Stoffe, Schulbuch

1 Kapitelname 7 Die Umwandlung von Stoffen durch den Menschen 94 7.7 Eisen und Stahl Eisen ist nach wie vor unser wichtigstes Metall. Der Großteil des Eisens wird als harter, aber schmiedbarer Stahl verwendet. Stahl ist Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt unter 1,7 %. Jährlich werden fast 1500 Millionen Tonnen davon erzeugt, also über 250 kg pro Kopf der Erdbevölkerung. Wir können ohne Übertreibung sagen, wir leben in der Eisenzeit. Vom Erz zum Roheisen im Hochofen Als Eisenerze dienen hauptsächlich die Oxide Hämatit ( Fe 2 O 3 ) und Magnetit ( Fe 3 O 4 ). Ein für Österreich wichtiges Eisenerz ist der Side- rit (FeCO 3 ) , der am Erzberg abgebaut wird. Dieses Erz hat zwar einen geringeren Eisengehalt, enthält aber Mangan, das für die Edelstahler- zeugung von Vorteil ist. Eisen gewinnt man aus den Erzen im Hochofen . Der Hochofen ist ein 30 bis 50 m hoher Stahlbau mit einer Ausmaue- rung aus feuerfestem Schamott. Er wird von außen mit Wasser gekühlt. Die obere Öffnung, die Gicht , ist von der Gichtglocke ver- schlossen. Dort entweicht das Gichtgas, das hauptsächlich aus Stick- stoff besteht. Es enthält etwa 30 % Kohlenstoffmonoxid und ist daher brennbar. Das Gichtgas dient zum Erhitzen der im Hochofen benötigten Luft. Ein Überschuss wird als Heizgas verwendet. Die Gichtglocke enthält eine Einrichtung, durch die man Feststoffe in den Hochofen einbringen kann. Dies nennt man Beschickung . Der Hochofen wird abwechselnd mit Möller (Erz und Zuschläge) und Koks beschickt. Da im unteren Teil des Hochofens laufend Material schmilzt oder verbrennt, rutscht die Beschickung nach und kommt so in die immer heißeren Zonen. Ab einer Temperatur von 650 °C beginnen die Redoxreaktionen. Das Erz wird durch von unten aufsteigendes Kohlenstoffmonoxid stufenweise reduziert. Dabei entsteht poröser Eisenschwamm und Kohlenstoffdioxid. Bei hoher Temperatur reagiert das Kohlenstoffdioxid in einer endothermen Reaktion mit dem Koks wieder zu Kohlenstoffmonoxid zurück. So wird in der Erzschicht Koh- lenstoffmonoxid verbraucht und in der Koksschicht wieder gebildet. Fe 2 O 3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO 2 CO 2 + C → 2 CO Der Eisenschwamm nimmt in den noch heißeren Zonen des Hoch- ofens etwa 5-6 % Kohlenstoff auf. Dadurch sinkt sein Schmelzpunkt von über 1500 °C auf etwa 1200 °C. Außerdem reagieren die Zuschläge mit dem noch im Erz vorhandenen, restlichen tauben Gestein zu einer leicht schmelzbaren Schlacke . Dadurch wird sichergestellt, dass keine Feststoffe zurückbleiben. In der Schmelz- und Verbrennungszone schmelzen Eisen und Schlacke. Der Koks verbrennt und sorgt für die notwendige hohe Temperatur. Die Verbrennung erfolgt durch das Einblasen von etwa 1000 °C heißer Luft, die man Heißwind nennt. Eisen und Schlacke rinnen in das Gestell , den untersten Teil des Hochofens. Die Schlacke schwimmt am Eisen und schützt es so vor Oxidation durch den Heißwind. Wenn sich genügend Eisen angesam- melt hat, erfolgt der Abstich . Dabei wird zuerst das Schlackenloch geöffnet. Die flüssige Schlacke wird abgelassen und verarbeitet. Man kann Schlackenwolle zur Wärmedämmung produzieren oder durch rasches Abkühlen einen porösen Stoff erzeugen, der zur Herstellung von Wärme dämmendem Beton dient. Die Schlacke wird heute voll- ständig verwertet. Danach öffnet man das Abstichloch für Eisen. Das Eisen aus dem Hoch- ofen heißt Roheisen . Es enthält ca. 5 % Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor Abb. 94.2: Schema eines Hochofens Abb. 94.3: Hochofen Foto Erzberg Möller Gicht- gas Heiß- wind Roh- eisen Schlacke Heiß- wind Schmelzzone Kohlungszone Reduktionszone Trocken- und Vorwärmzone 1200 °C 1800 °C 2000 °C 900 °C 400 °C 200 °C Koks Abb. 94.1: Der Erzberg in der Steiermark Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv