Elemente und Moleküle, Schulbuch

102 Eisen und Stahl Eisenerze • Hochofen • Koks • CO • Roheisen • Schlacke • Gichtgas • Winderhitzer • Zuschläge • Corex-Verfahren • LD-Verfahren • Elektrostahl- Verfahren • Stahlhärtung • Edelstahl Als Erze für die Eisengewinnung werden heute vor allem Magnetit und Hämatit ver- wendet. Limonit und Siderit – das Erz des steirischen Erzberges – spielen auf Grund ihres geringeren Eisengehaltes nur mehr eine untergeordnete Rolle (Abb. 102.2). Die Erze werden in Hochöfen zu Eisen reduziert. Als Reduktionsmittel wird hauptsäch - lich Koks eingesetzt, der im Hochofen aber zu Kohlenstoffmonoxid reagiert. Kohlen- stoffmonoxid ist das eigentlich wirksame Reduktionsmittel. Hochöfen sind Schachtöfen mit 25–40 m Höhe und bis zu 15 m Durchmesser. Mit allen Aufbauten wie Aufzügen erreichen sie Höhen von über 60 m. Der Trend geht hier zu immer größeren Einheiten. Heute sind Anlagen mit 5000 m 3 Nutzraum und Produktionen von 12 000 t Roheisen pro Tag in Betrieb. Der Hochofen der VOEST in Linz – eine mittelgroße Anlage – pro- duziert täglich 5 500 t Roheisen. Der Hochofen wird aus feuerfesten Schamottsteinen gebaut. Die Wände sind bis 1,5 m dick und von einem Stahlmantel umgeben. In den heißen, unteren Teilen sind Wasserkühler aus Eisen eingebaut. Der unterste Teil des Hochofens heißt Gestell und ist mit Grafitsteinen ausgemauert. Hier sammeln sich die flüssigen Produkte Roheisen und die darauf schwimmende Schlacke an. Bei den wiederverschließbaren Abstichlöchern werden sie etwa alle zwei Stunden abgelassen. Schlacke kann auch kontinuierlich abgelassen werden. Über dem Gestell befinden sich die Winddüsen, durch die von allen Seiten Wind (dh. Luft mit 900–1300 °C) eingeblasen wird. In der Luft verbrennt der Koks stark exo - therm zu Kohlenstoffmonoxid. Die Temperatur in dieser Zone beträgt zwischen 1500 und 2000 °C. Kohlenstoffdioxid kann auf Grund des Boudouard´schen Gleichgewich - tes nicht entstehen, da es der überschüssige Koks bei so hoher Temperatur sofort zu Kohlenstoffmonoxid reduziert. C + CO 2 2 CO ∆ H = + 172,5 kJ Das Kohlenstoffmonoxid steigt im Schacht auf und wirkt als Reduktionsmittel für das Eisenerz. Nach den Reaktionen (Abb. 103.3) entweicht es als Gichtgas (die obe - re Öffnung des Hochofens nennt man Gicht ) aus dem Hochofen. Es besteht aus etwa 60 % Stickstoff, 30 % Kohlenstoffmonoxid und 10 % Kohlenstoffdioxid. In klei - neren Mengen sind Wasserstoff, Wasserdampf und Methan enthalten. Auf Grund des Kohlenstoffmonoxidgehaltes ist es brennbar. Es wird nach der Staubabschei- dung in den Winderhitzern verbrannt. Dadurch werden die Schamottsteine der Winderhitzer aufgeheizt. Durch die heißen Steine des Winderhitzers wird anschlie- ßend Frischluft geblasen, die sich dabei aufheizt und als Heißwind in den Hochofen kommt. Es sind also mindestens zwei Winderhitzer erforderlich, die abwechselnd aufgeheizt und abgekühlt werden. (Abb. 102.4) Das Vorheizen der Luft bewirkt, dass zum Erreichen der erforderlichen Hochofentemperatur eine geringere Menge Koks verbrannt werden muss. Überschüssiges Gichtgas wird als Heizgas im Betrieb ver- wendet. Da Koks den Hauptkostenfaktor der Eisenproduktion darstellt, wird dem Heißwind Erdgas oder Kohlestaub oder schweres Heizöl zugesetzt. Alle diese Energieträger sind billiger als Koks und bewirken eine Kostensenkung. Sie zersetzen sich im Hoch- ofen zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff, die beide als Reduktionsmittel im Hochofen wirksam sind. Das Eisenerz wird abwechselnd mit Koks über eine Schleuse an der Gicht in den Hochofen eingefüllt. Dies nennt man Beschickung des Hochofens. Vorher muss das Erz, das aus der Erzanreicherung als feines Pulver erhalten wird, stückig gemacht werden (feinpulvrige Materialien würden den Gaszug im Hochofen behindern.) Dies erfolgt durch Pelletieren oder Sintern. Beim Pelletieren wird das Erz mit Bindemit- teln im feuchten Zustand in Trommeln zu Kugeln geformt. Diese werden anschlie- ßend gebrannt. Beim Sintern wird das Erzpulver mit Koks und Kalk vermischt. Der 5 GRoSSteCHNISCHe CHeMIe Fp: 1538 °C Dichte: 7,9 g/cm 3 Härte (Mohs) : 4,0 Abb. 102.1: Eisen: Daten Abb. 102.2: Wichtige Eisenerze Eisen 55,8 26 EN 1,6 Fe Möller Koks Gicht- gas Heiß- wind Roh- eisen Schlacke Heiß- wind Rast Schacht Gestell Schmelzzone Kohlungszone Reduktionszone Trocken- und Vorwärmzone 1200 °C 1800 °C 2000 °C 900 °C 400 °C 200 °C Eisenerze Magnetit Fe 3 O 4 Hämatit Fe 2 O 3 Limonit FeO(OH) Pyrit FeS 2 Siderit FeCO 3 GICHT- GAS HEISS- WIND FRISCHLUFT ABLUFT Winderhitzer 1 Winderhitzer 2 Abb. 102.4: Wirkungsweise der Winderhitzer Abb. 102.3: Schema eines Hochofens Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv