Moderne Stahlgießerei für Unterricht und Praxis

271 Pages·1936·16.635 MB·German

by  Dr.-Ing. e. h. Bernhard Osann (auth.)

Moderne Stahlgiei3erei
Moderne Stahlgiefierei
fur Unterricht und Praxis
Von
Dr.-Ing. e. h. Bernhard Osann
Geh. Bergrat, Professor 1. R. der Bergakademie ClausthaJ
Mit 216 Textabbildungen
Berlin
Verlag von Julius Springer
1936
ISBN-13:978-3-642-90214-7 e-ISBN-13:978-3-642-92071-4
DOl: 10.1007/978-3-642-92071-4
AIle Rechte, insbesondere das
der Ubersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten.
Copyright 1936 by Julius Springer in Berlin.
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1936
Vorwort.
Dieses Buch ist fill die Praxis und fill den Unterricht an Hoch- und
Fachschulen, sowie zum Selbststudium bestimmt.
Die Sprache ist allgemein verstandlich. Es war das Bestreben des Ver
fassers, mit wenig Worten viel zu sagen.
Das Gebiet del' StahlgieBerei ist sehr umfangreich. .Abgesehen von del'
Roheisen-Erzeugung umfaBt es das ganze Eisenhuttenwesen.
Fur die Heranbildung des Nachwuchses ist dies von Bedeutung. Die zahl
reichen Beispiele konnen als Seminar-.Aufgaben fur angehende Hutten-Inge
nieure benutzt werden. .Auch fur Maschinen-Ingenieure ist die Beschaftigung
mit Fragen der StahlgieBerei und des Eisenhuttenwesens unerlaBlich, damit
sie mit dem Werkstoff vertraut werden, den sie an richtiger Stelle verwenden
und bearbeiten sollen.
Die Kapitel, welche von den Eigenschaften der unlegierten und legierten
StahlguBstucke und von ihrer Veredlung durch Gluhen und Verguten handeln,
haben fUr sie besonderes Interesse.
Dem im StahlgieBerei-Betrieb beschaftigten Ingenieur solI das Buch zeigen,
mit welchem Schmelzverfahren und welchen Legierungszusatzen er im Einzelfall
dem Material die geforderten Eigenschaften geben kann.
-Bau und Betrieb der ()fen, die Herstellung der Formen und die Nach
behandlung der GuB-Stucke sind eingehend dargestellt; die Bedeutung wirt
schaftlicher Gesichtspunkte wird uberall besonders hervorgehoben.
Der Verfasser hat in seiner langen Lehrtatigkeit in Clausthal stets die
.Anforderungen der Praxis in den Vordergrund gestellt. .Auch dieses Buch
berucksichtigt darum in erster Linie die Bedurfnisse· del' Praxis.
Moge es auch dem deutschEm Vaterlande Nutzen bringen!
Hannover, im Januar 1936,
Bernhard Osann.
Inhaltsverzeichnis.
Seite
I. Einleitung.
1. Einteilung und Kennzeichnung des gewerbsmaBig hergestellten Eisens und Stahl 1
2. StahlguBstticke .. .. . . . . . . . . . .. . .. 2
3. Geschichtliches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
4. Statistik. . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
5. Aligemeines tiber Schmelzen, Frischen, Desoxydation und Fertigmachen. Die
chemische Zusammensetzung unlegierter StahlguBstticke . . . . . . . . . 6
II. Das Schmelz en im Tiegel.
6. Geschichtliches, Wirtschaftliches und Technisches tiber die Tiegelschmelzerei auf
StahlguB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9
III. Das Schmelzen im Siemens-Martinofen.
7. Geschichtliches tiber Martinofen . 11
8. Saurer oder basischer Martinofen . . . 13
9. Das Fassungsvermogen . . . . . . . . 14
10. Die Bestimmung der Ofenabmessungen 15
11. Die Baustoffe. Ofenhaltbarkeit . . . . 19
12. Der Betrieb mit Generatorgas. . . . . . . . . . 21
13. Der Betrieb mit anderen gasfOrmigen Brennstoffen 24
14. Der Betrieb mit fltissigen Brennstoffen. . . . . . 27
15. Der Betrieb mit Kohlenstaubfeuerung . . . . . . 27
16. :pie Gesamtanlage des Martinwerks . . . . . . . 29
17. Uberblick tiber die Arten der Heizung . . . . .. .. 29
18. Die Veranderung der Gaszusammensetzung in Kanalen und Kammern 30
19. Der Frischvorgang im Of en .. 33
20. Das Verhalten des Kohlenstoffs 34
21. Das Verhalten des Siliziums. 35
22. Das Verhalten des MangallS .. 36
23. Das Verhalten des Phosphors . 38
24. Das Verhalten des Schwefels . 39
25. Das Verhalten der anderen Eisenbegleiter 41
26. Das Verhalten der Eisenstoffverbindungen . . . 43
27. Die Zusammensetzung und Verwendung der Schlacke 44
28. Die Vorbereitung des Of ens vor dem Einsetzen . 40
29. Das Einsetzen . . . . . . . . . . . 46
30. Das Schmelzen und Auskochenlassen 48
31. Das Fertigmachen der Schmelze . 48
32. Das Abstechen des Of ens . . . . 53
33. Duplexverfahren . . . . . . . . 53
34. Storungen beim Schmelzbetriebe 53
35. Betriebsdaten und Warmerechnung 54
IV. Das Kleinkonverterverfahren.
36. Die Kennzeichnung des Windfrischens . . . . . . . . . . . 56
37. Die geschichtliche Entwicklung des Kleinkonverterverfahrens . 57
38. Das Fassungsvermogen ............ . 58
39. Der Konverter. . . . . . . . . . . . . . . . . 59
40. Die Ermittelung der Abmessungen des Konverters 60
41. Die Auskleidung des Konverters.. ..... 61
42. Die Windversorgung des Konverters . . . . . . . 61
Inhaltsverzeichnis. VII
S eite
43. Die chemischen und physikalischen V organge beim Blasen. . . . . . . 65
44. Die Warmerechnung . . . . . . . . . . . . . . 69
45. Fliissiges Roheisen aus dem Hochofen . . . . . . 70
46. Die Erzeugung des flussigen Roheiseneinsatzes im Umschmelzbetriebe . 71
47. Das Anwarmen des Konverters 74
48. Das FUllen des Konverters 75
49. Das Blasen . . . . . . . 76
50. Das Fertigmachen ... . 77
51. Duplexverfahren .... . 79
52. Mit 01 geheizte Konverter 80
V. Allgemeines fiber das Schmelzen im elektrischen Olen (Elektroofen).
53. Die elektrische Warmeerzeugung. . . . . . . . 80
54. Die Einteilung der Elektroiifen . . . . . . . . 81
55. Die geschichtliche Entwicklung der Elektroofen . 83
56. Statistik der Elektroofen . . . . . . . . . . . 91
VI. Lichtbogenofen.
57. Der zugefiihrte Strom bei Lichtbogenofen . . . . 93
58. Die Transformatoren bei Lichtbogenofen . . . . . 95
59. Die Stromzufiihrung zu den Elektroden der Lichtbogenofen 98
60. Das Schaltschema der Lichtbogenofen ... ; ..... 101
61. Der GrundriBplan einer Lichtbogenofenanlage. . . . . . 103
62. Die Berechnung der Abmessungen eines Lichtbogenofens 104
63. Der Ofenmantel und seine Armierung bei Lichtbogeniifen 105
64. Das feuerfeste Mauerwerk bei Lichtbogenofen. . . . 110
65. Die Haltbarkeit des Mauerwerks bei Lichtbogenofen 112
66. Die Elektroden und ihre Armierung ....... . 112
67. Der Warme- und Stromhaushalt bei Lichtbogenofen 116
68. Die chemischen Vorgange im Lichtbogenofen . . . . 122
69. Die Temperatur im Elektroofen ............... . 127
70. 'Der Betrieb bei sauer zugestellten Lichtbogeniifen mit Beispielen. . 128
71. Der Betrieb bei basisch zugestellten Lichtbogenofen mit Beispielen . 130
72. Der Betrieb bei Anwendung von Duplexverfahren mit Beispielen. 137
73. Wirtschaftliches iiber Lichtbogenofen ..... 138
74. Saurer oder basischer Lichtbogenofen? . . . . . 141
75. Fester oder fliissiger Einsatz bei Lichtbogeniifen? . 142
VIT. Induktionsofen.
76. Aligemeines iiber Induktionsofen ........ 144
77. Niederfrequenzofen mit Beispielen . . . . . . . . 145
78. Mittelfrequenzofen . . . . . . . . . . . . . . . 147
79. Der Bau der kernlosen Induktionsofen (Hochfrequenzofen). . 147
80. Die chemischen Vorgange beim Schmelzen in Hochfrequenzofen 153
81. Wirtschaftliches iiber Induktionsofen. . . . . . . . . . . . . . . . .. 155
82. Beispiele fiir das Schmelzen in kernlosen Induktionsofen (Hochfrequenzofen) 157
VIII. Die Eigenschaften von unlegierten und legierten StahlguBstiicken.
83. Unlegierte StahlguBstiicke .......................• 159
84. Die Bezeichnungen zwischen der chemischen Zusammensetzung und den Festig
keitseigenschaften bei unlegierten StahlguBstiicken. . . . . . . . . . . . . • 163
85. Die Beziehungen der Festigkeitseigenschaften untereinander, bei unlegierten Stahl-
guBstiicken :. . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
86. Das metallographische Gefiigebild des unlegierten Stahlgusses 167
87. Legierter StahlguB. Einteilung und Statistik . 170
88. ManganstahlguBstiicke . . 172
89. SiliziumstahlguBstiicke . . 176
90. NickelstahlguBstiicke • • . 180
91. NickelsonderstahlguBstiicke 185
92. ChromstahlguBstiicke . . . 185
VIn Inhaltsverzeichnis.
Seite
93. Ohromlegierte SonderstahlguBstiicke 190
94. KupfeIstahlguBstiicke. . 195
95. MolybdanstahlguBstiicke . . . . . 196
96. VanadiumstahlguBstiicke . . . . . 197
97. WolframstahlguBstiicke . . . . . . 197
98. TitanstaWguBstiicke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
99. Die Einteilung von legierten StahlguBstiicken, nach ihrer Verwendungsart geordnet 198
100. StahlguBstiicke mit hohen Festigkeitseigenschaften bei gewohnlicher Temperatur 198
101. Hitzebestandige StahlguBstiicke . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
102. Rost- und saurefeste StahlguBstiicke (korrosionsfeste StahlguBstiicke) 202
103. Legierte StahlguBstiicke mit besonderen Eigenschaften ...... 204
104. Del' Schmelzbetrieb zwecks Erzeugung von legierten Stahlen . 205
IX. Die Herstellung der StahlguBstiicke.
105. Die Formtechnik bei StahlguB . . . . . . . . . . . . 208
106. Del' Unterschied zwischen EisenguB- und StahlguBformen 217
107. Die Formstoffe. . . . . . . . . 219
108: Die Aufbereitung del' Formstoffe 223
109. Die EinguBtechnik ..... 224
110. Die Verhiitung des Lunkerns . 226
111. Die Verhiitung des ReiBens . . 229
112. Das GieBen . . . . . . . . . 235
113. Einige besondere GieBverfahren 237
114. Das Putzen ........ . 237
115. Das Gliihen und Vergiiten . . 242
116. Gliih- und Vergiitungsanlagen . 249
11 7. Beispiele fUr das Gliihen und Vergiiten 252
118. Das SchweiBen und Flicken. . . . . . 256
119. Die Selbstkostenrechnung in del' StahlgieBel'ei 258
I. Einleitung.
1. Einteilung und Kennzeichnung des gewerbsmiU3ig
hergestellten Eisens und Stahls.
Unter Eisen ist in keinem FaHe reines Eisen, sondern immer eine Legierung
zu verstehen. Unter den Eisenbegleitern nimmt der Kohlenstoff die wichtigste
SteHung ein. Er entscheidet iiber die Eigenschaft der Schmiedbarkeit (schmied
bares Eisen), der Hartbarkeit (Stahl) und der GieJ3fahigkeit (Gu£eisen).
Tecbnisch verwertbares Eisen.
Roheisen Schmiedbares Eisen
mit 2 bis etwa 5 % Kohlenstoff, leicht mit 0,03 bis 2% Kohlenstoff, schmiedbar,
schmelzbar, nicht schmiedbar. 1st es zur schwer schmelzbar
Herstellung von GuBwaren (meist in um
geschmolzenem Zustande) benutzt, nennt SchweiBeisen, FluBeisen,
man es GuBeisen. im teigigen Zustande im fliissigen Zustande
erhalten. (1m hart erhalten. (1m hart
Einteilung des Roheisens. baren Zustande baren Zustande
1. Graues - halbiertes - weiBes. "S ch weiBstahl" "FluBs.tahl"
2. Holzkohlenroheisen - Koksroheisen. genannt) genannt)
3. a) GieBereiroheisen.
b) Puddelroheisen.
c) Bessemerroheisen.
d) Thomasroheisen.
e) Stahleisen.
<f) Spiegeleisen.
g) Eisenmangan (Ferromangan).
h) Eisensilizium (Ferrosilizium).
In der Neuzeit folgt man in Deutschland vielfach dem Beispiel der Englander und
Amerikaner und nennt jedes FluBeisen, gleichgiiltig, ob es hartbar oder nicht hartbar iat,
"Stahl".
Schema der Erzeugungsarten des Eisens.
Hochofenverfahren Rennverfahren
erzeugt Roheisen erzeugt schmiedbares Eisen in Form von SchweiBeisen und
aus Erzen. SchweiBstahl aus Erzen (in allen Kulturlandern ausgestorben).
~----------------------------------------------------------~
GieBereiroheisen Roheisen zur Umwandlung in schmiedbares Eisen
d. i. Roheisen zur Er (80% der deutschen Erzeugung).
zeugung von EisenguB Es geschieht dies durch Bindung des Kohlenstoffs an Sauerstoff,
waren. 20% der deut- um ibn zu entfernen. Derartige Verfahren heiBen Frischver
schen Erzeugung. fahren.
Sie werden ausgeiibt
1. in Frischherden(veraltet)}ES wird SchweiBeisen und SchweiB-
2. in PuddelOfen· stahl in Gestalt von Luppen erzeugt1
3. in Konvertern (Windfrischverfahren oder
Bessemerverfahren)
a) saures Verfahren oder Bessemerverfahren Es wird
im engeren Sinne FluBeisen und
b) basisches Verfahren oder Thomasverfahren FluBstahl
4. in Siemens-Martiniifen erzeugt.
a) saures Verfahren
b) basisches Verfahren
1 Die SchweiBeisen- und SchweiBstahlerzeugung ist heute nur noch in Bruchteilen
eines Prozents an der deutschen Erzeugung beteiligt.
Osann, Stablgief3erei. 1
2 Einleitung.
1m .Altertum und Mittelalter waren nur die beiden erstgenannten Erzeugnisse
des Rennherdes oder Stiickofens bekannt. Erst nach 1300 wird Roheisen und
GuBeisen (d. i. in Formen gegossenes Roheisen) genannt.
Friiher war auch das Wort "Gliihfrischen" in Anwendung, urn eine Um
wandlung des GuBeisens in schmiedbares Eisen ohne Schmelzung zu kennzeichnen.
Man sprach dann auch von "Schmiedbarem GuB". Heute geschieht dies
nicht mehr, weil dabei irrige Vorstellungen entstanden sind. Man spricht heute
in einem solchen FaIle von Tempern und TemperguBstiicken.
Unter GieBereiroheisen versteht man ein Roheisen, das ausschlieBlich zur
Erzeugung von GuBstiicken Verwendung findet. Es ist ein Roheisen mit hoherem
Si-Gehalt und niedrigem Mn-Gehalt, das je nach den Umstanden phosphorarm
oder phosphorreich ist.
2. Stahlgu6stiicke.
Unter StahlformguBstiicken oder StahlguBstiicken - dieses Wort
wird heute wegen seiner Kiirze bevorzugt - versteht man GuBstiicke aus Stahl.
Es handelt sich bei dieser Bezeichnung darum, einen Gegensatz zu geschiniedetem
und gewalztem Stahl zu schaffen. In diesem Sinne soli man das Wort "GuB
stahl" vermeiden; denn dies umfaBt auch Schmiedestiicke, die aus StahlblOcken
erzeugt sind.
Will rp.an den Ursprung kennzeichnen, so muB man sagen:, "StahlguB
stiicke aus dem Tiegel oder aus dem Martinofen oder aus dem Kon
verter oder aus dem Elektroofen".
Gegeniiber EisenguBstiicken werden StahlguBstiicke durch ihren geringeren
Kohlenstoffgehalt (meist 0,3% gegeniiber 3,5%) und die dadurch bedingte hOhere
ZerreiBfestigkeit und durch das Vorhandensein einer Dehnung und Streckgrenze
abgegrenzt.
Die ZerreiBfestigkeit und Dehnung der TemperguBstiicke bleibt hinter den
Werte n des Stahlgusses weit zuriick.
Man hat unlegierte und' legierte StahlguBstiicke. Siliziumstahl,
Manganstahl, Nickelstahl, Chromstahl sind Beispiele fiir legierten Stahl.
Vielfach mag die Ansicht verbreitet sein, daB StahlguB in anbetracht des
Wettbewerbes cl,er geschweiBten Konstruktionen und vieler Metallegierungen
keine Zukunft habe. Diese Ansicht ist irrig. Sie wird am besten dadurch wider
legt, daB die beiden groBen amerikanischen Lokomotivfabriken die Am.
Lok. Co. und die Baldwinworks, im Jahre 1931 eine groBe StahlgieBerei in
Eddystone Pa., mit dem Aufwand von 13000000 Dollar errichtet haben, die
jahrlich 60000 t StahlguB erzeugen kann1.
3. Geschichtliches.
Die ersten StahlguBstiicke erzeugte Jakob Mayer als Mitinhaber der Firma
Mayer & Kiihne in Bochum im Jahre 1847. Es ist eine deutsche Erfindung,
die eine interessante Geschichte hat.
Jakob Mayer wurde 1813 als der Sohn eines schwabischen Bauern in Dunningen
bei Rottweil geboren. Er machte bei einem Oheim in Koln eine Lehrzeit als Uhrnlacher
und ·Mechaniker durch und blieb auch nach dieser Zeit einige Jahre in KoInI. Dieser
Oheim versuchte in seinen MuI3estunden GuI3stahl zu erzeugen, um sich von dem Bezuge des
englischen Uhrfederstahls freizumachen.
1 Stahl u. Eisen 1931 S. 1438.
I Vergl. den Vortrag von Bauwens im Jahre 1930. GieI3erei 1930 S. 317.
Geschichtliches. 3
Die Uhrfeder gab also ebenso wie bei der Erfindung des Tiegelgu13stahls durch Benjamin
Huntsman im Jahre 1740 den Ansporn zum Fortschritt, und es war auch in gleicher Weise
ein Uhr- und Werkzeugmaoher, wie es Huntsman war.
Diese Versuohe des Oheims veranla13ten Mayer naoh Sheffield zu reisen, urn die Erzeugung
des englisohen Gu13stahls kennenzulernen und die Teohnik naoh Deutsohland zu verpflanzen.
Er hatte anfangs Erfolg, mu13te aber sohlie13lioh fliehen und erreiohte mit Miihe und
Not ein Sohiff, das ihn in Sioherheit vor der Verfolgung duroh seine mi13trauisoh gewor
denen Mitarbeiter braohte.
Er versuohte nun in seinem Geburtsort eine Sohmelzhiitte zu errichten, hatte aber keinen
Erfolg. Dasselbe gesohah naoh seiner Ubersiedelung nach Koln.
Naohdem er alles ersparte Geld aufgebrauoht hatte, gelang es ihm, den Magdeburger
Kaufmann Eduard Kiihne als Sozius zu gewinnen und die eingangs genannte Firma
zu griinden, die im Jahre 1854 in eine Aktiengesellsohaft unter dem Namen Boohumer
Verein fiir Bergbau und Gu13stahlfabrikation umgewandelt wurde.
1m Jahre 1847 gelang es Mayer zum ersten Male ein brauohbares Stahlgu13stiiok herzu
stellen. Dies war ein Erfolg, der zum Teil auf das Konto der Firma Mathias und Johann
Brandenburg kommt, welohe die feuerbestiindige Formmasse geliefert hatte.
1m Jahre 1851 wurde die erste Kirohenglooke aus Tiegelgu13stahl gegossen, und im Jahre
1855 war der'Boohumer Verein auf der Pariser Weltausstellung mit drei soloher Glooken
vertreten.
Dies war auoh insofern ein Ereignis, als man es bis dahin nioht fiir moglioh hielt, Tiegel
gu13stahl in Formen zu vergieBen. Alfred Krupp hatte es versuoht und sogar das Zen
trifugalgieBverfahren angewendet, urn Eisenbahnradreifen herzustellen. Es war nioht ge
lungen, und Krupp spraoh auoh auf der PariserWeltausstellung die Ansioht aus, daB man
TiegelguBstahl nur durch Sohmieden verformen konne. Als man aber eine der drei Glooken
zertriimmerte, muBte er seine Ansioht andern.
Er tat in der Folgezeit alles mogliohe, urn den Vorsprung des Boohumer Vereins einzu
holen, aber es gelang ihm erst in spaterer Zeit. Die ersten Kruppsohen StahlguBstiioke
wurden 1863 in Essen gegossen.
1m Jahre 1867 stellte Krupp gegossene Lokomotivrader von 1,88 m Durohmesser in
Paris aus, naohdem der Boohumer Verein solohe Rader bereits 1862 in London gezeigt hatte.
Bisher war nur von TiegelguBstahl die Rede. Es war ein bedeutsamer Fort
schritt, daB die Firma Krupp Ende der sechziger Jahre Martinofen aufstellte1
und mit ihrer Hilfe ausschlieBlich StahlformguB erzeugte.
Ein anderes Erzeugnis, wie harter StahlformguB in Gestalt von Walzen,
Herzstiicken, Kammwalzen, Geschossen usw., kam damals fiir Martinofen nicht
in Betracht.
Die Entwicklung des Martinverfahrens geht also yom StahlguB aus, wenn
man von den nicht mit bleibendem Erfolg gekronten Versuchen Pierre Martins,
Gewehrlaufstahl zu erzeugen, absieht (1864).
Ein weiterer bedeutsamer Fortschritt bestand darin, daB man es nach ttber
windung groBer Schwierigkeiten lernte, einen weichen StahlformguB, wie ihn der
Maschinen- und Schiffsbau als Ersatz fiir die teuren Schmiedestiicke forderte,
aus dem Martinofen zu gieBen. Es geschah dies zuerst 1887 auf den Kruppschen
Werken.
Der Leser, der weiteres iiber die damalige Entwicklung des Stahlgusses in
Deutschland und dem Auslande nachlesen will, sei auf das Lehrbuch des Ver
fassers: Eisen und StahlgieBerei2, Beck: Geschichte des Eisens3 und die Schrift:
"Zehn Jahre Verein deutscher StahlformgieBereien"4 hingewiesen.
AuBer dem TiegelguB- und Martinverfahren ist auch das Kon verterver
fahren zu nennen, daB aber erst spater (etwa um 1906) die Schwierigkeiten
so weit iiberwunden hatte, daB es mit Erfolg als Kleinkonverterverfahren
in den Betrieb eingefiihrt werden konnte.
1 Dabei wirkte auoh der spatere erste Gesohaftsfiihrer des Vereins deutscher Eisen
hiittenleute Friedrioh Osann mit.
2 Leipzig bei Wilhelm Engelmann. 3 Braunsohweig bei Vie'Yeg.
4 Verlag Stahleisen in Diisseldorf 1930.
1*