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Hochofenprozess und Stahlherstellung
Eisen ist heute das bedeutendste Gebrauchsmetall. Prinzipiell könnte man mit Hilfe der Thermitreaktion sehr schnell und effizient Roheisen 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. Eine 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.

   
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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.

   
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Der Hochofen besteht aus einem bis zu 75 Meter hohen Stahlmantel. Dieser ist mit einer 1,5 Meter dicken Schicht aus feuerfesten Steinen ausgekleidet. Der Hochofen wird oben immer abwechselnd mit einem Gemisch aus Erz und Kalk (= Möller) 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.   
     

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Hochofen in Dillingen/Saarland

  
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.
    

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Gicht des Hochofens   
  

Die über die Ringleitungen zugeblasene 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.  
   
1a) Kohlenstoff  +  Sauerstoff    Kohlenstoffdioxid
 
C  +  O2   CO2   
ΔHR = -393 kJ/mol 
  
Das Kohlenstoffdioxid wird beim Aufsteigen durch den glühenden Koks zu Kohlenstoffmonooxid reduziert. Oberhalb 900°C liegt bei dem sogenannten Boudouard-Gleichgewicht überwiegend Kohlenstoffmonooxid vor:  
  
1b) Kohlenstoffdioxid  +  Kohlenstoff 
   Kohlenstoffmonooxid 
CO2  +  C    2 CO    
ΔHR = +171 kJ/mol 
   
Das weiter aufsteigende Kohlenstoffmonooxid reduziert das Eisenerz zu Eisen und wird dabei selbst wieder zu Kohlenstoffdioxid oxidiert:   
   
2) Kohlenstoffmonooxid  +  Eisenoxid   Kohlenstoffdioxid  +  Eisen 
3 CO  +  Fe2O3    3 CO2  +  2 Fe 

   
In der nächsten darüber liegenden Koksschicht wird das Kohlenstoffdioxid wieder nach 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.

    
Hochofenprozess
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Die restliche Gangart des Gesteins verbindet sich mit dem zugegebenen Kalk zur Schlacke. Sie besitzt eine geringe Dichte und schwimmt über dem flüssigen Roheisen. Dadurch wird dieses vor einer Oxidation durch den Heißwind geschützt. Schlacke und Roheisen fließen abwechselnd durch ein verschließbares Abstichloch in eine Rinne aus Sand.   
    

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Hochofenabstich in Torpedo-Waggon
(Bild mit freundlicher Genehmigung der Dillinger Hüttenwerke)   
  

Zuerst kommt das Roheisen, später dann die Schlacke. Am Abscheider wird darüber stehende Schlacke vom Roheisen getrennt. Das noch flüssige Roheisen 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 Roheisen erzeugen. Die Betriebszeit beträgt 8 bis 15 Jahre.

     
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Veredelung des Roheisens nach dem Sauerstoffblasverfahren  
   
Roheisen aus dem Hochofen ist mit bis zu 10% an Fremdstoffen verunreinigt 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 Roheisen und zu 30% mit Stahlschrott befüllt. 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.

    
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Sauerstoffblasverfahren im Konverter
(Bild mit freundlicher Genehmigung der Dillinger Hüttenwerke)
 

  

Dabei wird der Kohlenstoffgehalt auf etwa 2% gesenkt, wobei der Sauerstoff mit den Verunreinigungen reagiert:  
   
Schwefel      +   Sauerstoff    Schwefeldioxid 
Phosphor     +   Sauerstoff    Phosphorpentoxid 
Kohlenstoff  +   Sauerstoff    Kohlenstoffdioxid 
Silicium        +   Sauerstoff    Siliciumdioxid 

   
Nach dem Blasvorgang 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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Walzstraße bei der Stahlverarbeitung
(Bild mit freundlicher Genehmigung der Dillinger Hüttenwerke)     
  
  
Weitere Informationen  
   
Hochofenmodellversuch  
Reduktion  
Oxidation  
Eisenlegierungen
 
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