Vaderlandsche letteroefeningen. Jaargang 1865

[p. 238]

Bessemer-staal.
Door B.W. Tideman.

Ieder weet, dat in de laatste jaren het gebruik van staal zeer is toegenomen, zoodat het nu met voordeel het ijzer vervangt, als materiaal voor allerlei machinedeelen enz.; terwijl weinige jaren geleden aan een zoo uitgestrekt gebruik nog niet te denken viel. Als voorbeelden behoef ik slechts te wijzen op de stalen kanonnen, kogels, kruk- en andere assen, spoorweg-rails, stoomketels en stoomschepen.

Minder bekend is het misschien, dat de oorzaak van deze belangrijke verbetering is de uitvinding van Bessemer, om staal van allerlei soort, door een eenvoudig proces, te vervaardigen uit ruw gietijzer¹⁾; en vooral geloof ik, dat men in ons land omtrent die bewerking zelve niet zoo algemeen is ingelicht, of er zullen nog vele lezers van dit tijdschrift zijn wien een korte beschrijving er van welkom zal wezen.

De oude wijze van staalbereiding, die nog in vele gevallen en somtijds op een belangrijke schaal wordt gevolgd, bestaat in het vullen van daartoe geschikte bakken met stafijzer en houtskool,

1) Uit de ertsen wordt het ijzer verkregen in den vorm van ruw gietijzer of pigijzer, waarvan het grootste deel eerst door het verfijnen, (omsmelten in bijzondere ovens) geschikt wordt tot verder gebruik. Om van gietijzer te maken smeedijzer of weekijzer, moet men er de koolstof uit afscheiden; dit geschiedt in de puddelovens. Stafijzer is: tot staven gewalst smeedijzer. Staal bevat meer koolstof dan smeedijzer maar minder dan gietijzer.

[p. 239]

in elkander regelmatig afwisselende lagen; waarna verscheidene van die bakken in een bijzonderen oven worden verhit, en gedurende ongeveer veertien dagen op een bepaalde zeer hooge temperatuur (100^o van Wedgwood's pyrometer) worden gehouden. Hierbij verbindt het ijzer zich met een deel van de kool en gaat dus over in staal. In een groote ijzer- en staal-fabriek te Sheffield vindt men achttien ovens van die soort, elke waarvan 25 tot 35 ton (1 ton is 1016 N. pond) kan bevatten.

Het stafijzer komt uit den oven als blister-staal en wordt verwerkt tot veeren, door de staven te verhitten en te walsen¹⁾; voor ander gebruik begint men met meerdere staven aan elkander te wellen en te versmeden, onder zeer snel slaande stoomhamers, waardoor men cement-staal verkrijgt; terwijl om er het fijne en kostbare giet-staal uit te vervaardigen, dat bijna alleen voor gereedschappen gebruikt wordt, die staven worden uitgezocht welke het grootste gehalte aan koolstof verkregen in den oven. Deze staven worden in kleinere stukken gebroken en in kroezen gesmolten, met bijvoeging van andere stoffen, die het oxyderen van de kool beletten.

Het behoeft naauwelijks gezegd te worden, dat deze bewerking niet alleen veel tijd en brandstof kost, maar ook, wil men eenigzins zeker zijn van de uitkomst, groote oplettendheid en ondervinding bij de werklieden vordert.

Negen jaar geleden nam de Engelschman Bessemer patent voor een nieuw proces, om smeedijzer en staal te vervaardigen uit ruw gietijzer; en op 11 Aug. 1856 maakte hij, in een lezing voor de British Association for the Advancement of Science, zijn methode bekend. Bessemer deelde mede, dat hij sedert twee jaar zich had toegelegd op het maken van smeedijzer en staal, aanvankelijk zonder belangrijke uitkomsten te verkrijgen; tot hij, na gedurende vijftien of zestien maanden proeven genomen te hebben met allerlei ovens, inzag dat het mogelijk was, zonder het gebruik van eenige afzonderlijke brandstof, een veel sterker hitte te verkrijgen dan met eenig fornuis.

Hij kwam daartoe door de volgende redenering: Ruw gietijzer

1) Walsen heet de bewerking, waarbij het door sterke gloeihitte week gemaakt metaal tusschen twee boven elkander liggende rollen of cilinders wordt doorgedreven en daardoor uitgerekt. Een nieuwerwetsche of patentmangel is dus een wals-werktuig voor linnen.

[p. 240]

bevat ongeveer 5% koolstof, die bij witte gloeihitte niet in aanraking kan komen met zuurstof, zonder dat er verbranding plaats heeft. Die verbranding zal sneller voortgaan naarmate de oppervlakte van de kool, welke aan de inwerking der zuurstof wordt blootgesteld, grooter is; terwijl de temperatuur, welke bereikt wordt, zal afhangen van de snelheid waarmede kool- en zuurstof zich verbinden. Door het genoemde oppervlak buitengewoon te vergrooten, zal men dus een temperatuur kunnen voortbrengen, tot nu toe onbereikbaar in de grootste ovens.

Om dit doel te bereiken, stelde hij zich voor onder in een massa gesmolten gietijzer gewone dampkringslucht te blazen, en ofschoon hij bij zijn eerste proeven met 4, 5 tot 9 N. pond ijzer groote bezwaren ondervond, was de uitkomst reeds van dien aard, dat hij besloot een oven of retort te maken, om op een grooter schaal zijn proeven voort te zetten. Toen hij daarop met 350 N. pond tegelijk werkte, nam hij het zeer ongewone verschijnsel waar, dat, door het vergrooten van den toestel, de bezwaren verminderden.

Ik zal van dien eersten oven geen beschrijving geven (gelijk men die kan vinden in de Engelsche tijdschriften van dien tijd), maar later den toestel in zijn tegenwoordigen vorm beschrijven. Vooraf echter iets over de werking van de lucht op het ijzer.

Wanneer in de vloeibare massa gietijzer lucht wordt gebragt, zal deze laatste, ofschoon vooraf niet verwarmd, onmiddelijk zeer sterk verhit worden; en terwijl de lucht, die door een groot aantal kleine openingen wordt aangevoerd, in bellen opstijgt, is er voldaan aan alle voorwaarden voor eene snelle verbranding van de in het ijzer bevatte koolstof. Aanvankelijk wordt slechts dat deel van de koolstof aangetast, dat niet chemisch verbonden is met het ijzer; maar door het snel verbranden van den vrijen kool, rijst de temperatuur zoodanig, dat, na tien of vijftien minuten, ook het overige deel zich van het ijzer afscheidt, om zich met de zuurstof der lucht te verbinden.

De temperatuur van het ijzer wordt, door de onophoudelijke snelle verbranding der koolstof, zoo hoog opgevoerd, dat ook een deel van het ijzer zich met zuurstof verbindt tot ijzeroxyde. Hierdoor gaat wel eenig metaal verloren, maar het gevormde oxyde werkt ook als smeltmiddel voor de kiezelzure zouten, welke voornamelijk het ruwe ijzer verontreinigen; en die nu afgescheiden worden, als slakken op het metaal drijven, en gedurende

[p. 241]

eenigen tijd uit den mond van den oven worden geworpen als schuim, dat, na gedeeltelijke afkoeling, poreuze stukken vormt, die nog een aantal fijne korrels metallisch ijzer bevatten. Ook de zwavel en phosphorus, die in vele soorten van pig-ijzer voorkomen, en daaraan zeer slechte eigenschappen mededeelen, verbranden en ontwijken.

Door het blazen lang genoeg (ongeveer een half uur) voort te zetten zal op deze wijze het gietijzer zijn geheele koolgehalte verliezen, en dus overgaan in smeedijzer, dat, afgetapt, eene sponsachtige massa van buitengewoon zuiver ijzer oplevert.

Vergelijkt men het gewigt van dit ijzer met dat van het aangewende ruwe gietijzer, dan vindt men een gemiddeld verlies van 12½%, en brengt men ook nog het verlies bij het walsen in rekening, dan wordt dit ongeveer 18%. Bij de gewone bewerkingen (verfijnen, puddelen, hameren en walsen) bedraagt dit verlies ongeveer 28% en dus belangrijk veel meer. Hierbij komt nog, dat de hoeveelheid lucht, die door de blaasmachine geleverd moet worden (volgens Bessemer) slechts ⅓ bedraagt van die, welke tot het verfijnen vereischt wordt; dat het proces veel minder tijd vordert en bovendien een veel kleiner getal en minder bekwame werklieden vereischt, dan het puddelen; en terwijl men veel minder brandstof gebruikt, is het ijzer meer homogeen dan dat van de gewone puddelballen, en wordt dus het langdurig hameren en walsen minder noodig. Ook kan men op deze wijze veel grooter massa's ijzer tegelijk verwerken dan in de puddelovens, waaraan groote voordeelen verbonden zijn.

Maar het belangrijkste voordeel van de nieuwe wijze van werken is, dat men, door eene kleine wijziging in het proces, in plaats van weekijzer kan verkrijgen staal, waarvan men het koolstofgehalte en dus de eigenschappen naar willekeur kan regelen. Door namelijk het blazen minder lang voort te zetten, en het metaal af te tappen, kort nadat het opkoken (‘the boil’) een aanvang neemt (dat is als de chemisch gebonden kool begint te verbranden), zal men een smeedbare staalsoort verkrijgen, die het ijzer 30 à 40% in sterkte overtreft en bovendien veel minder aan slijten onderhevig is¹⁾. Het verlies zal iets minder bedragen

1) Proeven- aan de Victoria-Terminus te London leerden dat daar, terwijl gewone ijzeren spoorstaven twaalfmaal vernieuwd werden, de stalen staven, welke er tusschen gelegd waren, nog naauwelijks sporen van slijting vertoonden.

[p. 242]

dan boven werd opgegeven, maar dit wordt opgewogen daardoor, dat de volgende bewerkingen moeijelijker zijn voor dit materiaal.

Deze wijziging werd ook door Bessemer voorgesteld en wordt nog met zeer goed gevolg gebruikt in Zweden, Oostenrijk en Pruissen; de tijd, gedurende welke men de lucht aanvoert, bepaalt dan de soort van staal die verkregen wordt, en moet voor elke soort van pig-ijzer door voorafgaande proeven bepaald worden. Niet alle soorten van ruw ijzer leveren echter, op deze wijze behandeld, goed staal op. Het Engelsche ijzer bijv., dat minder zuiver is dan het Zweedsche en Duitsche, verliest daarbij zijn gehalte aan phosphorus en zwavel niet geheel, en hierdoor wordt het onmogelijk met voldoende zekerheid de eigenschappen van het staal vooruit te bepalen.

Aan Mushet komt de eer toe van dit overwegend bezwaar te hebben overwonnen, ofschoon dit niet genoeg door Bessemer wordt erkend.

Hij stelde voor het blazen voort te zetten, tot de vlam verflaauwt, d.i. tot alle kool verbrand is; en daarna, bij het aldus verkregen zuivere ijzer, een afgewogen hoeveelheid (5 tot 10%) wit gietijzer te voegen, dat veel kool zonder schadelijke bestanddeelen bevat. Hiertoe is het Duitsche ‘Spiegel-eisen’ het meest geschikt, en die soort van ijzer wordt daartoe ook geregeld aangevoerd in Engeland, waar de laatstgenoemde wijze van werken alleen gebruikt wordt.

Het hoogst eenvoudig principe, waarvan Bessemer uitging, werd dadelijk algemeen als juist erkend, daar het gehalte aan koolstof van verschillende ijzer- en staalsoorten reeds lang bekend was, even als de werking van zuurstof of gewone lucht op de kool bij hooge temperatuur. Bessemer behoort dan ook tot de weinige gelukkige uitvinders, die reeds groote financiëele voordeelen van hun werk inoogsten, zoo zelfs, dat men algemeen beweert, dat zijn patent hem jaarlijks £ 100,000 oplevert; en ofschoon het natuurlijk niet ontbroken heeft aan menschen bij wie dit afgunst opwekte, en die beweerden, dat de uitvinding dien naam niet verdient, daar reeds vroeger lucht en stoom werden gebruikt om ijzer te decarboniseren en tevens te verwarmen, bewijst juist het steeds toenemend gebruik van het proces de belangrijkheid er van.

Ik zal nu kortelijk den toestel in den tegenwoordig gebruikelijken vorm beschrijven, en daarbij als voorbeeld kiezen de reeds vroeger

[p. 243]

genoemde fabriek in Sheffield, waar ik eenige maanden werkzaam was, en deze bewerking op groote schaal zag uitvoeren.

Tot het smelten van het ruwe gietijzer worden gebruikt vier vlamovens van een bijzonder goede constructie, zoodat in elken oven drie tot vier ton pig-ijzer in één uur volkomen kan gesmolten worden, waarbij reeds een deel van de vreemde bestanddeelen als slakken¹⁾ wordt afgescheiden. Een vijfde oven is bestemd tot het smelten van het spiegelijzer. Deze ovens staan in eene afzonderlijke werkplaats, waarvan de vloer zoo hoog is, dat het gesmolten ijzer onmiddelijk uit de ovens kan vloeijen in de later te beschrijven retorten.

In een afzonderlijke machinekamer vindt men een dubbele horizontale stoommachine (van 60 p.k. nom.), welke de lucht zamenperst in een geslagen ijzeren reservoir, tot een spanning van 15 à 20 E. pd. per vierk. E. dm.; en een dubbele verticale stoommachine (van 16 p.k. nom.), bestemd om de pompen te bewegen van de later te noemen waterpers.

Het eigentlijk ‘converting-house,’ waar zich de retorten bevinden, grenst aan beide genoemde werkplaatsen, en bevat een ronden ondiepen gemetselden put van ruim 6 N. el middellijn. In het midden van dien put is een ijzeren waterpers geplaatst, waarvan de dompelaar²⁾ een sterken gesmeed ijzeren balk draagt. Aan het eene uiteinde van dezen balk is een groote geslagen ijzeren lepel (reservoir) bevestigd, inwendig met vormzand bekleed, die 10 ton gesmolten metaal kan bevatten; en aan het andere uiteinde een tegenwigt. De lepel kan dus langs den omtrek van den put worden bewogen, waarbij de dompelaar van de pers in den cilinder draait, en bovendien door de laatstgenoemde stoommachine geligt of nedergelaten worden, terwijl nog door een kruk met schroef zonder eind, werkende op een tandrad en as, het geheele reservoir kan worden omgekeerd. Onder in den lepel is een gietgat aangebragt, dat gesloten kan worden door een ijzeren stop aan een stang, die over den rand van het reservoir gebogen is, en aan den buitenkant op en neder bewogen kan worden door een hefboom, zoodat men, ook als het reservoir gevuld is, het giet-

1) Slakken zijn de stoffen welke het ijzer verontreinigen, die reeds in de ertsen voorhanden, of bij vorige bewerkingen er mede vermengd zijn, zamengesmolten met ijzeroxyde.

2) Een dompelaar is een bijzonder lange zuiger, gelijk men die altijd gebruikt in hydraulische- of waterpersen.

[p. 244]

gat kan openen en sluiten. De stop en, zoover noodig is, de stang zijn bekleed met vuurvaste klei.

De twee retorten (converters) zijn uit ijzeren platen zamengesteld. De vorm is die van een cilinder, hoog 0,7 el bij 2 el middellijn, aan beide einden begrensd door een halven bol, terwijl nog aan het bovendeel een kegelvormige monding is aangebragt, zoodat het geheel ongeveer den vorm heeft van een gewone glazen retort. Aan het ondereinde is nog een gegoten ijzeren rand geklonken, waarop een deksel luchtdigt sluit, zoodat een cilindervormige kamer gevormd wordt, waarin de blaaslucht wordt geleid uit het reservoir in de machinekamer, terwijl die verder door 49 openingen in de rctort dringt.

Elke retort bestaat uit twee deelen, door spijbouten verbonden, waarvan het onderste gedragen wordt door twee tappen aan een zwaren ijzeren band, welke de geheele retort omvat, ongeveer op het midden der hoogte. Door een der tappen wordt de lucht aangevoerd, die van daar verder geleid wordt naar de kamer onder de retort door een pijp, welke in alle bewegingen er van deelt. Aan den tweeden tap is een groot tandwiel bevestigd, dat door middel van een kruk en raderwerk kan worden bewogen, waarbij dus de geheele retort om de tappen draait, terwijl in elken stand de aanvoer van lucht onafgebroken kan worden voortgezet.

De gegoten ijzeren ‘frames,’ waarop de tappen der retorten rusten, zijn geplaatst aan den rand van den put, zoodat de lepel gebragt kan worden onder de monding der retort, wanneer die geledigd moet worden. De vlam welke gedurende de bewerking uit de retort slaat, komt door den vorm van de monding onder den trechtervormigen mantel, die onder aan den schoorsteen is aangebragt.

Inwendig zijn de retorten bekleed met poeder van ‘ganister’ (een rotssoort die in de omstreken van Sheffield zeer veel voorkomt) dat een laag van gemiddeld ongeveer 0,2 N. el dikte vormt; alleen in de monding wordt een bekleeding van vuurvast metselwerk gebruikt, terwijl door den bodem, waar de bekleeding 0,3 el dikte heeft, de zeven tuijères (blaaspijpen) worden gebragt, die uit vuurvaste klei vervaardigd zijn.

Een ijzeren goot is bestemd, om het gesmolten ijzer van de vlamovens naar de retorten te voeren, en daartoe bekleed met een platte laag vuurvast metselwerk, terwijl een afzonderlijke goot bestemd is om het spiegelijzer aan te voeren.

[p. 245]

Na al het voorgaande kan het gebruik van de beschreven toestellen in weinig woorden verklaard worden. Terwijl het pig-ijzer in de vlamovens gesmolten wordt, worden de retorten verwarmd door er een vuurtje van cokes in te onderhouden, waartoe een weinig lucht wordt aangevoerd; dit is natuurlijk alleen noodig, wanneer de bekleeding vernieuwd is, of de retort om eenige andere reden zoolang ongebruikt bleef, dat die te veel afkoelde. De retort wordt daarna op de tappen omgekeerd en door een sterken luchtstroom gereinigd van de sintels of slakken, waarna men haar weder zooveel terug beweegt, dat de monding komt onder het uiteinde van de goot.

Het gesmolten ijzer vloeit daarop als een vuurstraal door de goot, die 12 el lang is, en slechts drie minuten zijn er noodig, om de geheele lading van 4 à 5 ton in de retort te brengen. Reeds terwijl dit plaats heeft wordt de luchtkraan gedeeltelijk geopend, om te voorkomen dat het ijzer in de gaten der tuijères dringt; en eerst nadat die kraan geheel geopend is, wordt de retort weder in den regten stand gebragt, waarbij een regen van schitterende vonken uit de monding wordt opgeworpen.

Men ziet nu uit de monding een vlam slaan, die langzaam in grootte en helderheid toeneemt, naarmate de hitte aangroeit; terwijl bij tusschenpoozen de gloeijende slakken worden opgeworpen. Na tien of vijftien minuten vangt het opkoken van het metaal aan, en daarbij neemt de vlam toe in grootte, en verspreidt een verblindend licht. Nadat dit eenigen tijd heeft aangehouden begint de vlam weder te verminderen, naarmate de kool verbrandt, en in twintig of vijf en twintig minuten is het ijzer geheel gedecarboniseerd, gelijk men met eenige oefening aan de vlam kan zien.

De retort wordt nu weder gedraaid, terwijl de lucht nog met een dof geluid er uit stroomt; en met behulp van een travellingkraan¹⁾ wordt in de monding de goot gebragt, waardoor nu het gesmolten spiegel-ijzer wordt aangevoerd. Onmiddelijk hierop wordt de retort verder omgekeerd en stroomt het dun-vloeibare metaal in den lepel, welke daarop wordt geligt door de waterpers en boven de vormen gebragt, die langs den omtrek van

1) Een travelling-kraan is een lier of windas, geschikt om zware lasten te ligten, en zoo geplaatst op een wagen, welke op sporen (daartoe tegen de muren der werkplaats aangebragt) beweegbaar is, dat de lier boven elk punt in de werkplaats kan worden gebragt.

[p. 246]

den put gereed staan en nu achtereenvolgens worden volgegoten, terwijl de slakken in het reservoir achterblijven.

Zoodra het metaal in de gevulde vormen tot rust komt, wordt er een dun plaatje ijzer op gelegd, dat in den vorm past; hierop wordt een schep zand geworpen en daarop een tweede plaatje gelegd, dat met een mokerslag aangedreven en onder een stafijzer door de ooren van den vorm, door middel van wiggen, wordt aangezet. Het doel van deze voorzorgen is, te voorkomen het ontstaan van luchtgallen in den ‘ingot.’¹⁾

Ongeveer vijftien minuten na het gieten worden de vormen, die eenigzins tapsch zijn, met een daartoe bestemde kraan geligt en door mokerslagen gelost, zoodat de stalen ‘ingots’ nog witgloeijend blijven staan.

De lepel wordt dan met water afgekoeld en omgekeerd. Voor buitengewoon zware ‘ingots’ wordt alles zoo geregeld, dat het metaal in beide retorten bijna gelijktijdig gereed is, en te zamen in den lepel kan worden afgetapt. Op deze wijze kan men tot ongeveer 10 ton staal in één vorm gieten.

De hier beschreven toestel levert wekelijks meer dan 150 ton staal op; maar in dezelfde fabriek wordt nu een werkplaats ingerigt op nog grooter schaal, waarin men tot 100 ton staal per dag zal kunnen verkrijgen.

Om een denkbeeld te geven van den prijs der toestellen kan ik hier nog bijvoegen, dat de uitvinder die schat op £ 10,000 voor retorten, die elk drie ton kunnen bevatten, met inbegrip van de bijbehoorende ovens, machines, kranen enz. (alles te leveren in Engeland); terwijl hij voor de werktuigen en ovens, vereischt tot de verdere bewerking van het staal, een uitgave van £ 15,000 noodig acht.

Vlissingen.

1) Ingots is de naam, dien men geeft aan de klompen staal, welke op de beschreven wijze worden verkregen.