Svampjern
Som svampjern ( Eisenluppe , svampjern , ofte også DRI for "direkte redusert jern") forstår man i dag overveiende et produkt av direkte reduksjon av jernmalm . Den reduksjon av jernmalm resulterer i en "deigaktig" svampaktige porer produkt med et innhold av jern på 92-95%. Svampjern er ikke en legering skapt av en smelteprosess ; det produseres ikke flytende råjern under produksjonen .
På grunn av porøsiteten (derav navnet "... svamp" ), må svampjernet komprimeres for videre bearbeiding eller - nylig - smeltet, siden det inneholder uønskede urenheter (spesielt slagg ).
I utgangspunktet kunne smidd jern - av fysiske årsaker - bare produseres som svampjern til oppfinnelsen av flåteovnen , forgjengeren til masovnene kjent fra 1700-tallet .
Historisk bakgrunn og tidlig teknologi
Svampjern er ekstrahert av hettittene i Lilleasia i minst 3800 år og siden begynnelsen av tidlig jernalder i Sentral-Europa for rundt 2800 år siden ved smelting av jernmalm, for det meste malm . I tysktalende land ble resultatet referert til som Luppen . Basert på denne tidlige sikt kalles glødende stålstykker som allerede er renset og ment for videre bearbeiding, fortsatt lapper i industrien.
I tidlige prosesser ble malmen vanligvis blandet med kull eller torv ( torvkull ) og glødet på åpne racingbranner . Dette resulterte i temperaturer på rundt 700 til 900 ° C, som var tilstrekkelig for reduksjonen.
Derfor utvikler smelteovnen , til og med racingovn , med en lav aksel (vanligvis laget av leire ), og skorsteinen gjør det mulig å nå temperaturer på mer enn 1000 ° C. I form av ovn teknologi, racing ovn var en tidlig form av lav- aksel ovn , ofte bygget ved hjelp av skråningen teknikk for å kunne bruke den naturlige oppdriften. For å oppnå høyere temperaturer og mer effektiv jernutvinning, krevde det imidlertid tillegg av vifteteknologi for å sikre nødvendig tilførsel av forbrenningsluft. Betjenes for hånd med belg veldig tidlig , til de forsto - som en innovasjon - hvordan man bruker kraftigere med vannkraft som driv.
Det ferdige produktet var i god ovndrift i begge tilfeller, den såkalte Renneisen (fra talevikt av takrenner - takrenner fjerning av slaggen etter åpning av tappingen).
Jernet som ble produsert på denne måten inneholdt både karbon og en veldig stor andel slagg og var derfor ekstremt sprøtt . Å utlede et brukbart materiale (det såkalte smijernet for å vinne) som hadde smidesjernssvamp under smeltetemperaturen til jern og over solidustemperaturen i slaggen inneholdt der ved hjelp av muskelkraft slegge (komprimere sammen internt ). I tusenvis av år var dette metoden for å "drive ut" den fortsatt flytende slaggen . Jernet som komprimeres på denne måten ble smidd ut og brettet gjentatte ganger for videre rengjøring og deretter brannsveiset for å koble jernstykket som ble oppnådd etter brettingen, med hverandre. Denne prosessen ble også kalt gjæring .
Med Renneisen var det opprinnelig karbonrikt jern til stede (C 1%), som var i henhold til de videre prosess trinnene til et mykt, formbart og meget godt sveisbart jern. Gjennom smiingsprosessen ble det behandlede jernet avkolbet ytterligere, og strukturen var stort sett homogen . Med glødeprosessen forbundet med smiing ble utfellingen av sementitt og perlitt ytterligere redusert . I dagens terminologi vil produktet bli referert til som mykt jern , i praksis også rent jern . For videre bearbeiding til brukbare våpen eller verktøy , for eksempel. B. meisler , var det nødvendig med ytterligere trinn, slik som å karbureres i smia og til slutt slukke og herde slik som herding og herding .
På begynnelsen av senmiddelalderen kunne imidlertid større, opp til 100 kg tunge, svamplignende pellets (også kalt stykker eller ulv ) produseres i den videre utviklede ovnen , og utbyttet av renset smijern oversteg knapt 10 15 kg. Som forløper for masovnen besto stykkerovnen av en murstein, firkantet skaft og hadde fremdeles en midlertidig tilgang laget av leire, fra hvilken fille eller svampjern ble fjernet. Akslene, som var veldig sterke når det gjelder tverrsnitt og materiale, var - i noen tilfeller - opptil 10 meter høye i begynnelsen av klassismen . (Samtidig fortsatte den "klassiske" leireovnen å bli brukt i andre regioner.)
På grunn av de resulterende høyere prosesstemperaturene som har smeltepunkt for jern (1539 ° C) og det allerede utilsiktet var flytende grisejern , det fra det tidligere hyttefolket som gjørme strømmer eller Saueisen (engl.: Råjern ble betegnet), som det formbare for videre bearbeiding til Iron måtte møysommelig renovert i smia . En prosess basert på dette, er nå kjent som prosessen med frisk ild .
Svampjernet, komprimert manuelt på ambolten, ble smidd i hammersmie , også kjent som jernhamre eller horisontale hamre , med vanndrevne halehamre (senkehamre) fra slutten av middelalderen og utover , selv etter den industrielle revolusjonen til det 20. århundre. Samtidig, i stedet for mekaniske hammere , ble arbeidet med gjæring av fille også utført for hånd av smedens laug, som varierer fra region til region .
Den videre bearbeidelsen til høykvalitetsstål ( gjæringsstål , den tidlige formen for rustfritt stål ) - for eksempel til stikkvåpen som epee-blader - ble utført av såkalte raffineringshamre eller av smeden på stedet, fordi han fortsatt hadde tradisjonelle kunnskap. I utgangspunktet brukes denne teknikken fremdeles i tradisjonelle japanske smeder til i dag for å smi sverd av høy kvalitet. (Mer om dette: se nedenfor )
De moderne teknikkene for jern- og stålproduksjon går i prinsippet tilbake til disse originale opplevelsene fra den tiden da dagens masovnsteknologi med kontinuerlig tilførsel av oppvarmet luft og oksygen gjennom blåser ikke var mulig med de gitte virkemidlene.
Dagens industrielle utvinning og bruk av svampjern
Den “ Krupp racing prosess ” utviklet rundt 1930 har gjort det mulig for første gang å behandle “dårlig” jernmalmer med en lav prosentvise sammensetning, men også jernholdig støv fra masovner som inneholdes i ovnen gass , sammen med billig koks abrasjon eller fint kull uten å bruke gjennomstrømning av masovner. Denne prosessen er foreløpig ikke økonomisk.
Nyere direkte reduksjonsprosesser som B. den Midrex prosess , som behandler jernrik malm med oksyderende additiver i en sjaktovn eller en roterende ovn og vinner svampjern i den siste fasen av prosessen. Svampjernet som oppnås på denne måten blir vanligvis "brikettert", dvs. knust, segmentert og sintret, før videre behandling . Disse briketter eller pellets er så Gattierungsbestandteil for støpejern fra kupolovn eller for produksjon av stål i elektriske lysbueovner . Porøsiteten som fremdeles eksisterer etter pelletering akselererer den kjemiske reaksjonen i ovnen. Den opprinnelig eksisterende mekaniske styrken under termisk belastning forhindrer kaking, slik at de reduserende gassene kan stige uhindret gjennom råmaterialet.
De nyere direkte reduksjonsprosessene for stålproduksjon smelter vanligvis de briketterte pellets fra svampjern sammen med oksidrikt skrap , og reduserer dermed karboninnholdet ytterligere og spretter dermed grisejernstrinnet i masovnsprosessen.
Oversikt over industriell produksjon av svampjern
For tiden brukes tre direkte reduksjonsprosesser hovedsakelig til å produsere svampjern:
- Midrex-prosess , for tiden den mest økonomisk viktige prosessen med 59,7% (per 2010) av den verdensomspennende produksjonen av direkte redusert jern (DRI). Jernmalmen reduseres med en hydrogenrik gass ved bruk av motstrømsprinsippet. Som regel brukes naturgass til dette . Sluttproduktets svampjern er veldig rent (C-innhold mellom 0,5 og 3%) og kan brukes direkte til stålproduksjon i stedet for råjern.
- HYL III, en metode som kan sammenlignes med Midrex. Forskjellen mellom Midrex og HYL III er hvordan den reduserende gassen oppnås fra naturgassen. Ved Midrex, den karbonmonoksyd -innholdet i det ovnsgass benyttes for dette formål , mens ved Hyl naturgassen deles opp i en dampreformer .
- Finex- prosess (videreutvikling av Corex- prosessen). Her tørkes finmalm i en fluidisert sengetørker og bearbeides til svampjern i en flertrinns reaktor med fluidisert seng . Etter komprimering (Hot Compacted Iron, HRI) smeltes det til flytende grisejern ved hjelp av en smelterforgasser.
Rundt 75 millioner tonn svampjern produseres årlig (fra 2012). Basert på DRI-anlegg under bygging anslår anlegg som opererer i henhold til Midrex- prosessen at DRI-produksjonen kan øke til 200 Mt / år innen 2025/2030.
Forskjellige stålgrupper i Europa arbeider for tiden med å gjøre den energiintensive produksjonen av stål mer kostnadseffektiv gjennom direkte reduksjon ved hjelp av den kontroversielle fracking-prosessen . Her skal den billigere såkalte skifergassen (en naturgass lagret i leirestein ) brukes i Midrex-prosessen for å redusere jernmalm / jernoksidblandingen - i stedet for den klassiske naturgassen. Fremgangsmåten, som allerede er praktisert i USA, har ikke blitt godkjent i Europa siden 2011, til tross for pågående søknader, på grunn av uforklarlig miljørisiko - først og fremst på grunn av forurensning av grunnvann og overflatevann. I mai 2013 uttalte Det rådgivende råd om miljøspørsmål seg mot fracking i Tyskland, da det verken ville redusere bensinprisene i Tyskland eller øke forsyningssikkerheten.
Bruk av svampjern i håndverk
I håndverkssektoren har arbeidskrevende og derfor kostnadskrevende selv produksjon av svamp jern nesten døde ut i vestlige kulturer på grunn av den industrielle leveranser av forgeable, lavkarbon semi - ferdige produkter .
Racing brannsymposier for produksjon av svampjern
På grunn av dette var det mange forsøk i Tyskland, Frankrike og Sveits fra slutten av 1990-tallet i form av racingbrannsymposier for å gjenoppdage kunnskapen om historisk jernproduksjon ved hjelp av racingovner , som bare gikk tapt fra rundt 1900 . På initiativ av individuelle jernverk eller smidde foreninger fant mange offentlige eksperimenter med blomstring for å studere jernsmeltestedet i tidlig jernalder - ofte parallelt med smiemøte i forbindelse med utstillinger av moderne metallskulptur . Samtidig bør det også rettes oppmerksomhet mot de store prestasjonene tidligere generasjoner smedene hadde.
For å gjøre det klart: fram til senmiddelalderen ble det sjelden produsert mer enn 20 kg svampjern per ovnsyklus, som varte i to til tre dager. Etter det harde arbeidet med å komprimere og raffinere med tilsvarende avbrenning (skala), ble det laget en klump i knyttneveform (ca. 3 kg) med formbart jern. Etter videre bearbeiding kunne i beste fall to små sverdblad eller rustningsstykker lages av denne mengden . Dette krevde rundt 250 kg kull og 60 kg malm. Leirepparatovnen måtte bygges om for hver ovn.
Rapporter på radio og fjernsyn (for eksempel kringkasting med musen ) og publiseringen av kunnskapen som ble oppnådd av Damaskus smeden Heinz Denig vekket vitenskapens interesse. Som et resultat ble kunnskapen som ble oppnådd nøye undersøkt og dokumentert fra et teknisk synspunkt. Ved å gjøre det, stolte forskerne på engasjementet og den tradisjonelle kunnskapen til de involverte kunstsmedene.
Tradisjonelt dyrket smed i Japan
Det er kjent at selv i dag smir den tradisjonelle japaneren det nødvendige råmaterialet ( Tamahagane = svampjern) til de håndsmidde sverdene (z. B. Katana ) i små, de (nevnte ovenfor) blomstrende besetningene smelte til og med . I stedet for z. B. plen jernmalm eller andre jernmalmer jern sand anvendt. Raffineringsstål produsert av det har bedre egenskaper enn industrielt produserte halvfabrikater på grunn av den spesielle produksjonsmetoden og manuell smiing. De bedre egenskapene manifesterer seg hovedsakelig. ved produksjon av kniver eller bladvåpen , ettersom strukturen er mer orientert i en retning på grunn av håndverket . Det følger av dette at den hakkede støtstyrken er høyere i tverretningen og lavere i lengderetningen - noe som er spesielt ønskelig her.
Historisk sverdsmede i Europa
Det kan antas at i historiske tider i det europeiske området på den tiden - og i Midt-Østen med Damaskus som sitt berømte sentrum - kan våpen med like gode egenskaper når det gjelder hakket slagfasthet, bruddstyrke og kantretensjon bli smidd som i Japan i dag. Både i historiske skriftlige kilder og fremfor alt i den germanske / tyske legendenes verden har myter om "mirakelvåpen" blitt bevart, hvis kjerne er vitenskapelig bevist i forhold til den ekstraordinære produksjonen. For eksempel ble Wieland- sverdet "Mimung" tidligere arkivert for smeden og gitt til gjessene å spise, hvorved stålet ble nitrert og dermed hardere. Gåseskittet ble smeltet ned igjen og et nytt sverd ble smidd fra det. Andre eksempler er det legendariske sverdet "Gram" eller "Balmung" fra Nibelungen-sagaen , Eckesachs eller Durendal .
Med den industrielle revolusjonen gikk denne metallurgiske kunnskapen gradvis tapt. Årsakene til dette lå ikke bare i de endrede - mer kostnadseffektive - produksjonsforholdene og den økende bruken av halvfabrikata , men også i den endrede krigføringen, der høykvalitets og langvarige kniver ble erstattet av skytevåpen. Den generelle bevisstheten om bladkvalitet endret seg; flere optiske effekter kom frem, som f.eks B. Forkrommede sabler i det 20. århundre.
Inspirert av racingbrannsymposiene og følgende offentlige diskusjon prøver kniv- og Damaskusmeder i økende grad å lage sitt eget stål for høykvalitets kniver av svampjern. Den tyske bestikkindustrien fra Solingen har fulgt den generelle trenden og har siden 2004 bestilt håndsmedet Damaskusstål fra den velkjente Balbach-smia for produksjon av jaktkniver . I forbindelse med den tradisjonelle produksjonsteknologien er strukturen også mer justert i en retning, og som et kvalitetsstempel er den hakkede slagstyrken høyere i tverrretningen. Av kostnadshensyn brukes imidlertid ikke Damaskus-produksjon fra svampjern her.
Se også
litteratur
- Ernst Brunhuber (grunnlegger): Støperi-leksikon. 17. utgave, fullstendig revidert og redigert av Stephan Hasse. Schiele & Schön, Berlin 1997, ISBN 3-7949-0606-3 .
- AF Holleman , E. Wiberg : Lærebok for uorganisk kjemi . 24. og 25. Utgave. De Gruyter, Berlin 1945, s. 488.
Referanser og fotnoter
- ^ Agricola : De re metallica libri XII. (1556)
- ↑ Fra jern til stål. Publisert av Brandenburg an der Havel Industrial Museum , mai 2002 (PDF; 168,3 kB).
- ^ A b Matthias Zwissler, Roman Landes: Undersøkelser av racingbrannprodukter . I: Racing fire symposium of the IGDF International Society for Damascus Steel Research eV in Polle at the smed Georg Petau's, 20. august 2005. (PDF; 3,54 MB) .
- ↑ Rent jern. Angele-nettstedet (maskinbygger og smedeleverandør). Hentet 24. august 2013.
- ↑ Ludwig Beck : Forberedelse av smijern i ferske branner - Saueisen og frisk. S. 217 I: "Historien om jern i teknisk og kulturhistorisk forhold", bind 2, (1895), 1332 S., ISBN 3253031926 , (Berlin statsbibliotek: HA 17 Jc 210-2), åpnet i august 24. 2013.
- ↑ For mer informasjon, se teknisk litteratur om jernproduksjon
- ↑ se: direkte reduksjon. I: Ernst Brunhuber (grunnlegger): Foundry Lexicon. 17. utgave, fullstendig revidert og redigert av Stephan Hasse. Schiele & Schön, Berlin 1997.
- ↑ Georg Küffner: Masovnen er langt fra utbrent. I: FAZ nr. 135 av 14. juni 2005. Hentet 24. august 2013.
- ↑ Werner Sturbeck: Fracking - Energiprisgapet. I: FAZ , 3. august 2013, nr. 178, s. 13. Tilgang 24. august 2013.
- ↑ Olaf Velte: Ovnens gris minner om gamle tider. I: fr-online.de , 4. juni 2010. Tilgang 27. september 2013.
- ↑ Heinz Denig: Forklaring til boken "Old Blacksmithing Damascus Steel". Dokumentasjon av vellykkede racingbranneksperimenter. I: damaszenerschmiede.de. Hentet 27. september 2013.