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Metallurgical Coke

British Transition to Coke

Die Einführung von metallurgical coke für die Eisenverhüttung war definitiv eine der größten technischen Innovationen der Neuzeit, da sie die Abhängigkeit von Holz auflöste, den Weg zu einem enormen Wachstum der Ofenkapazitäten und zur Vervielfachung der Jahresproduktion ebnete und Schmelzstandorte von der Nähe zu Bächen befreite, die Ofenbälge antreiben konnten. Es gab mehrere Gründe, warum der Ersatz von Holzkohle durch Koks in englischen und walisischen Öfen eine ziemlich langwierige Angelegenheit war. Anfangs war es der einfache britische Zugang zu erschwinglichen Importen des baltischen Eisens (obwohl die russische Verhüttung größtenteils im Ural erfolgte, kamen die Lieferungen über Sankt Peterburg), und die ersten kommerziellen Verwendungen des Brennstoffs zeigten, dass die Verhüttung auf Koksbasis finanziell nicht attraktiv war (Harris, 1988; Hyde, 1977).Koks wurde erstmals in England in den frühen 1640er Jahren zum Trocknen von Malz verwendet (eine Aufgabe, die mit Kohle nicht erledigt werden konnte, da ihre Verbrennung reichlich Partikel- und Schwefelemissionen erzeugte), und erfolglose Versuche seiner Verwendung (und auch von Kohle und Torf) in der Metallschmelze fand in der zweiten Hälfte des siebzehnten Jahrhunderts statt, aber erst 1709 wurde Abraham Darby (1678-1717) der einzige Pionier der Eisenerzschmelze mit Koks. Hyde (1977) bot eine überzeugende Erklärung, warum englische Eisenmeister der ersten Hälfte des achtzehnten Jahrhunderts Darbys Beispiel nicht folgten (seine beiden Öfen in Coalbrookdale verwendeten ausschließlich Koks nach 1720 und einer in Wiley verwendete nur Koks seit 1733) vor den frühen 1750er Jahren.

Obwohl zwischen 1720 und 1755 etwa 25 mit Holzkohle betriebene Öfen geschlossen wurden, stieg die Gesamtleistung von mit Holzkohle geschmolzenem Eisen von fast 19.000 auf fast 25.000 t in den dazwischenliegenden 35 Jahren. Der Grund war weder Geheimhaltung rund um Darbys Innovation noch eine minderwertige Qualität von koksgeschmolzenem Eisen, sondern deutlich höhere Betriebskosten von Koksöfen und kein wesentlicher Kostenunterschied bei den Kapitalkosten neuer Öfen. Hyde (1977) berechnete, dass die Betriebskosten der beiden Prozesse bis Ende der 1730er Jahre gleich geworden sein könnten, aber aufgrund der großen Menge an verbrauchtem Koks waren die Gesamtkosten bis Anfang der 1750er Jahre zugunsten von Kohleöfen.Darby und seine Nachfolger konnten das Schmelzen auf Koksbasis „trotz höherer Kosten des neuen Verfahrens rentabel machen, weil sie überdurchschnittlich hohe Einnahmen aus einem neuen Nebenprodukt von Koksroheisen – dünnwandigen Gussteilen — erzielten“ (Hyde, 1977, 40). Diese Technik, die 1707 patentiert wurde, bevor Darby mit dem Schmelzen von Koks begann, profitierte von einer höheren Fließfähigkeit von Si-reichem Koksschmelzeisen, mit dem viel dünnere Töpfe (mit halb so viel Masse wie aus Holzkohle) hergestellt werden konnten geschmolzenes Eisen) mit weniger Defekten. Darüber hinaus kam Hyde (1977) zu dem Schluss, dass die Herstellung von Stabeisen aus Koksroheisen teurer war als die Herstellung aus Holzkohlegusseisen, da das frühere flüssige Metall mehr Silizium enthielt.King (2011) griff Hydes (1977) Erklärungen und seine detaillierte Untersuchung der Geschäftsunterlagen von Coalbrookdale (in vier Geschäftsbüchern vorhanden) erneut auf und bestätigte die Schlussfolgerung zu den Kosten von mit Koks verhüttetem Roheisen, stellte jedoch fest, dass das gleiche Argument nicht auf die Herstellung von Stabeisen zutrifft. Die Rechnungsbücher zeigen einen enormen Koksverbrauch in den Coalbrookdale-Öfen in den 1720er Jahren und einen allmählichen Rückgang in den 1730er Jahren. Die Konten und Vergleiche mit anderen Schmieden zeigen jedoch, dass die schlechte Leistung des Unternehmens Coalbrookdale nicht auf inhärente Probleme mit koksgeschmolzenem Roheisen zurückzuführen war, sondern auf die nachweisliche Tatsache, dass es sich um ein kleines und ineffizient geführtes Unternehmen handelte.

Die Verzögerung bei der weit verbreiteten Einführung von Koks war daher weitgehend eine Frage des Bareisenpreises: „Welche technischen Schwierigkeiten auch immer bei der Verwendung von Koksroheisen in Schmieden in den frühen 1720er Jahren bestanden, diese wurden offensichtlich bis zum Ende dieses Jahrzehnts überwunden, aber der depressive Zustand des Eisenhandels entmutigte die Einführung von koksgeschmolzenem Schmiederoheisen auf den Markt, bis die Industrie in den 1750er Jahren von einem wirtschaftlichen Aufschwung profitierte. Dieser Aufschwung kann teilweise auf die schwedische Einschränkung ihrer Eisenproduktion zurückgeführt werden, die einige Jahre zuvor begann“ (King, 2011, 154). Englische Produzenten reagierten fast sofort, indem sie nach Mitte der 1750er Jahre neue Koksöfen bauten. Fast 30 koksbasierte Öfen wurden zwischen 1750 und 1770 gebaut, und ihr Anteil an der Roheisenproduktion stieg von nur 10% auf 46% (King, 2005).Dies war ein epochaler Wandel, von der Abhängigkeit von einer Ressource, die erneuerbar war, aber in vielen Regionen bereits knapp war und deren maximale realistische Ausbeutung den zukünftigen Ausbau der Eisenproduktion nicht unterstützen konnte, zur Abhängigkeit von einem nicht erneuerbaren Brennstoff, der kostengünstig aus reichlich vorhandenen Kohlevorkommen hergestellt werden konnte und dessen Produktion auf eine absehbare Expansion der Eisenindustrie skaliert werden konnte. Und die Substitution beseitigte den Druck auf die kontinentalen Wälder: Madureira (2012) berechnete, dass 1820 52% der belgischen Waldfläche zur Herstellung von metallurgischer Holzkohle genutzt wurden und dass selbst in viel größeren und viel bewaldeteren Frankreich und Schweden die Anteile bis 1840 etwa 15% betrugen.Die Unmöglichkeit einer langfristigen Abhängigkeit von Holzkohle lässt sich leicht mit relevanten Berechnungen für die außergewöhnlich holzreichen Vereinigten Staaten veranschaulichen. Die US-amerikanische Eisenproduktionsstatistik begann 1810, als das Schmelzen von 49.000 t Roheisen (unter der Annahme einer durchschnittlichen Rate von 5 kg Holzkohle oder mindestens 20 kg Holz pro kg heißem Metall) etwa 1 Mt Holz verbrauchte. Selbst wenn das gesamte Holz aus natürlichen, alten Laubwäldern mit einer Speicherkapazität von rund 250 t / ha stammen würde (Brown, Schroder, & Birdsey, 1997) und selbst wenn alle oberirdischen Phytomassen für die Verkohlung verwendet würden, müsste jedes Jahr eine Fläche von fast 4000 km2 (ein Quadrat mit einer Seite von fast 63 km) gerodet werden, um dieses Produktionsniveau aufrechtzuerhalten. Reiche US-Wälder konnten eine noch höhere Rate unterstützen und bis 1840 wurde das gesamte US—Eisen noch mit Holzkohle geschmolzen, aber nachdem eine anschließende schnelle Umstellung auf Koks bis 1880 fast 90% der Eisenproduktion mit Energie versorgte und zukünftige Steigerungen der Eisenproduktion nicht auf Holzkohle basieren konnten, hätte das Land 1910 — mit einer Eisenproduktion von 25 Mt und sogar mit stark reduzierten Gebühren von 1,2 kg Holzkohle und 5 kg Holz pro kg heißem Metall – 125 Mt Holz pro Jahr benötigt.

Allein diese Anforderung (abgesehen von allem Holzkohlebedarf für die weitere Metallverarbeitung) hätte (selbst bei einem hohen durchschnittlichen Zuwachs von 7 t / ha in natürlichen Wäldern) eine jährliche Holzernte von fast 180.000 km2 Wald (Smil, 1994) erforderlich gemacht. Dieses Gebiet wäre gleich Missouri oder Oklahoma (oder einem Drittel Frankreichs), und wenn es ein Quadrat wäre, würde seine Seite von Philadelphia nach Boston oder von Paris nach Frankfurt gehen. Offensichtlich konnte selbst das waldreiche Amerika dies nicht tun. Darüber hinaus konnte an seiner Überlegenheit als metallurgischer Brennstoff kein Zweifel bestehen. Koks wird durch Erhitzen geeigneter Arten von bituminösen Kohlen (sie müssen einen niedrigen Asche– und Schwefelgehalt haben) in Abwesenheit von Sauerstoff hergestellt: Diese Pyrolyse (destruktive Destillation) treibt praktisch alle flüchtigen Stoffe ab und hinterlässt nahezu reinen Kohlenstoff mit einer geringen Scheindichte von nur 0,8-1 g / cm3, aber mit einem höheren Heizwert von 31-32 MJ / kg, etwa doppelt so energiedicht wie luftgetrocknetes Holz, aber nur geringfügig energiedichter als die beste Holzkohle.Wie bei den meisten technischen Fortschritten war die Effizienz der frühen Koksproduktionsmethoden sehr schlecht. Seit mehr als einem Jahrhundert war die Standardmethode zur Herstellung von Koks in geschlossenen Bienenstocköfen (Sexton, 1897; Washlaski, 2008). Diese halbkugelförmigen Strukturen (amerikanische Bienenstöcke hatten einen Durchmesser von etwa 3,8 m) wurden normalerweise in Bänken gebaut (Batterien genannt, wobei einige amerikanische Batterien schließlich 200 bis 300 Bienenstöcke hatten), oft in einen Hang (was es einfacher machte, sie mit Erde zu bedecken) und immer mit starken frontalen Stützmauern. Nach 4 oder 5 Tagen Vorheizen (zuerst mit Holz, dann mit Kohle) wurde der Starterbrennstoff entfernt, die Haustüren bis zu zwei Drittel ihrer Höhe gemauert und die Öfen mit Kohle beladen. Durchschnittliche Ladung für einen Standardofen war 5-5,5 t, beladene Kohle wurde mit einer Eisenstange eingeebnet, Türen wurden zugemauert und mit Lehm versiegelt, und für die nächsten 2 bis 3 Tage (Brenndauer variierte zwischen 40 und 75 h) langsam brennende Bienenstocköfen beleuchteten den Nachthimmel mit einem orange-rötlichen Schimmer und emittierten heiße Gase durch ihre offenen Spitzen (Trunnelköpfe).

Sobald die kontrollierte Verbrennung von Koks durch Abschrecken mit Wasser beendet war, wurden Türen aufgebrochen und der Brennstoff aus Bienenstöcken entfernt, um zu Hochöfen transportiert zu werden. Die frühe Bienenstockverkokung verbrauchte bis zu 2 t Kohle pro Tonne Koks; später stieg die Ausbeute auf 60% und schließlich auf etwa 70%. Die Fähigkeit von Koks, schwerere Chargen von Erz und Kalkstein zu tragen, ermöglichte den Bau größerer Hochöfen mit größeren Kapazitäten und höheren Leistungen, was wiederum die Nachfrage nach Koks erhöhte. Einige dieser frühen Koksöfen verwendeten Newcomens ineffiziente Dampfmaschinen, und nach 1776 wurde die Diffusion des Schmelzens auf Koksbasis durch die Einführung von Watt-Dampfmaschinen als Treiber leistungsfähigerer Bälge erheblich unterstützt: Sie wurden 1782 auf diese Weise eingesetzt, und bis 1790 waren in England und Wales 83 Koksöfen in Betrieb und 71 hatten dampfbetriebene Bälge (Hyde, 1977). Aber holzkohlebetriebene Öfen verschwanden nicht: 1810 schmolzen sie noch ein Drittel des englischen und walisischen Eisens.

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