EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

138 138 Hochofen – Reduktion Eisen und Stahl Als Erze für die Eisengewinnung werden heute vor allem Magnetit und Hämatit verwendet. Siderit – das Erz des steirischen Erzberges – spielt auf Grund seines geringeren Eisengehaltes nur mehr eine untergeordnete Rolle. Die Erze werden in Hochöfen zu Eisen reduziert. Als Reduktionsmittel wird hauptsächlich Koks eingesetzt, der im Hochofen zu Kohlenmonoxid reagiert. Kohlenmonoxid ist das eigentlich wirksame Reduktionsmittel. Der Hochofen 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. Der Hochofen der VOEST in Linz – eine mittelgroße Anlage – produziert täglich 7200 t Roheisen. Der Hochofen wird aus feuerfesten Schamottsteinen gebaut. Der unterste Teil des Hochofens heißt Gestell und ist mit Grafitsteinen ausgemauert. Es ist das Auffangbecken für das flüssige Roheisen und die darauf schwimmende Schla- cke . Über dem Gestell befinden sich die Winddüsen, durch die von allen Sei- ten Wind (dh. Luft mit 900 – 1300° C) eingeblasen wird. In der Luft verbrennt der Koks stark exotherm zu Kohlenstoffmonoxid. Das Kohlenmonoxid steigt im Schacht auf und wirkt als Reduktionsmittel für das Eisenerz. Nach den Reaktio- nen (Abb. 138–2) entweicht es als Gichtgas (die obere Öffnung des Hochofens heißt Gicht) aus dem Hochofen. Es besteht zu etwa 60 % aus Stickstoff, 30 % CO und 10 % aus CO 2 . Auf Grund des CO-Gehaltes ist es brennbar. Es wird nach der Staubabscheidung in den Winderhitzern verbrannt. Beschickung des Hochofens Das vorbereitete Eisenerz wird abwechselnd mit Koks über eine Schleuse an der Gicht in den Hochofen eingefüllt. Es werden dem Erz Zuschlagstoffe wie Kalk oder Tonschiefer zugegeben. Diese dienen dazu, restliche Gangart (= taubes Ge- stein) im Hochofen in schmelzbare Schlacke umzuwandeln. 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 laufend im Schacht nach unten. Reduktion Damit dies erleichtert wird, erweitert sich der Schacht etwas. Die Feststoffe kommen dabei in immer heißere Zonen. Ab ca. 600 °C beginnt die Reduktion 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 (boudouardsches Gleichgewicht). Der Eisenschwamm nimmt bei hoher Tempe- ratur 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 Kohlenstoffaufnahme sinkt der Schmelz- punkt 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 geschützt ist. Da durch das Schmelzen von Eisen und Schlacke und durch Verbrennnen von Koks die Feststoffe rasch weniger werden, verengt sich der Hochofendurchmesser wie- der. Diesen Teil des Hochofens nennt man Rast. Hochofenreise 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 Eisen- erz, 0,3 t Zuschläge, 1,6 t Luft und 20 m 3 Kühlwasser. Als Nebenprodukte erhält man ca. 0,3 t Schlacke und 2,5 t Gichtgas. Abb. 138–3: Materialbilanz im Hochofen Abb. 138–1: Schema eines Hochofens Abb. 138–2: Chemie des Hochofenprozesses 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 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 Exkurs 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 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv