmungen sich ändert. Der Verbrauch liegt für die erste Erwärmung eines Blockes zwischen 700000 und 800000 k cal/t bei Betrieb ohne Vorwärmer. Auf einen Abnahmeversuch zur Fest
stellung des Verbrauchs des neuen Ofens wurde verzichtet.
29,3Einheiten
= 3 7 .0 %
1
\3 0 01
t300
%
> i i
W ärm eeerbraoch, M itte /392000k ca /ß /
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an R o ksg a s 33,3 °/o
■Wärme 2 5 ,7 %
33 a M R
M o n at
n
A bbildung 9. M onatliche Betriebsergebnisse am Stoßofen 3 m it R ekuperator.
Die E rm ittlung der Ersparnis ist in diesem Falle sehr einfach.
D a die B auart der Oefen selbst, abgesehen vom Kühlrahmen, kaum verschieden ist, kann m an den W ärmeverbrauch der beiden Oefen unm ittelbar m iteinander vergleichen. Die W ärmeersparnis beträgt durchschnittlich fast 50% . Dieses Ergebnis muß überraschen, wenn man berücksichtigt, daß die Luftvorwärm ung nur 600° beträgt. Theoretisch beträgt nämlich bei dieser Vorwärmung und durchschnittlicher A bgastem peratur des Ofens die Ersparnis nur 32 % 12). Das Betriebsergebnis, das darüber soweit hinausgeht, dürfte auf
12) A. S c h a c k : Skandinavische W eltkraftkonferenz 1933, B ericht Nr. 143; vgl. S tahl u. Eisen 53 (1933) S. 889.
9. A ugust 1934. E. H . K lein: Der zeitliche Verlauf des ZementitzerfaUs im Gußeisen. S tahl u n d Eisen. 827
________
eine Verbesserung der Verbrennung, eine Senkung der Ab- gastem peratur und ähnliche Vorteile zurückzuführen sein.
Infolge dieses guten Ergebnisses wird der ältere Block- ofen ebenfalls m it einem Vorwärmer ausgerüstet, wobei dann, um noch eine größere Ersparnis zu erzielen, die gewährleistete Vorwärmung der Luft von 550 auf 650° erhöht werden soll.
Der einzige Vorwurf, den m an den S t a h l r e k u p e r a to r e n im allgemeinen m acht, ist der hohe H e r s t e l l u n g s p reis. Wie steht es tatsächlich m it der W irtschaftlichkeit ? Nimmt m an für das Beispiel des Stoßofenrekuperators einen ungefähren Preis von 170 JIMjm- Heiz
fläche an, sämtliche Rohrleitungen m it einbegriffen, so findet man. daß die Ab
schreibungszeit nach den tatsächlichen Betriebsergebnissen, also auch u nter Be
rücksichtigung der schlechteren Beschäf
tigung, 18,6 Monate beträgt. Bei giinsti- geremWalzplan und besserer Ausnutzung der Leistungsfähigkeit des Ofens würde die W irtschaftlichkeit schon erheblich eher erreicht werden. Da sich bei E ntw ür
fen entsprechend der errechneten Min
destersparnis nur eine obere Grenze der Abschreibungszeit fest st eilen lä ß t, so wird in vielen Fällen das Betriebsergebnis bes
ser sein als das theoretische. E in Beispiel dafür bildet der Vorwärmer am Schmie
deofen. E r m acht sich m it der errechneten Ersparnis nach 10.2 Monaten bezahlt, wenn man die Gesamtkosten m it 350 JIM m2 Heizfläche ansetzt. Aber infolge der Erhöhung der E rsparnis aus den ge
nannten Gründen wird dieser Vorwärmer schon nach 6.5 Monaten, also in 65 % der errechneten Zeit abgeschrieben.
Die bisherigen Erfolge der stählernen Rekuperatoren legen es nahe, von dem Regenerativsystem der W in d e r - liitz u n g f ü r H o c h ö f e n abzugehen und auch hier Stahl
rekuperatoren zu verwenden. Von den dam it verbundenen Vorteilen ist vor allem die gleichbleibende Tem peratur des Heißwindes zu nennen, weiter die Verringerung der Heiß
windverluste, Verkürzung und Vereinfachung der Heißwind
leitungen, geringer P latzbedarf und geringes Gewicht. F o rt
fall der Bedienung durch vollständige Automatisierung, E r
haltung des anfänglichen W ärmewirkungsgrades. Als letztes ist noch die Möglichkeit zu erwähnen, in kürzester Zeit die Heißwindtemperatur zu ändern, ohne daß sich der W ir
kungsgrad der W inderhitzung wesentlich ändert. Als Nach
teil der Rekuperatoren wird das Fehlen der W ärme
speicherungsmöglichkeit genannt. Abgesehen davon, daß eine wirtschaftliche W ärmespeicherung nur in Einzelfällen mög
lich ist, kann m an feststellen, daß B au und Betrieb der stei
nernen W inderhitzer selbst eine Entw icklung eingeschlagen haben, als deren Endglied der Stahlrekuperator anzusehen ist.
Die Röehlingschen W erke haben sich entsclilossen, als E rsatz für zwei veraltete Cowper für einen Hochofen mit einer Tageserzeugung von etwa 600 t Thomasroheisen einen Stahlwinderhitzer zu bauen, der heute schon weniger kostet als e in S a tz v o n zw e i s t e i n e r n e n W i n d e r h i t z e r n . W eitere Einzelheiten des Baues und Betriebes sollen später bekanntgegeben werden.
Fr/schgas A n s/c /tr.
ff
F a /r /u ft
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Heiß/ufr*
ffc/rr/FC-O
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S r i J ü
A bbildung 10.
Schmiedeofen m it zwei R ekuperatoren.
Z u s a m m e n f a s s u n g .
Die Eigenschaften hitzebeständiger Stähle für den Bau von Stahlrebuperatoren werden an H and einiger Beispiele erläutert und die Vorzüge von Stahlrekuperatoren gegenüber steinernen W ärmeaustauschern bis zu einer Vorwärmtempe- ratu r von 900° begründet. Es wird geschildert, wie es durch die von A. Schack entwickelten Grundsätze für den Bau von Stahlrekuperatoren gelungen ist, niedrige Baustofftem pera
turen, also lange Lebensdauer, verbunden m it hohen W ir
kungsgraden zu erreichen. Zwei auf den Röehlingschen Eisen- und Stahlwerken errichtete Vorwärmer und die mit ihnen gemachten Erfahrungen werden genauer beschrieben.
Die Ersparnisse für einen Stoßofen m it einer Leistung von 19 t h betragen im M onatsdurchschnitt 25,6°0 je t Aus
bringen, während an einem Schnüedeofenvorwärmer 48 bis 50 ° 0 Gasersparnisse gemacht werden.
D er zeitliche Verlauf des ZementitzerfaUs im Gußeisen.
Von E r n s t H e lm u t K le in in Berlin.
[M itteilung aus dem E isenhüttem nännischen I n s titu t der Technischen Hochschule Berlin.]
(U n te rsu c h u n g e n a n grob- u n d fe in g ra p h itisc h e n G ußeisenproben über L a n g en ä n d eru n g un d Z e m e n titze rfa ll beim Glühen im S ticksto ffstro m bei 550 bis 700°. G eschw indigkeit des Zem entitzerfaU s in A b h ä n g ig k eit von der V ersuchsdauer, Glüh-
tem p era tu r u n d G ra phitausbildung.)
N
eben Oxvdationsvorgängen wird für das Wachsen von oxydierenden Einflüssen eine Gesetzmäßigkeit für den zeit- Gußeisen vor allem der Zerfall des im Gußeisen vor- liehen Ablauf des Wachsens von Gußeisen und dam it des handenen Zem entits in G raphit und F errit verantw ortlich ZementitzerfaUs gefunden werden kann: solche Versuche gem acht1). Es liegt nahe zu prüfen, ob unter Ausschluß von wurden bereits von F. W ü s t und 0 . L e i h e n e r - ) angesteUt.1) Vgl. P . B a r d e n h e u e r : S tah l u. Eisen 50 (1930) S. 71/76 *^ni Dilatom eter lassen sich derartige Untersuchungen (W erkstoffaussch. 158); E. S c h e il : Arch. E isenhüttenw es. 6
(1932.33) S .61 67 (W erkstoffaussch. 185); hier werden auch weitere Quellen angegeben.
ä) M itt. K ais.-W ilh.-Inst. Eisenforsehg., Düsseid.. 10 (1928) S. 265 81: vgl. S tah l u. Eisen 49 (1929) S. 366 67.
828 S tahl u n d Eisen. E. H. K lein: Der zeitliche Verlauf des Zementitzerfalls im Gußeisen. 54. Jah rg . N r. 32.
unter fortwährender photographischer Aufzeichnung leicht durchführen. Die g e s t e l l t e A u fg a b e zerfällt in zwei Teile:
Es ist erstens nachzuweisen, daß die gemessenen Längen
ausdehnungen dem Zementitzerfall verhältnisgleich sind, und wenn diese Voraussetzung zutrifft, ist zweitens aus den erhaltenen Zeit-Ausdehnungs-Schaubildern die Gesetzmäßig
keit für den Zementitzerfall abzuleiten.
F ür die U n te r s u c h u n g stand ein Differentialdilato
m eter der B auart von P. C h e v e n a r d 3) zur Verfügung, das allerdings in diesem Falle als einfach wirkendes Dilatometer benutzt w urde4). Die Zeit-Ausdehnungs-Kurven wurden photographisch aufgenommen. Die Proben — allseitig
gleiches V erhalten gefunden würde. Hierüber konnten keine Versuche angestellt werden, da sich das Chevenard-Dilato- m eter nicht für Versuche im Vakuum einrichten läßt.
Mit der gewonnenen Erkenntnis ist die in der Einleitung gekennzeichnete Voraussetzung für den zweiten Teil der U ntersuchung gegeben, nämlich die A b le i tu n g d e r G e
s e t z m ä ß i g k e i t d es z e i t l i c h e n A b la u f e s des Z e m e n t i t z e r f a l l s a u s d e n Z e i t - A u s d e h n u n g s - K u r v e n . Für die Geschwindigkeit der Umsetzung Fe3C = 3 Fe -f- C, die eine Reaktion erster Ordnung darstellt, läßt sich in Anleh
nung an A. E u c k e n 5) folgende Differentialgleichung auf
stellen :
0,2s
|
0,20■%
£ °’7S
I
g 4 *I m
A = AusgangsgrapOi/ge/ra/t
ß= ßesam/AoMens/offgeOa// — — kz
d t - k z ’ (1)
/
—fe .n i/ä )7 6 ei
°poOe:
fr/ge/
550°g v/Y 77 Sri eg/üA
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's»■>066/1 Oe
AroO ï/Yrig
¡650 em/Y em Gr
\eg/u Hlp/j/i Yff
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0!
J
f
0,5 7,0 7,5 2,0 2,5 A 0,0 3,5 0 0,5 7,0 7,5 2,0 A2,5 3,0 3,5
6rap/!/'fge/7a/f in %
A bb. 1. A bb. 2.
A bbildung 1 un d 2. Z usam m enhang zwischen L ängsausdehnung u nd Z em entitzerfall beim G lühen von Gußeisen in Stickstoff.
bearbeitete Stäbchen von 7 X 7 X 30 m m3 — wurden in einem Platinbandofen unter einem ständigen Stickstoffstrom bei 550, 600, 650 und 700° geglüht; zur Reinigung des ver
wendeten Flaschenstickstoffs von Sauerstoff wurde alka
lische Pyrogallollösung benutzt. In den Versuchswerkstoffen, die im Laboratorium aus Gußbruch m it 3,4% C, 1,65% Si, 0,5% Mn, 0,18% P und 0,13% S erschmolzen wurden, beeinflußte man durch verschieden hohe Schmelzüberhitzung und Vorwärmung der Sandformen (25 mm Dmr., 250 mm Länge) die Graphitausbildung, so daß der Gehalt an gebun
denem Kohlenstoff stets 0,7% betrug.
Zum Nachweis, daß b e i G lü h u n g in S t i c k s t o f f d ie L ä n g e n a u s d e h n u n g d es G u ß e is e n s d em Z e m e n t i t z e r f a ll v e r h ä l t n i s g l e i c h ist, wurden aus jedem Gußstab mehrere Proben unter denselben Bedingungen wie das Dila
tom eterstäbchen erhitzt, nach bestimm ten Zeiten aus dem Ofen genommen und analytisch auf ihren Graphitgehalt unter
sucht. Wie aus Abb. 1 und 2, die einer Reihe von insgesamt acht ähnlichen Schaubildern entnommen wurden, zu ersehen ist, weisen die Versuchsergebnisse m it hinreichender Genauig
keit auf eine lineare Beziehung zwischen Wachsen und Zementitzerfall hin. Die Streuung ist wohl auf zufällige Fehler bei der Probenahme und der Analyse zurückzuführen;
gerade die erste verursacht bei den geringen zur Verfügung stehenden Stoffmengen außerordentliche Schwierigkeiten, die besonders störend bei der Untersuchung der Proben m it grobblättrigem G raphit in Erscheinung treten. Auf Grund der erhaltenen Schaubilder kann gefolgert werden, daß bei Glühung in Stickstoff die Längenzunahme des Gußeisens ein Maß für die zerfallene Menge des Zementits ist. Die Längenausdehnung läßt sich im D ilatom eter m it solcher Genauigkeit messen, daß diese als m ittelbares Verfahren zur Bestimmung des Zementitzerfalls der chemischen Analyse überlegen sein dürfte.
W ährend diese Ergebnisse im Stickstoffstrom erhalten wurden, ist zu vermuten, daß für Vakuumglühungen ein
des
wobei z der jeweilige Zem entitgehalt, t die Zeit und k die Geschwindigkeitskonstante bedeutet.
Die Integration ergibt
logz = — — t + logZo (2) m it z0 als dem Ausgangszementitgehalt. Wegen der Verhältnisgleichheit von Längenänderung und Zem entitzerfall läßt sich in dieser Gleichung z ersetzen durch (Amax— A) und z0 durch Amas, wenn Amax die größtmögliche und A die jeweilige Ausdehnung des Dilatometerstabes i s t:
log ( A max— A) = - k
2,3 t + log An
(
3)
In Äbb.3, aus der auch die Bedeutung der Differenz (Amax— A) als noch mögliche Längenausdehnung zu entnehmen ist, ist als Beispiel eine Dilatom eterkurve verkürzt wieder
gegeben. Aus solchen Kurven wurden durch Uebertragung
3) Analyse dilatom étrique des m atériau x (P aris: Dunod 1929).
4) U eber die V ersuchsanordnung vgl. H . W e n t r u p und W. S t e n g e r : Gießerei 18 (1931) S. 24/28.
eisenprobe m it feinblättrigem G raphit bei 650°.
in ein K oordinatensystem m it logarithmisch geteilter Or
dinate die Abb. 4 und 5 erhalten. Es ist zu ersehen, daß sich die Versuchspunkte entsprechend der theoretischen Ableitung nach Gleichung 3 zu geraden Linien aneinander
reihen. Gewisse Ungenauigkeiten zwischen gemessenem und theoretischem Kurvenverlauf könuen auf Tem peraturschwan
kungen zurückgeführt werden, die die Proben infolge Aen- derungen des Ofenstromes durch Spannungsschwankungen in der Zuleitung erlitten ; sämtliche Temperaturbewegungen werden natürlich wegen der dam it verbundenen Ausdehnung oder Zusammenziehung des Probekörpers als Längen
änderungen aufgezeichnet. Da, wie im ersten Versuchs
abschnitt nachgewiesen, Längenzunahme und zerfallene Zementitmenge einander verhältnisgleich sind, geben die 6) G rundriß der physikalischen Chemie (Leipzig: L . Voß 1934) § 170.
9. A ugust 1934. E. E . K lein: Der zeitliche Verlauf des Zementitzerfalls im Gußeisen. Stahl und Eisen. 829 Dilatometerkurven nach entsprechender Umrechnung der
Ordinate auch den Zem entitgehalt der Proben an.
Nach Abb. 4 und 5 h ä n g t d ie Z e r f a lls g e s c h w i n d ig k e it v o n d e r G r a p h i t a u s b i l d u n g und von der Tempe
ratur ab. Fein verteilter Graphit beschleunigt den Zem entit
zerfall. Die Ursache hierfür dürfte sein, daß der Graphit als Keim w irkt für den Kohlenstoff, der durch den Zem entit
zerfall entsteht; die W irksam keit des Graphits in diesem Sinne muß mit höherem Verteilungsgrad zunehmen. F ü r die Annahme der Keimwirkung sprechen auch folgende beiden
konstanten chemischer Umsetzungen die E rfahrungsform el:
log k = — y + B* (4) in der A und B Festwerte sind und T die absolute Tem peratur bedeutet. In Abb. 6 sind in logarithmischer Teilung als Or- dinaten die aus der R ichtung der Geraden in Abb. 4 und 5 erm ittelten W erte für die Geschwindigkeitskonstante k auf getragen und als Abszissen die reziproken W erte der ab
soluten Tem peratur. Die eingetragenen P unkte hegen m it
ZO 0,7 OJ O j OJ
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0,005.f
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°’° ° 70 2 V O 3 70 72 70 70 73 20 22 2V 20 20 30 32
Z e it oacO K ersucbsbegirro in h
A b b . 4. A bb. 5.
A bbildung 4 u n d 5. Z eitlicher V erlauf der L ängenausdehnung u n d des Z em entitzerfalls der Gußeisenproben.
Tatsachen. Weiß erstarrtes Eisen von der Zusammensetzung der verwendeten Proben zerfiel nicht bei Tem peraturen bis 700° selbst nach vieltägiger Glühung; hier sind keine Keime vorhanden. Die zweite Bestätigung dieser Annahme ist in den erhaltenen Schaubildern zu finden. Die K urve in Abb. 3 sowie die Versuche bei 600° in Abb. 4 und 5 lassen deut
lich eine Verzögerung zu Beginn der Glühung erkennen;
diese Erscheinung wurde durch E rm ittlung der ersten Ab
leitung der im D ilatom eter erhaltenen Zeit-Ausdehnungs- Kurven auch bei allen übrigen Proben gefunden. Es ist eine Anlaufzeit erforderlich, um die R eaktion in Gang zu bringen. Es sei bem erkt, daß selbstverständlich die Versuchs
zeiten erst von dem Augenblick an gezählt wurden, in dem die V ersuchstem peratur erreicht wurde. Zu erklären ist die Verzögerung durch folgende bekannte Tatsache. Um die G raphitblätter bildet sich w ährend der E rstarrung und Ab
kühlung des Gußeisens ein ferritischer Hof. Der Zem entit hat an keiner Stelle Gelegenheit, m it dem keimbildenden G raphit in Berührung zu kommen. Die zwischen Zem entit und Graphit vorhandene Zone m uß zunächst durch einen Diffusionsvorgang überwunden werden, erst dann kann der regelrechte Ablauf der R eaktion einsetzen. Hierauf haben auch schon W üst und Leihener2) hingewiesen.
Die T e m p e r a t u r a b h ä n g i g k e i t d e r R e a k t i o n s g e s c h w in d ig k e it ist erkennbar aus der m it steigender Tem peratur zunehmenden Neigung der Schaulinien, wobei selbstverständlich die Ergebnisse der beiden Versuchsreihen für die verschiedenartige G raphitausbildung getrennt von
einander zu betrachten sind. Die Richtung der Schaulinien ist unm ittelbar ein Maß für die Geschwindigkeitskonstante isiehe Gleichung 2). S. A rr h e n iu s * ) benutzte für die D ar
stellung der Tem peraturabhängigkeit der Gesehwindigkeits-
*) Vgl. A. E u c k e n : G rundriß . . . , § 173.
D er Helmholtz-Gesellschaft, die die D urchführung der Arbeit finanziell unterstützte, sei an dieser Stelle verbind
lichst gedankt. Zu danken habe ich ferner H errn D ipl.-Ing.
107
hinreichender Genauigkeit auf Geraden, womit die Gültig
keit der von Arrhenius ausgesprochenen Gesetzmäßigkeit bestätigt wird. 7,0
F ü r Gußei
sen, das gleiches^
Gefüge und die--^
selbe Zusammen- Setzung wie der jg 0,2 untersuchte P ro -j;
bewerkstoff h a t,-I 0,7 kann m an d ie 'l’
W erte der G e - '| 0,°^
schwindigkeits- f i 0,03 konstanten ent-s§
sprechend der T em peratur aus Abb. 6 entneh
men und m it Gleichung 2 den zeitlichen Ablauf des Zem entitzer
falls bei Glühung in Stickstoff be
rechnen. Der Ge-
T em peratur in °C 7,75 7,20
7000 aboo/ute Temperatur ° / i A bbildung 6. T em peratu rab h än g ig k eit d er G eschw indigkeitskonstanten k des Z em entitzerfalls in den u n tersu ch ten
G ußeisenproben.
halt an Silizium und M angan wird ausschlaggebenden Einfluß auf die Geschwindigkeitskonstante k haben; auch die Elem ente Schwefel und Phosphor dürften hierauf einwirken. Diese Untersuchungen sollen weiteren Arbeiten Vorbehalten bleiben.
830 S ta h l un d Eisen. Umschau. 54. Ja h rg . Nr. 32.
Heinz G r ü n b e r g , in dessen Händen die Durchführung der Versuche lag, und Herrn cand. rer. met. W erner H o ltm a n n für die U nterstützung in der mathematischen Auswertung der Versuchsergebnisse.
Z u s a m m e n f a s s u n g .
Proben aus Gußeisen, in denen infolge verschieden hoher Schmelzüberhitzung und Vorwärmung der Gießformen der Graphit teils fein verteilt, teils grobblättrig vorlag, wurden in Stickstoff bei 550 bis 700° geglüht und dabei der zeitliche Verlauf der Längenausdehnung und des Zementitzerfalls ver
folgt. Es ergab sich zwischen diesen beiden Erscheinungen Verhältnisgleichheit. Die Geschwindigkeit des Zem entit
zerfalls folgt der für eine chemische Reaktion erster Ord
nung gültigen Gleichung, wobei allerdings eine gewisse An
laufzeit zu berücksichtigen ist. Diese wird darauf zurück
geführt, daß eine Keimwirkung durch Graphit vorhanden sein muß, daß aber im Ausgangsgefüge der Graphit von einem Ferrithof umgeben ist, der zunächst durch einen Diffusionsvorgang iiberbrückt werden muß. Aus der Keim
wirkung des Graphits ist auch zu erklären, daß der Ze- m entit in den Proben m it fein verteiltem Graphit schneller als in dem grobgraphitischen Gußeisen zerfällt. Die Ge
schwindigkeit des Zementitzerfalls nim m t nach der von S. Arrhenius entwickelten logarithmischen Formel mit der Tem peratur zu.
Umschau.
Drehzahlreglung bei kontinuierlichen Walzwerken.
E s sind in den letzten Ja h re n w iederholt kontinuierliche W alz
w erke m it elektrischem E inzelantrieb ausgeführt worden, die zu
friedenstellend arbeiten, bei denen dem nach auch die Frage der D rehzahlreglung g ut gelöst worden ist. Diese bildet jedoch imm er noch einen heiklen P u n k t, wenn es sich um Neuanlagen h an d elt, die gegenüber bestehenden un d erprobten oft n u r um geringes abweichen. Die U rsache liegt u. a. darin, daß sich keine strengen Grenzen ziehen lassen, wann das eine oder das andere Reglungsverfahren zweckmäßiger ist. In den nachstehenden A usführungen soll deshalb gezeigt werden, welchen Einfluß die E igenarten des W alzverfahrens auf die W ahl der D rehzahl
reglung ausüben, d. h. welche U m stände zu berücksichtigen sind.
K ontinuierliche Vorstrecken, bei denen der W alzplan immer gleichbleibt und bei denen es nich t so sehr darau f ankom m t, auf genaues F ertigm aß zu arbeiten, erhalten gewöhnlich einen ge
m einsam en A ntriebsm otor, wobei die einzelnen Gerüste über Zahnradvorgelege m it den richtigen D rehzahlen angetrieben w erden. Reglungen, um zwischen den Gerüsten m erkliche Züge oder Stauchungen zu vermeiden, z. B. bei Blöcken, Knüppeln, sind nur durch V erstellung des W alzenspaltes möglich. Bei W alz
werken m it wechselndem W alzplan u nd solchen, die auf genaues F ertigm aß arbeiten, d. h. vor allem bei F ertigstrecken, ferner bei verschiedenen Sonderwalzwerken, z. B. Kaltw alzw erken, kom m t m an m it dieser billigeren Lösung nicht aus, sondern m uß zum E inzelantrieb der G erüste übergehen. H ierbei h a t m an zur R eglung weitere M öglichkeiten, d a nich t nur der S palt zwischen den Walzen, sondern auch die D rehzahl jedes G erüstes für sich v erän d ert werden kann. Die Drehzahlreglung dient hierbei vor allem dazu, die richtigen Relativgeschw indigkeiten zwischen den G erüsten einzustellen. Bei der Vorausberechnung der Geschwin
digkeiten ist zu beachten, daß die A ustrittsgeschw indigkeit des W alzgutes nicht der Um fangsgeschwindigkeit der Walze gleich ist, sondern durch den D ruck der W alzen oft b eträchtlich höher wird. Die Voreilung des W alzgutes, die von verschiedenen U m ständen, wie W erkstoff, Streckung, W alzdruck, ab h än g t, wird aus E rfahrungsunterlagen entnom m en; wegen der Unsicherheit dieser Größe m uß der Bereich der Drehzahlreglung für die A n
triebsm otoren eine gewisse Reichlichkeit haben.
W enn das Walzen störungslos ablaufen soll, so m uß vor allem die K ontinuitätsgleichung qj v x = q 2 v2 erfüllt sein, d. h. daß das P ro d u k t aus Q uerschnitt u n d W alzgeschwindigkeit zwischen allen Gerüsten gleich sein muß. I s t dies nicht der Fall, so tre te n zwischen den G erüsten Z ugkräfte, Stauchungen oder unzulässige Schlingenbildungen auf. M it Schlinge w ird im folgenden der U nterschied zwischen der Länge des W alzgutes zwischen zwei G erüsten und dem A bstand der G erüste bezeichnet. Der B etrieb k an n je nach der A rt des W alzgutes m it oder ohne Schlinge ge
fü h rt werden. Stangen- oder blockartiges W alzgut ist zur Schlin- genbildung überh au p t nicht befähigt und m uß deshalb gerade durchgew alzt werden; bei diesem W alzgut können erhebliche Zug- oder D ruckkräfte au ftreten , d a es eine gewisse Festigkeit h a t.
Abgesehen davon, daß diese K rä fte für das W alzen unerw ünscht sind, weil sie das W alzgut strecken oder stauchen können, ergeben sie auch eine zusätzliche B eanspruchung für das W alzgerüst.
Bei gewöhnlichen W alzw erken für D ra h t bis 5 mm Dm r. m uß m it kleinen Schlingen besonders zwischen den letz te n G erüsten gearbeitet werden. Bei derartigem W erkstoff können keine D ruckbeanspruchungen au ftreten , d a der schwache, glühende D ra h t sich leicht durchbiegt, anderseits dürfen auch nich t die geringsten Zugspannungen zugelassen werden, d a der D ra h t leicht reißen oder zum indest gereckt werden könnte, w odurch das ge
naue Maß des Fertigerzeugnisses leiden könnte. Die Schleife gibt
allein eine Gewähr dafür, daß über das W alzgut in diesem Fall keine K rä fte ü b ertrag en werden. Schließlich g ibt es auch einen W erkstoff, der sowohl m it Schleife als auch ohne sie, d. h. gerade durchgew alzt werden kann, wie z. B. k a lt gew alztes Bandeisen von geringer S tärke. D as W alzgut k a n n in diesem F all keine D ruckkräfte übertragen, dagegen größere Z ugkräfte. Diese sind sogar in solcher Größe zulässig, daß durch sie eine merkliche Aenderung des fü r die reine W alzarbeit erforderlichen Motor
strom es ein trete n kann.
F ü r den E i n z e l a n t r i e b der kontinuierlichen Walzwerke werden fa st n u r G leichstrom m otoren verw endet, deren D reh
zahlen in b ek an n ter Weise durch die Felderregungen geregelt werden. F ü r die Speisung der M otoren w urden vielfach Um form ersätze m it Frem derregung (Leonardschaltung) gewählt.
Man h a t hierbei die M öglichkeit, die A nkerspannung für die G leichstrom m otoren beliebig herabzusetzen u n d d am it vorüber
gehend ganz niedrige Geschwindigkeiten, z. B. beim Einstellen der Walzen, anzuwenden.
W ird das W alzgut ohne Schlinge gerade durchgew alzt, so ste llt m an die M otoren so ein, d aß eher ein gewisser Zug im Walz
g u t vorhanden ist, auf keinen F a ll jedoch eine D ruckbeanspru
chung. Einen M aßstab für die K räfte, die ü b er das Walzgut übertragen werden, bildet die S trom aufnahm e des Walzmotors, dessen Leistung teilweise fü r die W alzarbeit verb rau ch t, teilweise fü r die Z ugkräfte aufgew endet wird. Zum A ntrieb des Gerüstes am E nde der S traß e m uß die W alzleistung v erm eh rt um die Leistung der einseitigen Z ugkraft ausgeübt werden. W enn die W alzleistung allein am M eßgerät abgelesen wird, so ist die Strom erhöhung über diese hinaus ein Maß für die Z ugkraft; u n ter der Voraussetzung, daß die W alzleistung bei unverändertem Spalt annähernd gleichbleibt, könnte der Zug selb sttä tig unveränderlich gehalten werden, z. B. bei K altw alzw erken, indem m an auf gleichbleibenden M otorstrom selb sttätig regelt, d. h. die Drehzahl herabsetzt, sobald der Strom zu hoch wird. G reift m an ein Ge
rü st in der M itte heraus, so wird der M otor durch den Zug auf der auflaufenden Seite b elastet, dagegen durch den auf der ab laufenden Seite e n tla ste t. Sind die K rä fte auf beiden Seiten gleich, so h a t dieser M otor n u r die W alzleistung aufzuwenden.
W enn die D rehzahl zu hoch ist, so w ird das W alzgut im auflaufen
den Teil einen zu großen Zug ausüben, im ablaufenden einen zu niedrigen Zug, oder falls das W alzgut entsprechend beschaffen ist, sogar D ruckspannungen bekom m en. Die Strom aufnahm e w ird durch die A enderung vor u n d h in te r der W alze größer, und die D rehzahl wird durch den selb sttätig en Regler herabgesetzt w erden. Bei dieser R eglung m uß m it einem kräftigen Zug gear
b eitet werden, d a m it durch geringe Schw ankungen der Walz- leistung nicht allzu große prozentuale Aenderungen der Zugkraft beim U nveränderlichhalten des Strom es erzeugt werden. Diese R eglung h a t w eiter den N achteil, d aß das E inregeln fü r einen be
stim m ten W alzvorgang sehr schwierig ist, daß die Rückwirkung beim Regeln a n einem G erüst in der M itte, auf die folgenden und voranstehenden groß ist, ferner d aß die R eglung abgestellt werden m uß, wenn das W alzgut in die G erüste neu eingeführt wird;
außerdem w ird die Schaltung verhältnism äßig verw ickelt. Dieses R egelverfahren wird im S ch rifttu m öfter a n g efü h rt, d ü rfte sich aber im B etrieb für kontinuierliche W alzw erke nich t bewährt haben.
Eine gu te u n d einfache Lösung e rh ält m an, indem m an die G leichstrom w alzm otoren m it feldverstärkenden Verbundwick
lungen versieht, so d aß der D rehzahlabfall bei B elastung gegen
ü ber reinen N ebenschlußm otoren v ergrößert wird. Die W irkungs
weise dieser W icklungsart möge im folgenden a n zwei Walzen Ax u n d A2 e rlä u te rt werden, die aus einem kontinuierlichen Strang
