Vom Roheisen zum Stahl: Hochofen (1) 05.01.2012, 09:02

Hochofen, Ausschnitt, Vorschaubild

Hochöfen sind Anlagen, in denen aus Eisenerzen durch Reduktion Roheisen gewonnen wird. Eisenerze sind in der Hauptsache Eisenoxide, also chemische Verbindungen aus Eisen mit Sauerstoff. Wie ein Hochofen funktioniert.

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Aufbau
Ein Hochofen ist eine Anlage, in der durch Reduktion aus Eisenerzen Roheisen gewonnen wird. Der Hochofen ist ein 30 bis 50 Meter hoher Schachtofen. Energieträger und gleichzeitig Reduktionsmittel für den Schmelzprozess ist überwiegend Koks. Um die Schlackebildung zu erleichtern und die Schmelztemperatur herabzusetzen, werden verschiedene Zuschlagstoffe wie Quarzsand und Kalk verwendet.

Der eigentliche Hochofen wird von einer Stahlkonstruktion, dem Gerüst, verdeckt. Das Gerüst trägt Hilfseinrichtungen wie z. B. Motoren und Pumpen, sowie begehbare Bühnen.
Der Hochofen besteht im Wesentlichen aus einem Metallmantel mit Kühleinrichtungen. Seine Wände sind aus feuerfesten Steinen aufgemauert, die neben hohen Temperaturen auch den chemischen und physikalischen Vorgängen bei der Entstehung des flüssigen Roheisens widerstehen. Seine charakteristische Form sind zwei aufeinander stehende Kegelstümpfe. Der obere Teil ist der Schacht, der untere die Rast. Die breiteste Stelle des Hochofens zwischen Schacht und Rast ist der Kohlensack. Unterhalb der Rast befindet sich das Gestell.

Die Form des Hochofens entstand nicht zufällig: Sie hängt mit den Notwendigkeiten des Produktionsprozesses zusammen. Die Einsatzstoffe wie Erz, Koks, Kalk und andere Zuschläge können sich im zunehmenden Querschnitt leicht nach unten verteilen. In der nach unten hin steigenden Temperatur des Ofens dehnen sich die Feststoffe aus; dazu kommen die Reduktionsgase. Ganz unten wird das Materialvolumen kleiner; hier reicht deshalb auch der kleiner werdende Querschnitt aus.

Befüllt wird der Hochofen von oben durch die so genannte Gicht. Sie ist so konstruiert, dass beim Befüllen des Ofens das giftige Gichtgas nicht entweichen kann. 

Abläufe im Hochofen

Während des Hochofenprozesses werden die Eisenerze reduziert. Eisenerze sind in der Hauptsache Eisenoxide, also chemische Verbindungen aus Eisen mit Sauerstoff.
Die Reduktion ist eine chemische Reaktion, bei welcher der im Erz gebundene Sauerstoff entfernt wird. Die Reduktionsmittel dafür sind der glühende Koks und das Kohlenstoffmonoxid CO, das bei der Verbrennung des Kokses entsteht.
Um überhaupt die Reduktion der Eisenerze in Gang zu bringen, müssen zunächst die dafür nötigen Reduktionsgase vorhanden sein. Sie werden im unteren Bereich des Hochofens bei der Verbrennung des im Koks enthaltenen Kohlenstoffs mit dem Sauerstoff des Heißwinds erzeugt.
Dabei wird die Heißluft von unten in den Ofen eingeblasen. Sie reagiert mit dem Koks und bildet die Gichtgase, die im Hochofen nach oben strömen. Die Einsatzstoffe Erz, Möller und Koks laufen dem Gasstrom von oben nach unten entgegen.

Reduziert werden kann auf direktem und indirektem Weg. Bei der direkten Reduktion reagiert das Eisenerz direkt mit dem Kohlenstoff aus dem Koks. 

Die indirekte Reduktion erfolgt mit Kohlenstoffmonoxid CO.
Bei Temperaturen zwischen 1200 °C und 1400 °C tropft zunächst das reduzierte, metallische Roheisen aus den Lagen der Beschickung in den Unterofen. Die Kalkschlacke folgt nach.

Das erschmolzene Roheisen und die spezifisch leichtere auf dem Roheisen schwimmend Schlacke sammeln sich im Hochofengestell. 

Der nächste Beitrag befasst sich mit der Hochofenchemie.

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Hier eine Skizze für Aufgabenblätter: