Metallurgische Berechnungen: Praktische Anwendung thermochemischer Rechenweise für Zwecke der Feuerungskunde, der Metallurgie des Eisens und anderer Metalle

612 Pages·1913·84.51 MB·German

by  Joseph W. Richards A. C.

Berechnungen
Metallm~gische
Metallurgische
Berechnungen
Praktische Anwendung thermochemischer Rechen ...
weise fur Zwecke der Feuerungskunde, der Metallurgie
des Eisens und anderer Metalle
Von
Joseph W. Richards, A. C., Ph. D.,
Professor der Metailurgie an der Lehigh-UniversitAt
A u·torisier te Db ersetzung
nach der zweiten Auflage
von
Prof. Bernhard Neumann Peter Brodal
Dl'~ und ~t.=~ng.
Darmstadt Christiania
Manuldruclt 1925
Berlin
Verlag von Julius Springer
1913
Vorwort.
Von den verschiedenen Forschungs-Gebieten der physikalischen
Chemie, deren Ergebnisse direkt zur Aufklarung oder Vervoll
kommnung technischer ProzesSe dienen konnen, ist das der Thermo
chemie wohl das alteste und wichtigste. Die Thermochemie kann
in allen Fallen, wo es sich um Verbrennungs- und Schmelzvorgange,
oder urn elektrochemische und elektrothermische Prozesse handeIt,
in iiberraschend einfacher Weise Auskunft liber die notwendige
Energieaufwendung, libel Veriuste, Ausnlitzung usw. geben. Die
Gesetze sind auBerordentliuh einfach, ihre :Kenntnis allein geniigt
aber nicht, wenn man aus der Thermochemie den Nutzen ziehen will,
den sie zu leisten vermag; es gehort eine gewisse tJbung dazu, um
bei der Anwendung der thermochemischen Rechenweise die vor
handenen thermischen Werte richtig und erschopfend auszunlitzen.
Die Literp,tur bietet nur wenige derartige Anleitungen, die in Form
von Rechenbeispielen darlegen, wie salcha Aufgaben, die die Technik
tll.glich stellt, anzufassen sind, und was die thermochemische Rechen
weise dabei leisten kann. Schon 1893 erschien ein kleines recht brauch
bares Werkchen dieser Art von Alexander Naumann: "Technisch
thermochemische Berechnungen zur Heizung". Dieses Werk war bis
vor einigen Jahren das einzige. Spater hat Joseph W. Richards in
iihnlicher, aber viel umfassenderer Weise die Thermochemie von
dieser Seite behaudelt und an zahlreichen Rechenbeispielen aus ver
Bchiedenen Gebieten der Technik gezeigt, wie fruchtbar die geschickte
Ausnlitzung vorhandener thermochemischer und thermophysikalischer
Daten sein kann. Die Sammlung dieser Rechenbeispiele erschien unter
dem Titel "Metallurgical Calculations" in drei Bandchen, von denen sich
das erste hauptsachlich mit Fragen der Heizung, die beiden andern
mit Fragen der Metallurgie des Eisens und der Metallurgie der
andern Metalle beschaftigen. Die Bande haben bald eine zweite Auf
lage erlebt und sind in andere Sprachen libergegangen. Eine deutsche
Ausgabe fehlte bisher, doch diirfte eine Bolche vielen Fachgenossen die
Beschaftigung mit diesem Gegenstande wesentlich erleichtern. Wi!'
sind deshalb der Anregung des Herm Verlegers, eine tJbersetzung zu
besorgen, urn so lieber nachgekommen, weil wir von dem Nutzen
VI Vorwort.
dar ganannten Rechel~-veise iiberzeugt sind, und weil wir die vom
Verfa.sser gewahlte Darsteilung (ausschlie.!3lich durchgerechnete
Allfgaben und Dbungsbeispiele) fiir eine sehr zweckmaBige halten.
Die drei Bandchen des Originals sind in vorliegendem Bande
vereinigt. Bei der Dbersetzung haben wir uns stets bemiiht.
moglichst klar zu sein, und wir haben, wo es notwendig war, oder wo
die Faile bei uns anders liegen, Erlauterungen in Fu.!3noten beigefUgt.
Aile englischen Ma.!3e sind in metrisches System umgewandelt; auf
gefundene Irrtiimer in den Rechnungen sind beseitigt. So gaben wir
uns der Erwartung hin, da.!3 die deutsche Dbersetzung dieselbe freund
liche Aufnahme linden moge wie das Originalwerk.
Darmstadt, Christiania, September 1913.
B. Neumann. P. Brodal.
Inhaltsiibersicht.
Selte
I. Teil.
Cllemische und thermische Grllndlagen. Feuerungskunde
1. Kapitel.
Die chemische Gleichung.
Atomge~ohte . . . . . . . . . . . . . . . ::!
Beziehungen der Ge~chtJlmengen ztieinander . 4;
Beziehungen der Gasvolumina zueinande.r . . 4,
Wirklicher Ge~chte und wkliche Volumina, . 5
Gewicht und Volum der Gase 5
EinfluB der Temperatur . . . . . . . . . . 7
EinfluB des Druckes . . . . . . . . . . . . 7
Gleichzeitiger EinfluB von Temperatur und Druck 8
Ubungsbeispiel 1. Verbrennu1lg von Kohle. 9
2. Verbrennung von Naturgas 11
", 3. Oxydation im Bessem'lrkonverter 12
2. Kapitel.
Anwendnng der Thermochemie.
Thermochemische Bezeichn1ll;lgsweis,e . 14
Thermochemische Daten . . . . . . . 15
Bildungswa.rmen der Oxyde 15, 25
der Hydroxyde 16,26
der Sulfide 17, 27
der Selenide, Telluride 18
der Arsenide, Antimonide, Nitride, Metallhydride,
Kohlenwasserstoffe . . . . . 19
der Karbide, Silizide, Fluoride 20,27
der Chloride . . . . . . . . . 21. 28
der Karbonate, Nitrate, Phosphate, Silikate 22, 29
"
der Aluminate, Sulfate . . . . . 23, 30, 31
der Bisulfate, Zyanide, Amalgame 24, 31
der Legierungen . . . . . . . . 25, 31
"
3. KapiteI.
Die Benntzl1ng der tllermocllemischen Daten.
Einfa.che Fa.Ile 32
Verwickeltere Fa.lle 33
Doppelte Umsetzungen. . 34
Heizwert der Brennstoffe. . . . . . . . . . . . 37
tJbungsbeispiel 4. Heizwert von Naturgas . 38
VITI Inh&ltsiibersicht.
Seite
Die Dulongsche Regel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Die theoretische Temperatur der Verbrennung . , . . . . . . 41
Verbrennung unter Vorwitrmunng des Heizgases odcr der Luft , 43
Ubungsbeispiel 5. Pyrometrischer Wanneefiekt von Naturgas 44
Der VerbrennungsprozeB nach Eldred. . 46
Die Temperatur im ThermitprozeB . . . . . . . . . . . . . . . 49
4. Kapitel.
Thermochemie hoher Temperatl.ll'ell.
Reduktion Von Zinkoxyd durch Kohle 52
.Allgemeine Bemerkungen. . . . . . . . 57
Die spezifische Warme der Elemente. " . 59
Die latente Schmelzwii.rme der Elemente . 60
Die latente Verdampfungswa.rme der Elemente 62
Thermophysik der Elemente . . . . . . . . 63
Tabellen mit thermophysikalisehen Daten. der Elemente 63
Absoluter und relativer Nutzefiekt von Of en . 76
Ubungsbeispiel 6. Nutzefiekt eines Rockwell-Ofens 78
7. Nutzefiekt einer Amalgamretorte 78
" 8. Nutzefiekt eines' Zinkdestillierofens . 79
Thermophysik der Legierungen . . . . . . . . . . ',' . .... 81
Thermophysikalische Daten der Legierungen . . . . . . . . . 83
Lrbungsbeispiel' 9. Nutzeffekt eines Stahlsehmelzofens . 85
" 10. Nutzefiekt eines Siemens-Regenerativofens ", 86
II. Nutzefiekt eines GieBereiflammofens 86
" 12. Nutzeffekt eines Kupolofens 87
Warme-llihalt in reinen;t Eisen . , . . . , , . . . . . . . . 89
5. Kapitel.
Tl1ermopl1ysik der chemischen Verbindungen.
Oxyde ....... . 90
Ubungsbeispiel 13. Nutzefiekt eiIws Ofens zur Herstellung ge-
schmolzeDf'a", Tonerde ......... 97
14. Reduktion von Eisenoxyden durch Kohlenoxyd 99
15. Reduktion von Eisenoxyden durch Kohlenstofi 100
Chloride 102
Bromide, Jodide . 104
Fluoride, Sulfate 105
Nitrate ... , . 106
Chromate, Karbonate, Borate. 107
Phosphate, Aluminate . , . , 108
Verschiedene Substa,nzen, Sulfide 109
Arsenide, Antimonide. III
Silikate. . 112
Schlacken ..... , 113
6. Kapitel.
Die Heizgase.
Luftgas(Generatorgas)-Erzeuger . . . . . . . . . . . . . 117
Ubungsbeispiel 16. Untersuchung eines Gaserzengers 120
17. Trocknung von nassem Gas .. 124
Inhaltsiibersioht. IX
Selts
Mischgas-Erzeuger ... 128
Ubungsbeispiel 18. · Unie~u~~ .~~~ M:o~~:~~~~~rs' 132
Mondgas ...... . · . . . . . . . . . . • . . . . . . . . 132
Ubungsbeispiel 19. Berechnungen an einem Mond-~aserzeuger 138
Wassergas ..... . · . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 145
Ubungsbeispiel 20. Berechnungen an einer Dellwick-Fleischer-Anlage 147
21. Windmenge fUr eine Dellwick-Fleisoher-Anlage 149
7. KapiteL
Kaminzug und kUnstHcher Zug.
Kaminzug . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . • • . . • 152
Verlust an Saugwirkung durch Reibung ................ 155
Nutzba.re Saugwirkung eines Rchornsteins . . . . . . . . . • . . . . . 157
Ubungsbeispiel 22. Berechnung eines Schornsteins fur .einen Puddel-
ofe n ....••.... '" 158
23. Dampferzeugung durch Abhitze . . . . . . . 159
"
8. KapiteL
WArmeleituDg und WArmestrahlung.
Grundsii.tze der Wii.rmeleitung ..,.......... 165
Tafel mit Daten iiber die Wll.rmeleitfi}higkeit der Metalle . 168
Grundsii.tze des Wii.rmetiberga.nges. • . .. . . . . . . . . 171
Ubungsbeispiel 24. KUhlung heiJ3er Luft in .Rohren 1'13
Tafel iiber Wii.rmeleitmhigkeit von lsoliermaterialien ." 176
mrmestrahiung . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . 177
'Obungsaufgaben zum I. Teile:
Ubungsbeispiel 25. Verbrennung von Kohlenwasserstofien . 179
26. Heizwert von Kohle, 01, Gas 181
"
27. Heizwert verschiedener Gase . . . . . 181
"
28. Verbrennung von Kohle unter einem Kessel. 182
" 29. Verbrennung von An~t . . . . . 183
30. Luftbedarf fUr Staubkohle . . . . . . 183
"
31. Nutzefiekt eines Kessels . . . . . . . 184
"
32. Temperatur einer Kohlenstaubfeuerung 184
33. Temperatur in der Formebene .aines Hoohofens. 185
"
M. Nutzefiekt einer Kohlenstaubfeuerung . 185
35. Berechnung des SohornstcIDzugs . . . . . . . 186
"
36. Kalorimetrische Temperaturmessung ..... 186
"
37. Kalorimetrisohe Bestimmung der spez. WM'me 186
"
38. Warmeersparnis duroh Speisewasservorwarmer . 187
"
39. Nutzefiekt einer Gasmasohine 188
"
40. Nutzefiekt eines Gaserzeugers 188
41. Temperatur einer Generatorgasfiamme 189
"
42. Trooknung von Torf ...... 189
43. Krafterzeugung mit Kokso£enabgasen 190
"
44. AllSniitzung der Koksofengase . . 190
ft.
45. Dampfzersetzung im Generator . . . 191
"
46. Bereohnung eines Sohornsteins . . . • 192
"
47. Warmeverlust duroh die Wande eines Sohorn-
steins .................• 193
x
Inhaltsiibersicht.
II. Teil.
Eisen nnd Stahl.
9. Kapitel. Seite
Die Stoffbilanz des Hochofens.
Eingefiihrte und austretende Stoffe 198
Brennmaterial .. 198
EN 201
Zuschlage . . . . 204
206
ci~~b~is~i~l '48. til~ ~ines' sch~eclis~h~n' :Ho~h~f~~.
Wind 207
10. Kapitel.
Berechnnng der Besehicknng fur den Hochofen.
Berechnung der ZuscbJii,ge und der Schiacke . . '" . . 212
"Obungsbeispiel 4:9. Berechnung des Zuschlages 219
Vergleich vP1"Scbiedener "Brennstoffe 221
Vergieich vljrschiedener Zuschlii.ge . . . . . . . . . . 224
Vergieich verschiedener Erze . . . . . . . . . . . . 225
"ObMgsbeispiel 50. KostenberechnUIig von Roheisen 227
11. Kapite1.
Die Ausnntzlmg des Brennstoffs im Hochofen.
"Obungsbeispiel 51. Wii.rmeerzeugung im Hochofen . 228
52. Nutzeffekt des Winderhitzers. . 230
" 53. Krafterzeugung mit Hochofengas 231
Griiners "Ideale Arbeitsweise". . . . . . . . . . . . . . 233
Geringste fiir den Hochofen notwendige Kohlenstoffmenge 236
12. Kapitel.
Die Warmebilanz des Hochofens.
Zugefiihrte und entwickeite Wa.rme . . . 238
Verbrennung des Kohlenstoffs ... 239
Fiihlbare Warme im heiBen Wind 241
Bildungswarme des Roheisens 242
" der Schiacke . . 243
Absorbierte und abgegebene Warme .. 244
Fiihlbare Wa.rme in den Abgasen 244
Fiihlbare Wii.rme in der ausflieBenden Schlacke . 245
Wii.rme im abgestochenen Roheisen ..... . 246
Wii.rmeabgabe durch Leitung in den Untergrund 246
durch Leitung und Strahlung in die Luft' 246
" an daa Kiihlwasser. . . . . . . 247
Dehydratisieren und Trocknen der Beschickung 247
Zersetzung der Karbonate . . . . . . . . . . 248
Reduktion anderer Metalloxyde . . . . . . . . 249
Zersetzung der Feuchtigkeit des Windes . . . . . 250
Ubungsbeispiel 54. ,Vollstii.ndige Hochofen-Bilanz 250
Inhaltsiibersioht. XI
13. Kapitel. Seite
Heiller Wind und trockner Wind.
Ubungsbeispiel 55. Warmebilanz ' 260
HeiBer Wind . . . 262
Getrockneter Wind 264
14. Kapitel.
Erzeugllng, Erhitzung und Trocknung des Windes.
Erzeugung des Windes. . . . . . . . . . . . . . . 267
Ubungsbeispiel 56. Arbeit der Geblasemaschine 269
Druckmes~ung. . . . 270
Indikatordiagramme . . . . . . . . . . . , . . . . 271
Erhitzen des Windes. . . . . . . . . . . . . . . . 272
Ubungsbeispiel 57. Nutzeffekt eiserner Winderhitzer 273
" 58. Nutzeffekt steinerner Winderhitzer 275
Trocknung des Windes. . . . . . . . . . , . . . . . . . 278
Ubungsbeispiel 59. Wirkung der Trocknung . . . . . 280
60. Kiihlung von PreBluft durch FluBwasser 283
15. Kapitel.
Das Bessemerverfabren.
Der Luftbedarf ., . . 285
Ubungsbeispiel 61. Mindest- und Hochstbetrag der Luftzufuhr 286
Die Luftzufuhr . . . . 287
Ubungsbeispiel 62. Volumetrischer Wirkungsgrad des Geblii.ses. 288
Der Winddruok . . . . 291
Lrbungsbeispiel 63. Verteilung des Winddrucks 294
Zuschlag und Schlacke . 297
Riickkohlung . . . . . 299
Ubungsbeispiel 64. Bilanz der Riiokkohlung 300
16. Kapitel.
Thermochemie des Bessemerverfahrens.
Wli.rmegebende Elemente. . . . . . • . . . 301
Wli.rmebilaI12 des Konverters . . . . . . . . 303
Wa.rme im Konverterkorper am Anfang 304
Wa.rme im geschmolzenen Roheisen . . 306
Wli.rme in den Zusii.tzen, im Kalk, im Wind. 306
Dl2rch Oxydation erzeugte Wii.rme 307
Wii.rme durch Bildung der Schlacke. . . . . 307
Wii.rme im KonverterkOrper am Schlu.6 . . . 310
Wii.rme im fertigen Stahl, in der Schlacke, in den Konvertergasen 310
Durch Leitung abgegebene Wa.rme . . . . . . . . 312
Wii.rmeverluste duroh Strahlung wii.hrend des Blasens 313
Ubungsbeispiel 65. Vollstii.ndige Warmebilanz . . . . . 313
17. Kapitel.
Die Temperatnrerhohung im Konverter.
Verbrennung von SiliziUm ..... 318
" von Mangan, Eisen . . 320
" von Titan, Aluminium . 322
xu Inhaltsiibersicht.
Sette
Verbrennung yon Nickel, Chrom 323
yon Kohlenstofi . 324
"
yon Phosphor. . . 326
"
18. Kapitel.
Der Siemens-Martin-Ofen.
Gaserzeuger . . . . . 329
Gasleitung zum Ofen ............. . 330
Wiirmespeicher (Regeneratoren) . . . . . . . . . . . . 330
tJhungsbeispiel 66. GroBe der Warmespeicher . . 332
Ventile und Gasziigc ................. . 335
tJhungsbeispiel 67. Abmessungen der Ventile und Gasziige" 336
Arbeitsraum des Of ens . . . . . . . . . . . . . . . 338
tJhungsbeispiel 68. Nutzefiekt des Herdraumes 340
Rauchkanale und Schornstein / . . . . . . . . . . . 342
19. Kapitel.
Thermischer Wirkllngsgrad des Siemens-Marlin-Ofens.
Wa.rme in der hellien Beschickung. 343
im zugefiihrten Gas 344
" in der zugefiihrten Luft 345
" durch Verbrennung 345
Oxydatibn des Metallbades, Bildung der Schlacke 346
Wii.rme im fiiissigen Stahl, Wa.rme fiir die Reduktion . 346
Wirme zur Zersetzung des Kalksteins, der Feuchtigkeit . 347
Wii.nne in der SchlalJke. Verlust durch unvollstii.ndige Verbrennung 348
Verluste im K\ihlwasser, durch Leitung und Strahlung 349
tJhungsbeispiel 69. Wa.rmebilanz ..... . 350
70. Thermischer WirkungBgrad . 356
71. Neuere Siemens·Martin·Ofen 362
"
72. DaB Monell·Verfahren ... 368
20. Kapitel.
Elektrometallurgle des Eisens.
Elektrothermische Reduktion von Eisenerzen. . . . . . . 373
"ObungBQeispiel 73. Erzeugung elektrischen Roheisens 374
" 74. Erzeugung nickelhaltigen Roheisens 378
Stahlerzeugung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
UbungBbeispiel 75. Der Induktionsofen . . . . . . . . 385
" 76. Der elektrische Roheisen-Erz-ProzeB. 386
77. Elektrolytische Eisen-Raffination 388
tJbungsaufga ben zum II. Teile:
tJbungsbeispiel 78. Durchmesser der Diisenofinungen . 393
79. Schlackenberechnung . . . . 393
80. Verbrennung des Kohlenstofis 394
"
81. Berechnung der BeBchickung . 395
82. Silizierungsgrad der Schlacke . 395
"
83. Berechnung der Zuschliige . . 396
84. Windmenge. . . . . . . . . 397
"
85. Tageserze:ugung des Hochofens 397
86. Wirkungsgrad der Geb1ii.semaBchine 397