Elemente und Moleküle, Schulbuch

103 5.7 MeTalle ERZ- Pulver Binde- mittel Zuschläge Zu Kugeln formen Brennen M Ö L L E R ERZ Koks Zuschläge Mischen Sintern M Ö L L E R Kalk Brechen 2,5 t Gichtgas 1,6 t Luft 1 t Roheisen ca. 0,3 t Schlacke 1,5 t Eisenerz 0,5 t Koks 0,3 t Zuschläge Fe 2 O 3 + CO CO 2 + 2 FeO 2 CO CO 2 + C FeO + CO CO 2 + Fe C + O 2 CO 2 2 CO CO 2 + C Koks Heißwind Abb. 103.4: Materialbilanz im Hochofen Abb. 103.3: Chemie des Hochofenprozesses Abb. 103.2: Möllerbildung durch Sintern Abb. 103.1: Möllerbildung durch Sintern Koks wird verbrannt und die Mischung sintert dabei zu einer porösen Masse. Diese wird anschließend auf die gewünschte Stückgröße zerkleinert. Außerdem werden dem Erz Zuschlagstoffe wie Kalk oder Tonschiefer zugegeben. Diese dienen dazu, restliche Gangart (= taubes Gestein) im Hochofen in schmelzbare Schlacke umzu - wandeln. Das Gemisch aus Erz und Zuschlagstoffen nennt man Möller . Da im untersten Teil des Hochofens laufend Produkte entnommen werden und Koks verbrennt, rutschen die an der Gicht eingebrachten Koks- und Möllerschichten lau- fend im Schacht nach unten. Damit dies erleichtert wird, erweitert sich der Schacht etwas. Sie kommen dabei in immer heißere Zonen. Ab ca. 600 °C beginnt die Reduk - tion durch Kohlenstoffmonoxid. Sie verläuft stufenweise und führt schließlich zu porösem metallischem Eisen (Eisenschwamm). Das Kohlenstoffmonoxid wird in der Möllerschicht verbraucht, in der nächsten Koksschicht aber rückgebildet (Boudouard´sches Gleichgewicht). Der Eisenschwamm nimmt bei hoher Temperatur ca. 5 % Kohlenstoff auf. Dies kann durch Reaktion mit Kohlenstoffmonoxid oder mit Kohlenstoff direkt geschehen. Der Kohlenstoff verbindet sich dabei mit Eisen zu Zementit Fe 3 C. Durch die Kohlenstoff- aufnahme sinkt der Schmelzpunkt des Eisens von 1535 °C auf 1100–1200 °C, sodass das Eisen zu schmelzen beginnt. Es tropft durch den glühenden Koks flüssig in das Gestell, wo es durch die Schlackeschicht vor Oxidation durch den Heißwind ge- schützt ist. Da durch das Schmelzen die Feststoffe rasch weniger werden, verengt sich der Hochofendurchmesser wieder. Diesen Teil des Hochofens nennt man Rast, die Stelle größten Durchmessers Kohlensack. Die Gangart, die bei der Erzanreicherung nicht vollständig entfernt wurde, besteht häufig aus Mineralien mit sehr hohem Schmelzpunkt. Sie würde im Hochofen zu- rückbleiben und den notwendigen Dauerbetrieb unmöglich machen. Daher wurden dem Erz Zuschläge beigegeben. Diese reagieren nun mit der Gangart zu Schlacke . Diese schmilzt – ähnlich wie das Eisen – bei ca. 1200 °C. Sie besteht hauptsächlich aus Calciumsilicaten und Calciumalumosilicaten. Ist Kalk die Gangart, so setzt man Tonschieferzuschläge zu; sind Silicate Gangart, wird Kalk zugesetzt. In der Rast, wo der Koks verbrennt, ist die Temperatur so hoch, dass als Nebenre - aktion auch schwerer reduzierbare Verbindungen, die in Erz oder Gangart als Be- gleitstoffe enthalten sind, von Koks reduziert werden. Hier entsteht aus SiO 2 Silicium, aus Manganoxid Mangan und aus Phosphaten Phosphor. Diese Elemente und Schwe- fel aus dem Koks werden vom flüssigen Eisen aufgenommen. Ein Hochofen ist etwa 10 Jahre ununterbrochen in Betrieb (Ofenreise). Danach muss die feuerfeste Innenausmauerung erneuert werden. Pro Tonne Roheisen benötigen moderne Hochöfen 0,5 t Hüttenkoks, 1,5 t Eisenerz, 0,3 t Zuschläge, 1,6 t Luft (das sind 1350 m 3 bei Zimmertemperatur) und 20 m 3 Kühlwasser. Als Nebenprodukte er- hält man ca. 0,3 t Schlacke und 2,5 t Gichtgas. Die Hochofenschlacke kann heute vollständig verwertet werden. Sie wird in flüssi- gem Zustand mit kleinen Mengen Wasser versetzt. Dieses verdampft sofort und die Schlacke erstarrt zu einem porösen, wärmedämmenden Material, dem Hüttenbims. Hüttenbims wird dem Beton statt Sand beigegeben, wodurch dieser wärmedäm- mend wird. Schlackenwolle kann aus flüssiger Schlacke erzeugt werden. Sie dient ähnlich wie Glaswolle als Wärmeisolationsmaterial. Auch die Zementindustrie ver- wertet einen Teil der Schlacke. Das Hauptprodukt des Hochofens ist Roheisen . Es enthält neben etwa 4–5 % Koh - lenstoff noch weitere Elemente wie Mangan, Silicium, Schwefel und Phosphor. Roh - eisen kann nicht direkt verwendet werden, da es durch den hohen Kohlenstoffgehalt extrem hart und spröde ist und nicht bearbeitet werden kann. Die Verarbeitung zu Gusseisen (etwas geringerer Kohlenstoffgehalt, hoher Gehalt an Silicium) spielt nur mehr eine untergeordnete Rolle. Heute wird praktisch das gesamte Roheisen zu Stahl verarbeitet. Dabei lässt man das Roheisen nicht erstarren, sondern transpor - tiert es flüssig in das Stahlwerk, wo der Kohlenstoffgehalt unter 1,7 % gesenkt wird. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv