Hochofenprozess und Stahlherstellung |
Eisen ist heute das bedeutendste
Gebrauchsmetall. Prinzipiell könnte man mit Hilfe der Thermit-Reaktion
sehr schnell und effizient Roh-Eisen erzeugen. Ein Nachteil besteht darin,
dass es bei dieser Reaktion um die 2400 °C heiß wird.
Dies würde eine enorm temperaturbeständige Ausführung eines
Reaktionsbehälters benötigen. Ein kontinuierliches Arbeitsverfahren
wäre nicht möglich. Außerdem ist Aluminium
als Reduktionsmittel sehr teuer. Dass sich auch Kohle als Reduktionsmittel
eignet, wurde mit dem Beginn der Eisenzeit entdeckt.
Als Rohstoffe eignen sich Eisenerze, die im Tagebau oder im Tiefbau gewonnen werden. Die Erze
enthalten die Mineralien Hämatit,
Limonit oder Magnetit,
sie sind stets mit Begleitmineralien, der Gangart, verunreinigt. Beim Pelletieren
werden Erze wie das Roteisenerz mit einem Bindemittel versetzt und zu kleinen
Pellets geformt. Beim Sintern nimmt man bereits eine Vorreduktion vor.
Das Erz wird teilweise auch mit Kalk vermischt und beim Verbrennen von
Koks zu porenreichem Sinter verarbeitet.
Der Hochofen besteht aus einem bis zu 75 Meter hohen Stahlmantel. Dieser ist mit einer
eineinhalb Meter
dicken Schicht aus feuerfesten Steinen ausgekleidet. Der Hochofen wird
oben immer abwechselnd mit dem Möller, einem Gemisch aus Erz und
Kalk, und mit Koks beschickt. Im äußeren Mauerwerk befinden
sich Hohlräume,
durch die ständig Wasser zur Kühlung fließt. Das
Kühlsystem
darf nie abreißen, manche Hochöfen haben daher mehrere
abgeschlossene
Kühlsysteme.
Im unteren Bereich münden
Düsen in den Hochofen. Durch diese wird unter Druck bis zu 1200 °C
heiße Luft in den Hochofen geblasen. Die heißen Abgase verlassen
den Hochofen im oberen Teil. Dieser wird auch Gicht genannt. Durch die leicht nach
unten verbreiterte Form kann das oben zugegebene Material im Hochofen ständig
nachrutschen.
Je höher die Temperatur ist, umso mehr dehnt sich das
Material aus.
Die über die Ringleitungen hinzugeblasene Heißluft
strömt im Gegenstromprinzip an dem nachrutschenden Möller und
Koks vorbei. In der Schmelz- und Verbrennungszone reagiert der zugefügte
Koks mit der Heißluft. Bei dieser exothermen Reaktion wird auch Wärme
freigesetzt, die zum Aufheizen des Ofens genutzt wird. Es entstehen Temperaturen bis zu 2000 °C.
Schritt 1a: Kohlenstoff + Sauerstoff ![]() C + O2 ![]() Das Kohlenstoffdioxid
wird beim Aufsteigen durch den glühenden Koks zu Kohlenstoffmonooxid
reduziert. Oberhalb 900 °C liegt bei dem sogenannten Boudouard-Gleichgewicht
überwiegend Kohlenstoffmonooxid vor:
Schritt 1b: Kohlenstoffdioxid + Kohlenstoff ![]() CO2 + C ![]() Das weiter aufsteigende Kohlenstoffmonooxid reduziert das Eisenerz zu Eisen und wird dabei selbst wieder zu Kohlenstoffdioxid oxidiert: Schritt 2: Kohlenstoffmonooxid + Eisenoxid ![]() 3 CO + Fe2O3 ![]() In der nächsten
darüber liegenden Koksschicht wird das Kohlenstoffdioxid wieder nach
Schritt 1b zu Kohlenstoffmonooxid reduziert, und die Vorgänge wiederholen
sich von neuem. Beide Kohlenstoffoxide treten an der Gicht aus dem Hochofen
aus und gelangen zu den Winderhitzern. Dort wird das brennbare Kohlenstoffmonooxid
entzündet und zum Aufheizen der Luft verwendet, die wieder über
die Ringleitungen in den Hochofen hineingeführt wird.
Die restliche Gangart des
Gesteins verbindet sich mit dem zugegebenen Kalk zur Schlacke. Sie besitzt
eine geringe Dichte und schwimmt über dem flüssigen Roh-Eisen.
Dadurch wird dieses vor einer Oxidation durch den Heiß-Wind geschützt.
Schlacke und Roh-Eisen fließen abwechselnd durch ein verschließbares
Abstich-Loch in eine Rinne aus Sand. Zuerst kommt das Roh-Eisen,
später dann die Schlacke. Am Abscheider wird darüber stehende
Schlacke vom Roh-Eisen getrennt. Das noch flüssige Roh-Eisen gelangt
in große Güterzugwaggons, die Torpedo genannt werden, zum Stahlwerk. Die Schlacke
dient zur Herstellung von Schotter und Zement. Ein großer Hochofen
kann pro Tag bis zu 13000 Tonnen Roh-Eisen erzeugen. Die Betriebszeit beträgt
8 bis 15 Jahre.
Veredelung des Roh-Eisens nach dem Sauerstoffblasverfahren Roh-Eisen aus dem Hochofen
enthält bis zu 10% Verunreinigungen und besitzt einen viel
zu hohen Kohlenstoffgehalt. Außerdem ist es spröde und nicht
schmiedbar. Zu reines Eisen wäre aber wieder zu weich, daher wird
bei der Stahlherstellung nur ein Teil der Verunreinigungen entfernt.
![]() Ein riesiger Behälter,
der sogenannte Konverter, wird zu etwa 70 % mit flüssigem Roh-Eisen
und zu 30 % mit Stahlschrott gefüllt. Ein einziger Konverter kann bis
zu 400 Tonnen an Material fassen. Beim Frischen bläst man bis zu 20
Minuten lang reinen Sauerstoff auf die Schmelze. Dabei wird der Kohlenstoffgehalt
auf etwa 2 % gesenkt, wobei der Sauerstoff mit den Verunreinigungen reagiert:
![]() Phosphor + Sauerstoff ![]() Kohlenstoff + Sauerstoff ![]() Silicium + Sauerstoff ![]() Nach dem Blas-Vorgang
wird die weißglühende Schmelze von der Schlacke getrennt und
in Formen gegossen. In einem Ofen lässt man den Stahl bis zur Rotglut
abkühlen. Der rotglühende Stahl wird in einem Walzwerk in mehreren
Arbeitsgängen zu Schienen, Blechen oder Stahlträgern gewalzt.
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