Vom Roheisen zum Stahl: Hochofen (2)

Der Hochofen gleicht einer Chemiefabrik. Im folgenden Beitrag werden die chemischen Vorgänge in den einzelnen Zonen des bis zu 50 Meter hohen Ungetüms beschrieben. Mit Vorschlag für ein Arbeitsblatt.

Der Hochofen - eine Chemiefabrik 

Fortsetzung des Beitrags »Vom Roheisen zum Stahl: Hochofen (1)«. 

Anmerkung: Beim Aufstellen von chemischen Gleichungen ist zu beachten, dass links und rechts des Pfeils jeweils dieselbe Anzahl von Atomen und Molekülen steht. Beispiel: In der Reaktion Fe₂O₃ + 3 C –> 2 Fe + 3 CO findet man links 2 Atome Fe, 3 Atome O, 3 Atome C. Rechts stehen: 2 Atome Fe, 3 Atome C, 3 Atome O.
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In der Umgebung der eingeblasenen Heißluft reagiert der Kohlenstoff des Kokses mit dem Luftsauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Dabei entsteht so viel Wärme, dass sich das Roheisen verflüssigen kann:

C + O₂ –> CO₂ 

Das Kohlenstoffdioxid strömt nach oben und reagiert mit dem Koks, wobei sich nach folgender Gleichung das Reduktionsmittel Kohlenstoffmonoxid bildet:

CO₂ + C –> 2 CO

Mit zunehmender Temperatur steigt der Anteil an Kohlenstoffmonoxid im Prozessgas steil an. Er beträgt bei 700 °C etwa 50 % und bei 900 °C nahezu 100 %. Die Wirkung des Kohlenstoffmonoxids als Reduktionsmittel auf das Eisenerz wird aus der folgenden Gleichung deutlich:

Fe₂O₃ + 3 CO –> 2 Fe + 3 CO₂

Das Kohlenstoffmonoxid reagiert mit dem Eisenerz und bildet Eisen und Kohlenstoffdioxid. Dies ist eine indirekte Reduktion. Daneben läuft eine direkte Reduktion ab, bei der das Eisenerz direkt mit dem Kohlenstoff aus dem Koks reagiert:

Fe₂O₃ + 3 C –> 2 Fe + 3 CO

Die Temperatur von bis zu 1000 °C reicht nicht aus, das Eisen zu schmelzen. Das Material sinkt im Hochofen weiter nach unten. Bei Temperaturen von 1100 bis 1200 °C beginnt der Möller zu weich zu werden. Im Gestell sammeln sich das flüssige Eisen und die Schlacke. In diesem Zustand nimmt das Eisen Kohlenstoff vom Koks auf:

3 Fe + C –> Fe₃C 

In der Vorwärmzone zwischen 400 °C und 200 °C reicht die Temperatur für eine Reduktion der Eisenoxide nicht mehr aus.

Bei Temperaturen über 1200 Grad Celsius wird auch die aus der Gangart und den Zuschlägen bestehende Schlacke flüssig. Die Schlacke schwimmt auf dem spezifisch schwereren Roheisen und schützt dieses so vor einer Oxidation durch die eingeblasene Heißluft.

Der Kohlenstoff, der im flüssigen Eisen im Überschuss gelöst ist, reduziert auch oxidische Bestandteile der Schlacke, z. B. Mangan Mn, Silizium Si, Phosphor P und Schwefel S, wobei ebenfalls Kohlenstoffmonoxid frei wird. Diese vier Stoffe, auch Eisenbegleiter genannt, spielen im Roheisen und auch später im Stahl eine enorm wichtige Rolle. 

Roheisen enthält 3 bis 4 % Kohlenstoff. Es ist deshalb spröde und nicht schmiedbar. In nachfolgenden Umwandlungsverfahren wird Stahl gewonnen, der höchstens 2 % C hat. Im Kupolofen entsteht Gusseisen (Grauguss), ein für den Maschinenbau wichtiger Werkstoff.

Lexikon

Beschickung = Der Hochofen wird in regelmäßigen Zeitabständen durch die Gicht befüllt mit einem Gemisch von Erz, Koks und Zuschlägen.

Gangart = Begleitmaterialien.

Möller = Bezeichnung für das Gemenge aus Erz und Zuschlägen.

Schlacke = Hochofenschlacke; ein Nebenerzeugnis des Hochofens. Sie besteht  aus Kieselsäure, Tonerde, Kalk, Magnesia und anderem. In gebrochenem und gemahlenem Zustand dient sie zum Beispiel als Schotter im Wege- und Eisenbahnbau oder als Zuschlag bei der Beton-Herstellung.

Roheisen = Eisen aus dem Hochofen mit hohem C-Gehalt. Nach dem Aussehen des Bruchs unterscheidet man: Weißes Roheisen, dessen Kohlenstoff im Eisencarbid gebunden ist, und graues Roheisen, das den C größtenteils als Graphit enthält.

 

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Anschließend ein Vorschlag zu Fragen für ein Arbeitsblatt. 

1. Hochofen, Aufbau

a) Warum hat der Hochofen zur Mitte zu den größten Durchmesser?

b) Tragen Sie in die Skizze links die Namen der Baugruppen 1 bis 5 ein. 

c) Tragen Sie in die Skizze die 4 Temperaturzonen ein. 

 

2. Hochofen, Vorgänge bei der Roheisenerzeugung

a) Mit welchen Stoffen wird der Hochofen beschickt?

b) Wie heißt das Haupterzeugnis des Hochofens?

c) Warum kann der unter b) genannte Stoff nicht als Stahl verwendet werden? 

d) Welcher Stoff ist Energieträger und gleichzeitig Lieferant des Reduktionsmittels? 

e) Wozu benötigt man den Heißwind? 

f) Was geschieht bei der Reduktion? 

 

3. Hochofen, chemische Prozesse

a) Im Heißwind verbrennt der Koks. Dabei entsteht Kohlendioxid. Schreiben Sie bei A die Gleichung dazu.

b) In der Reduktionszone reduziert CO das Eisenoxid Fe₂O₃. Schreiben Sie bei B die Gleichung dazu.

c) Warum findet in der Vorwärmzone keine Reduktion mehr statt? 

d) Wie heißen die schädlichen (Roh)eisenbegleiter?

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