Vom Erz zum Roheisen
Ausgangsstoffe für die Roheisengewinnung sind die Eisenerze, zum großen
Teil Eisenoxide, die mit Verunreinigungen vermengt sind. Kalk, Kieselsäure, Tonerde und
Phosphate machen diese Verunreinigungen, die auch Gangart genannt werden, aus. Meist
werden diese vor der Verarbeitung durch die sogenannte Aufbereitung entzogen. Magnetit
(auch Magneteisenstein) und Hämatit (auch Roteisenerz) sind als Eisenoxide von besonderer
Bedeutung, da sie einen hohen Anteil an Eisen aufweisen. Das Roheisen wird im Hochofen
gewonnen. Er besitzt im allgemeinen eine Höhe von 25 m bis 30 m und hat bei einem
Durchmesser von etwa 10 m einen Rauminhalt von 500 m3 bis 800 m3. In
einem Hochofen kann man jährlich etwa 1 Million Tonnen Eisen erzeugen. Die Beschickung
des Hochofens erfolgt über die Gicht. Zuerst gibt man eine Schicht Koks (nahezu reinen
Kohlenstoff) vor. Den Koks gewinnt man aus Steinkohle. Dann folgt eine Schicht Erz mit
Zuschlägen wie z.B. Kalk, die mit dem am Erz haftenden Gestein eine leicht schmelzbare
Schlacke bilden. Darauf kommt wieder eine Schicht Koks usw. Durch die Winddüsen wird eine
auf 1200 °C vorgewärmte Heißluft eingeblasen. Jetzt verbrennt der Koks, dabei entstehen
Temperaturen von über 2000 °C. Der Koks dient nicht nur als Brennstoff, sondern auch als
Stütze für die Beschickung und als Reduktionsmittel. Der Kohlenstoff des Kokses
verbindet sich mit dem Sauerstoff der Luft, es entsteht gasförmiges Kohlenstoffmonooxid.
Dieses reduziert Eisenoxid zu metallischem Eisen, dem Roheisen. Das hierbei gebildete
Kohlenstoffdioxid reagiert mit dem Kohlenstoff in der nächsten Kokszone wieder zu
Kohlenstoffmonooxid. Das Gichtgas enthält ca. 30% Kohlenstoffmonooxid. Das flüssige
Eisen und die Schlacke sammeln sich im unteren Teil des Hochofens und werden von dort
entnommen. Die Schlacke, die auf dem flüssigen Roheisen schwimmt, sorgt auch dafür, dass
das Eisen nicht wieder durch die heiße Luft oxidiert wird. Die Schlacke ist ein
wertvolles Nebenprodukt. Man verwendet sie vor allem beim Straßenbau und zur Herstellung
von Zement.
Aufgabe 1: Formuliere das Reaktionsschema der Reduktion von Eisenoxid mit
Kohlenstoffmonooxid.
Aufgabe 2: Aufgrund welches Eigenschaftsunterschiedes werden die Schlacke und das
Roheisen im Hochofen getrennt?
Vom Roheisen zum Stahl
Das flüssige Roheisen kann in speziellen Schienenfahrzeugen,
Torpedopfannen genannt, ohne große Wärmeverluste über größere Entfernungen zum
Stahlwerk transportiert werden. Wenn Roheisen noch einen hohen Kohlenstoffgehalt von 4%
bis 6% enthält, ist es spröde und nicht verformbar. In diesem Zustand kann man es nur
als Gusseisen verwenden. Der größte Teil des Roheisens (ca. 97%) wird jedoch zu Stahl
weiterverarbeitet. Stahl ist eine schmiedbare Legierung des Eisens mit einem
Kohlenstoffgehalt unter 1,7%. Zwei Verfahren beherrschen heute die Stahlherstellung, das
Sauerstoffaufblasverfahren im Oxygenstahlwerk und das Lichtbogenverfahren im |
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Elektrostahlwerk. Beim
Sauerstoffaufblasverfahren wird Schrott in den Konverter gegeben. Jetzt wird flüssiges
Roheisen zugeführt. Von oben wird mit einer wassergekühlten Lanze Sauerstoff auf die
Schmelze geblasen. Dadurch werden die Begleitelemente des Eisens z.T. oxidiert. Dazu
gehören im wesentlichen Kohlenstoff, Silicium, Mangan und Phosphor. Durch Zusatz von
Calciumoxid kann man die Oxide von Silicium und Phosphor in eine flüssige Schlacke
überführen, die anschließend auf der Metallschmelze schwimmt. Durch Einsatz von Schrott
aus dem eigenen Betrieb und aus dem Handel (Alt- und Sammelschrott; Autowracks usw.) spart
man Energie und Rohstoffe. Dieses Recyclingverfahren wird in der Stahlindustrie seit
Jahrzehnten angewendet. Um die Qualität des Stahls gezielt zu verbessern, werden Proben
entnommen und analysiert. Danach erfolgt kontrollierte Zudosierung von Zuschlägen (z.B.
von Chrom und Nickel), damit der Stahl die gewünschten Eigenschaften annimmt. In den
Lichtbogenofen, der im Wesentlichen aus einem feuerfesten Ofengefäß, einem Deckel,
Elektroden und einer Kippvorrichtung besteht, führt man Schrott ein. Zwischen dem Schrott
und den Graphitelektroden entsteht beim Anlegen einer Spannung ein Lichtbogen, der den
Schrott zum Schmelzen bringt. Da bei diesem Verfahren der Lichtbogen für die zum
Schmelzen notwendige Temperatur sorgt, tritt keine oxidierende Flamme auf. So kann man
teure Legierungsmetalle zusetzen und damit auch hochwertige Edelstähle erzeugen, ohne
große Verluste der teuren Beimengungen durch Oxidation hinnehmen zu müssen. Stahl und seine Eigenschaften
Stahl ist ein Werkstoff mit besonderen Eigenschaften. Er lässt sich vor
allem im erwärmten Zustand durch Schmieden, Walzen, Pressen und Ziehen verformen. So
stellt man daraus Flacherzeugnisse (Bänder und Bleche), Profilerzeugnisse (Träger,
Schienen und Drähte) und nahtlose Stahlrohre her. Stahllegierungen mit bis zu 25% Nickel
haben eine große Zähigkeit und sind sehr reißfest. Invarstahl, der sich beim Erwärmen
praktisch nicht ausdehnt, enthält ca. 36% Nickel. Zusätze von Chrom und Nickel machen
den Stahl so hart, dass man Panzerplatten, Eisenbahnräder und Achsen daraus herstellen
kann. Besonders bekannt sind der V2A-Stahl und Nirosta. Diese Chrom-Nickel-Stähle rosten
nicht. Wichtig ist auch der nachträglich aufgebrachte Rostschutz für Stähle.
Automobilkarosserien aus Stahl werden durch Eintauchen in flüssiges Zink oberflächlich
verzinkt (Feuerverzinkung) oder phosphatiert und anschließend lackiert. Hierbei bilden
Metallphosphate die Verbindung zwischen Stahl und Lack. Veredelter Stahl hat auch heute
noch wirtschaftlich eine große Zukunft.
Aufgabe 3: Wie unterscheiden sich Gusseisen
und Stahl a) in der Zusammensetzung und b) in den Eigenschaften voneinander?
Aufgabe 4: Was sind veredelte Stähle? Nenne Beispiele und Anwendungen.
Quelle: M. Tausch; M. von Wachtendonk: Chemie I; Buchner-Verlag |