Titel
Eisen
[* 2] (Ferrum), Fe, das nützlichste und verbreitetste aller Metalle, findet sich in zahlreichen Verbindungen und nimmt an der Zusammensetzung der Erdrinde wesentlichen Anteil.
Übersicht des Inhalts.
Vorkommen. Eisenerze | ||
---|---|---|
A. Eisenoxyde. | S. | |
1) Magneteisenstein | 404 | |
2) Roteisenstein | 404 | |
B. Eisenhydroxyde. | ||
3) Brauneisenstein | 405 | |
C. Eisenkarbonate. | ||
4) Spateisenstein | 405 | |
5) Thoneisenstein | 405 | |
6) Kohleneisenstein | 405 | |
Die verschiedenen Arten | ||
I. Roheisen | 406 | |
II. Schmiedbares Eisen | 412 | |
A. Schmiedeeisen. | ||
1) Schweißeisen | 414 | |
2) Flußeisen | 418 | |
B. Stahl. | ||
1) Schweißstahl: | ||
a) durch Rennarbeit | 419 | |
b) durch Herdfrischen u. Puddeln | 419 | |
c) durch Glühfrischen | 419 | |
d) durch Zementation | 419 | |
2) Flußstahl: | ||
a) Gußstahl | 420 | |
b) Bessemerstahl: | ||
a ^[α]) saurer Bessemerpr. | 421 | |
b ^[β]) basischer Prozeß | 422 | |
c) Siemens-Martinpr. | 422 | |
d) Siemensscher Erzpr. | 423 | |
Chemische Eigenschaften | 423 | |
Geschichte und Statistik | 425 |
Gediegen findet es sich in Meteoriten, welche außer Eisen auch noch größere oder geringere Mengen von Nickel und Kobalt enthalten; sehr viel seltener ist das gediegene tellurische Eisen, welches zuweilen durch Einwirkung von brennenden Steinkohlenflözen auf Eisenerze entsteht. Fast alle Mineralien [* 3] und Gesteine enthalten wenigstens Spuren von Eisenverbindungen; sehr allgemein verdanken sie ihre roten, gelben, braunen, dunkelgrünen bis schwarzen Farben einem Gehalt von verschiedenen Eisenverbindungen. Nie fehlt Eisen in der Ackererde, auch im Quell- und Meerwasser ist es nachweisbar, und manche Quellen zeichnen sich durch sehr hohen Eisengehalt aus (Stahlwässer, Eisensäuerlinge). Endlich ist das Eisen auch in den Organismen ein nie fehlender Bestandteil und findet sich namentlich stets im Blattgrün und Blutrot.
Eisenerze.
Manche Eisenverbindungen treten in großen Massen auf, aber nicht jede natürliche Eisenverbindung kann zur vorteilhaften Darstellung des Eisens dienen, sondern man verwendet nur diejenigen Fossilien als Eisenerze, welche in dem Grad eisenhaltig und frei von schädlichen Beimengungen sind, daß daraus ein brauchbares Produkt mit ökonomischem Gewinn erzeugt werden kann. Als eigentliche Eisenerze kommen fast nur die oxydischen natürlichen Eisenverbindungen in Betracht; in untergeordneter Menge wird in der Neuzeit auch das aus dem häufig vorkommenden Eisenkies [* 4] (FeS2 ) durch Röstung erhaltene Eisenoxyd auf Eisen verschmolzen. Die wichtigsten Eisenerze sind die folgenden:
A. Eisenoxyde.
1) Magneteisenstein (Magneteisenerz, Magnetit, Eisenoxydoxydul) FeO, Fe2O3 , Fe3O4 ist in reinem Zustand das reichste Eisenerz und enthält 72,4 Proz. metallisches Eisen. Das Magneteisenerz findet sich kristallisiert, körnig-kristallinisch eingesprengt, sandig, meist aber derb und in mächtigen Lagerstöcken im ältern kristallinischen Massen- und Schiefergebirge, seltener auf Gängen. Es ist eisenschwarz mit schwarzem Strich und Metallglanz.
Seine Dichtigkeit erschwert die Reduktion und die Kohlung; es muß deshalb vor dem Verschmelzen sorgfältig geröstet werden. Die Menge der Gangart ist gewöhnlich nur gering; der Eisengehalt des Erzes beträgt meist 40-60 Proz. Das Erz liefert, wenn es nicht etwa mit Apatit [* 5] (phosphorsaurem Kalk) oder Schwefelmetallen verunreinigt ist, ein sehr reines, ausgezeichnetes Eisen Hauptfundorte sind: Norwegen [* 6] (Arendal), Schweden (Dannemora), Finnland, Lappland, Ural, Algerien, [* 7] Kanada und die Vereinigten Staaten [* 8] (New Jersey, Oberer See). Nur in untergeordneter Menge findet es sich in Deutschland, [* 9] z. B. in Schmiedeberg (Schlesien), [* 10] Berggießhübel (Erzgebirge) etc.
Analysen von Magneteisenstein.
Fundorte | Eisenoxyd Proz. | Eisenoxydul Proz. | Verschiedene Bestandteile Proz. | Bemerkungen |
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Arendal | 73.84 | 21.48 | 2.00 Mangan | schalige Struktur |
2.68 Kieselsäure | ||||
Dannemora | 75.27 | 24.73 | 0.15 Bergart | kristallisiert |
Gellivara (Lappland) | 69.40 | 28.35 | - | derb |
Arendal | 68.03 | 29.25 | 2.45 Bergart | derb |
Berggießhübel | 67.95 | 29.92 | 1.86 Bergart | kristallisiert |
Dannemora | 62.06 | 28.42 | 1.44 Magnesia | |
0.07 Eisensulfid | ||||
7.60 Bergart | ||||
Schmiedeberg | 54.82 | 24.67 | 5.94 Thonerde | |
4.40 Calciumkarbonat | ||||
6.70 Eisensulfid | ||||
3.18 Bergart |
Dem Magneteisenstein schließt sich der in New Jersey (Vereinigte Staaten) vorkommende Franklinit (RO, R'2O3 ; R = Fe, Zn und R' = Fe, Mn) an; derselbe enthält neben ca. 45 Proz. Eisen 20 Proz. Zink und wird nacheinander auf Zink und Eisen (Spiegeleisen) verarbeitet.
2) Roteisenstein (Roteisenerz, Eisenoxyd) Fe2O3 enthält im reinen Zustand 70 Proz. Eisen; mit demselben gemeinschaftlich treten häufig auch andre Eisenerze (Magneteisen, Brauneisen, Spateisen) auf. Die Gangarten bestehen aus Kalkspat, [* 11] Dolomit, Quarz oder Thon, und von den Verunreinigungen sind ¶
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Schwefelkies und Apatit die gewöhnlichsten. Der durchschnittliche Eisengehalt des Roteisenerzes beträgt 30 bis 45 Proz.; der Gehalt steigt jedoch zuweilen viel höher und beträgt z. B. bei den Erzen vom Obern See 65-66 Proz. Das Roteisenerz kommt in verschiedenen Varietäten vor: kristallisiert als Eisenglanz in stahlgrauen bis eisenschwarzen, metallglänzenden, oft irisierenden Kristallen, oder in blätterig-schuppigen Kristallen als Eisenglimmer oder Eisenrahm.
Das ausgezeichnetste Vorkommen des Eisenglanzes ist auf der Insel Elba, deren Gruben schon von den Etruskern abgebaut wurden. Ferner kommt der Roteisenstein in strahligen, traubigen, kugeligen oder nierenförmigen Massen als roter Glaskopf, Blutstein oder Hämatit vor. Endlich findet sich das Erz auch in derben (Roteisenstein) oder in erdigen, mulmigen (ockeriger Roteisenstein, Roteisenmulm, gemeines Roteisenerz) oder in körnigen Massen (roter Rogeneisenstein, oolithisches Roteisenerz).
Häufig ist Roteisenstein innig mit Thon oder Quarz gemengt und bildet dann den roten Thoneisenstein, resp. den kieseligen Roteisenstein. In jüngern Formationen kommt der Roteisenstein selten vor, häufig dagegen in Gängen, Stöcken oder Lagern des Ur- und Übergangsgebirges bis aufwärts zum Kohlenkalk. Alle Roteisenerze kennzeichnen sich durch den roten Strich. Der Roteisenstein ist ein sehr wichtiges Eisenerz (speziell auch für Mitteldeutschland). Fundorte sind in Deutschland: Lahngebiet, Eifel, Harz (Elbingerode und Büchenberg), Thüringen, Erzgebirge, Sudeten etc.;
in England: Cumberland und Nordlancashire;
in Belgien: [* 13] Vezin, Namur; [* 14]
in Italien: [* 15] Insel Elba;
in Afrika: [* 16] Algerien und endlich in den Vereinigten Staaten: am Obern See und in Missouri.
Analysen von Roteisenerz.
Fundorte | Eisenoxyd | Manganoxyd | Kieselsäure | Phosphorsäure | Thonerde, Kalk und Magnesia | Wasser |
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Proz. | Proz. | Proz. | Proz. | Proz. | Proz. | |
Wetzlar, Grube Engelsherberg | 80.95 | - | 16.74 | 0.51 | 0.97 | 0.83 |
Desgl. von der Hermannszeche | 73.77 | - | 23.16 | 0.45 | 1.41 | 1.21 |
Eisenrahm ebendaher | 92.45 | - | 5.63 | 0.19 | 0.65 | 1.08 |
Hamm | 75.70 | - | 7.61 | 2.67 | - | 13.32 |
Nassau | 62.50 | Spur | 17.8 | 1.1 | 11.61 | 7.02 |
Cleator Moor in Cumberland | 95.16 | 0.24 | 5.68 | Spur | 0.07 | - |
Oberer See | 93.75 | Spur | 3.27 | 0.32 | 1.57 | 1.09 |
Tennessee | 76.96 | 0.66 | 9.38 | 0.85 | 8.70 | 3.14 |
B. Eisenhydroxyde.
3) Brauneisenstein (Brauneisenerz) besteht aus Eisenhydroxyd mit verschiedenem Wassergehalt. Am häufigsten hat der reine Brauneisenstein die Zusammensetzung 2F2O3, 3H2O und enthält dann 59,9 Proz. metallisches Eisen. Das Brauneisenerz ist häufig durch Zersetzung andrer Eisenerze entstanden und kommt deshalb nicht selten zusammen mit diesen vor, findet sich aber auch zuweilen in eignen Lagerstätten. Die Gangarten bestehen meist aus Quarz oder Thon, nicht so häufig aus Kalk und Dolomit.
Der Eisengehalt beträgt je nach der Menge der Gangart 20-60 Proz. Die meisten ältern Brauneisensteine zeichnen sich durch Reinheit und günstiges Schmelzverhalten aus. Durch den Wasserverlust in der Hitze werden sie porös, reduzieren sich leicht und geben bei einem Mangangehalt ein besonders für die Stahlbereitung ausgezeichnetes Material. Dieselben finden sich unter anderm im kristallinischen Zustand in nieren-, traubenförmigen oder stalaktitischen Formen als brauner Glaskopf im Devon [* 17] des Siegener Landes, im Glimmerschiefer der Alpen, [* 18] im kristallinischen Kalk der Pyrenäen etc., als gemeiner Brauneisenstein derb im Devon des Siegener Landes und Nassaus, in Steiermark [* 19] und Kärnten, im Silur Böhmens, auf Gängen im kristallinischen Gestein und Silur der Pyrenäen u. a., als mulmiger Brauneisenstein auf dem Muschelkalk in Oberschlesien, bei Osnabrück [* 20] etc. Verunreinigter durch Schwefelverbindungen von Eisen, Blei [* 21] und Zink, durch Thon etc. pflegen die Brauneisensteine aus den mittlern Gebirgsformationen, die meist in Form größerer oder kleinerer Kugeln auftretenden Bohn-, Linsen-, Oolith- oder Rogenerze aus dem Jura bis hinab zur Kreide [* 22] und zum Tertiär zu sein, und die jüngsten, noch gegenwärtig entstehenden Gebilde dieser Art, die Raseneisensteine, Sumpf-, Wiesen-, Morast-, Seeerze etc., sind meist durch Phosphate, Sand, Thon, organische Substanzen, seltener durch Schwefelmetalle stark verunreinigt. Erdige Erze von höherm Wassergehalt besitzen oft eine gelbe Farbe und werden dann Gelbeisensteine genannt. Analysen vgl. S. 406.
C. Eisenkarbonate.
4) Spateisenstein (Spateisenerz, Eisenspat, Stahlstein) besteht wesentlich aus kohlensaurem Eisenoxydul, welches aber stets mit den isomorphen Karbonaten von Mangan, Calcium und Magnesium gemischt ist (RCO3; R = Fe, Mn, Ca, Mg). Der Spateisenstein ist gelblichgrau bis braun, findet sich kristallisiert, häufig auch in kugeligen und nierenförmigen Massen mit faseriger Textur, wird an der Luft durch Verwitterung braun und geht in Brauneisenstein über. Die gewöhnlichen Beimengungen dieses Erzes sind Quarz und Kalkspat.
Der Eisengehalt variiert meist von 30-42 Proz.; der wertbestimmende Gehalt an Manganoxydul steigt in kristallinischen Varietäten häufig bis zu 11 Proz. Der Spateisenstein ist ein gutartiges, leicht reduzier- und schmelzbares Eisenerz und wird speziell zur Herstellung von Spiegeleisen sehr geschätzt. Das Erz kommt in Kärnten und Steiermark (Erzberg), ferner auch in Siegen [* 23] (Stahlberg bei Müsen) in großen Mengen vor und bildet Lager [* 24] und Gänge von oft bedeutender Mächtigkeit in dem Grundschiefergebirge bis aufwärts zum Buntsandstein, vorzugsweise aber in der Devonformation.
5) Im Thoneisenstein (Sphärosiderit) ist Spateisenstein innig mit Thon oder Mergel gemischt; dieses Gemenge bildet kugelige, knollige oder nierenförmige Massen oder auch konzentrisch schalige Kugeln von muscheligem, zuweilen auch faserigem Bruch. Der Eisengehalt des Thoneisensteins beträgt 28-40 Proz. Er kommt hauptsächlich in der Steinkohlenformation vor und zwar namentlich in England (Yorkshire, Derbyshire, Südwales) und in Nordamerika [* 25] (Appalachische Kohlenmulde), aber auch in Deutschland (Westfalen, [* 26] Wesergebirge, Oberschlesien).
6) Der Kohleneisenstein (Schwarzstreif, engl. Blackband) ist ein Thoneisenstein, welcher durch Steinkohle (über 10 Proz.) schwarz gefärbt ist. Das Erz besitzt ein geschichtetes, gestreiftes Ansehen, bildet meist zusammenhängende Lager und enthält durchschnittlich 24-30 Proz. Eisen; es wurde zuerst im J. 1801 von Mushet in Schottland aufgefunden und wird seit Anfang der 30er Jahre zur Eisendarstellung benutzt. Die ausgedehnte Eisenindustrie Schottlands beruht auf dem Vorkommen dieses Erzes; auch in England (Südwales), Westfalen (Hörde), [* 27] Schlesien (Waldenburg) [* 28] wird Kohleneisenstein als Eisenerz benutzt. ¶
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Analysen von Brauneisenerzen.
Bezeichnung | Eisenoxyd | Manganoxyd | Thonerde | Kalk und Magnesia | Phosphorsäure | Schwefelsäure | Kieselsäure | Wasser |
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Proz. | Proz. | Proz. | Proz. | Proz. | Proz. | Proz. | Proz. | |
Brauner Glaskopf von Hamm | 85.57 | 1.25 | - | - | - | - | 0.57 | 12.63 |
Dichter Brauneisenstein ebendaher | 76.76 | 16.56 | - | 7.04 | - | - | - | 5.64 |
Bohnerz von Kandern | 70.46 | - | 5.88 | Spur | - | - | 13.04 | 11.12 |
Linsenerz von Eßlingen in Baden | 66.33 | 6.42 | 7.74 | 0.78 | 0.02 | 0.03 | 12.97 | 11.77 |
Bohnerz von Liptingen in Baden | 57.32 | - | 1.68 | 0.13 | 0.32 | Spur | 30.64 | 12.70 |
Brauneisenstein aus Algerien | 48.25 | 24.73 | 2.33 | 3.75 | 0.08 | 0.09 | 11.35 | 9.80 |
Brauneisenerz aus Südwales | 59.05 | 0.09 | Spur | 0.53 | 0.14 | - | 34.40 | 6.38 |
Desgleichen von Spanien | 78.80 | 0.65 | 3.50 | Spur | - | 0.07 | 5.55 | 11.65 |
Gelbeisenstein von Ilmenau | 74.96 | 1.82 | 1.32 | - | - | - | 2.51 | 15.67 |
Brauneisenerz von Neubeuthen | 43.15 | 0.72 | 2.4 | 0.75 | - | - | 21.93 | 31.05 |
Desgleichen von Rübeland | 86.77 | - | - | - | - | - | - | 13.23 |
Sumpferz aus der Neumark | 49.60 | 1.10 | - | 1.40 | 5.60 | - | 19.20 | 23.10 |
Seeerz von Småland | 65.58 | 3.87 | 5.09 | 0.97 | 1.13 | Spur | 7.15 | 16.21 |
Analysen von Spateisen-, Thoneisen- und Kohleneisenstein.
Bezeichnung | Eisenoxydul | Manganoxydul | Magnesia | Kalk | Kohlensäure | Kieselsäure und Gangart | Thonerde | Organische Substanz (Kohle etc.) |
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Proz. | Proz. | Proz. | Proz. | Proz. | Proz. | Proz. | Proz. | |
Spateisenstein aus dem Siegenschen | 47.10 | 7.65 | 2.45 | 0.34 | 36.45 | 4.60 | - | - |
" von Wölch in Kärnten ¹ | 43.83 | 7.31 | 2.44 | - | 35.12 | - | - | - |
" aus dem Stahlberg bei Müsen | 47.96 | 9.50 | 3.12 | - | 39.5 | - | - | - |
" aus Harzgerode | 52.30 | 9.76 | 1.01 | 0.67 | 36.27 | - | - | - |
" von Linz a. Rh. | 57.73 | Spur | 5.93 | - | 35.21 | 0.13 | - | - |
Thoneisenstein aus Oberschlesien | 50.80 | 1.65 | 0.63 | 0.54 | 31.71 | 11.87 | 2.80 | - |
" aus der Wesergegend | 47.26 | 0.36 | 5.11 | 3.74 | 35.67 | 7.67 | - | - |
Kohleneisenstein aus Schottland ² | 40.77 | - | 0.72 | 0.90 | 26.41 | 10.10 | - | 17.38 |
¹Enthält 11,30 Proz. Eisenoxyd; - ²enthält 2,72 Proz. Eisenoxyd und 1,00 Proz. Wasser.
Die verschiedenen Arten des Eisens.
Das aus den Erzen durch ein reduzierendes Verschmelzen erhaltene Eisen ist nie rein, sondern enthält 2-6 Proz. Kohlenstoff und wird Roheisen genannt; durch weitere Operationen wird es je nach Bedarf auf Stahl oder Schmiedeeisen verarbeitet. Das chemisch reine Eisen ist schwierig herzustellen, sehr weich und strengflüssig, so daß es in der Technik keine Anwendung findet; erst ein Gehalt an Kohlenstoff verleiht dem Eisen diejenigen Eigenschaften, welche es zum wichtigsten und nützlichsten aller Metalle und zum unentbehrlichen Hilfsmittel für die Existenz des Menschen machen.
Roheisen, Schmiedeeisen und Stahl unterscheiden sich durch die Menge des in ihnen enthaltenen Kohlenstoffs. Roh- oder Gußeisen enthält 2-6 Proz., Stahl 0,6-2 Proz. und Schmiedeeisen 0,04-0,6 Proz. Kohlenstoff. Der Kohlenstoff kann in den technisch verwerteten Eisensorten in zwei verschiedenen Modifikationen enthalten sein, als chemisch gebundener (Ca ^[α]) und als mechanisch beigemengter (Graphit; Cb ^[β]). Löst man weißes Roheisen, welches aus leicht schmelz- und reduzierbaren Eisenerzen erhalten wird, in Chlorwasserstoffsäure, so entweichen mit dem Wasserstoffgas die Dämpfe eigentümlich riechender Kohlenwasserstoffe, ohne daß sich dabei Kohlenstoff abscheidet; die Gesamtmenge des letztern ist im chemisch gebundenen Zustand vorhanden.
Macht man mit grauem Roheisen, welches aus strengflüssigen Erzen erhalten wird, denselben Versuch, so scheidet sich ein Teil des Kohlenstoffs in schwarzen Blättchen als Graphit aus, während ein Teil wiederum als Kohlenwasserstoff entweicht; das graue Roheisen enthält also beide Modifikationen des Kohlenstoffs. Da der Gehalt an gebundenem Kohlenstoff im E. nicht konstant ist, sondern beträchtlich schwankt; so kann von einer eigentlichen chemischen Verbindung zwischen Kohlenstoff und Eisen nicht die Rede sein. Rammelsberg hält die Roheisensorten für isomorphe Mischungen (Eisen, Kohlenstoff und Silicium kristallisieren regulär) und erklärt daraus das Schwanken der Zusammensetzung. In der Neuzeit teilt man die verschiedenen Eisensorten in folgender Weise ein:
Technisch verwertetes kohlenstoffhaltiges Eisen. | |||||
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Roheisen | Schmiedbares Eisen | ||||
mit 2-6 Proz. Kohlenstoff (Ferromangane enthalten bis zu 7 Proz.); verhältnismäßig leicht schmelzbar und nicht schmiedbar. | enthält weniger als 2 Proz. Kohlenstoff, ist schmiedbar u. schwerer schmelzbar als Roheisen. | ||||
Graues Roheisen. | Weißes Roheisen. | Stahl | Schmiedeeisen | ||
mit 0.6-2 Proz. Kohlenstoff; ist härtbar. | mit 0.04-0.6 Proz. Kohlenstoff; nicht härtbar. | ||||
Der Kohlenstoff ist größtenteils als Graphit zugegen. | Graphit ist nicht oder nur in geringer Menge vorhanden. | Schweißstahl, im nichtflüssigen Zustand erhalten (Frisch-, Puddel- u. Zementstahl). | Flußstahl, im flüssigen Zustand erhalten (Bessemer-, Martin- und Gußstahl). | Schweißeisen, im nichtflüssigen Zustand erhalten (Frisch- und Puddeleisen). | Flußeisen, im flüssigen Zustand erhalten (Bessemer- und Martineisen). |
I. Roheisen und seine Gewinnung.
(Hierzu Tafel »Eisen I und II«.)
Im Altertum war das Roheisen nicht bekannt; man stellte aus den Erzen durch ein reduzierendes Verschmelzen in Gruben oder Herden direkt schmiedbares Eisen her, wobei man je nach der Natur der Erze ein mehr schmiedeeisen- oder mehr stahlartiges Produkt erhielt. Erst im Mittelalter lernte man das Roheisen kennen, ¶