Anorganische Chemie

Hochofenprozess

Dieser Artikel behandelt den Hochofenprozess, ein Verfahren der Metallurgie, welches der Roheisengewinnung dient. Weiterhin wird auf den Hochofen und seinen Aufbau eingegangen.

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Inhaltsübersicht

Metallurgie

Die Metallurgie bezeichnet eine Wissenschaft, die sich mit allen Verfahren zur Gewinnung und Verarbeitung von Metallen und anderen metallurgischen Elementen beschäftigt. Sie ist auch unter dem Synonym „Hüttenwesen“ bekannt.

Zuerst müssen die Erze so weit aufbereitet werden, dass sie zur Verhüttung genutzt werden können. Die Verhüttung beschreibt im Zusammenhang der Metallurgie die Umwandlung dieser aufbereiteten Erze zu rein oder legiert nutzbaren Metallen und Halbmetallen. So kannst du den gesamten Hochofenprozess auch als Verhüttungsprozess bezeichnen.

Hochofen Aufbau

Die meisten Hochöfen, auch Eisenwerk oder Hüttenwerk genannt, bestehen aus einem über 30 Meter hohen Stahlmantel. Sie sind aus einer dicken Schicht aus feuerfesten Steinen gemauert, weshalb sie von außen nur schwer beheizt werden können. Der gesamte Hochofenprozess benötigt jedoch eine konstant hohe Temperatur. Diese Temperatur wird durch Reaktionen, bei denen Wärme frei wird, bereitgestellt. Diese sogenannten exothermen Reaktionen sind essentiell für das Gelingen des Hochofenprozesses.

Der Artikel exotherme und endotherme Reaktion behandelt Unterschiede und wesentlichen Merkmale beider Reaktionen.

In die Öffnung des Hochofens musst du zwei Rohstoffe geben. Der erste Rohstoff ist das kohlenstoffhaltige Koks. Der zweite Rohstoff, der sogenannte „Möller“, ist eine Mischung aus Eisenerz und Zuschlagstoffen. So wechselt sich im Hochofenprozess jeweils eine Schicht Koks mit einer Schicht Möller ab. Im unteren Bereich des Hochofens wird ca. 1000 °C heiße Luft über mehrere Düsen eingeblasen. Durch das Aufsteigen der Luft von unten und das Absinken der zugegebenen Rohstoffe von oben entsteht ein sogenannter stofflicher Gegenstrom. Dieser sorgt für eine Durchmischung der Stoffe, wodurch schnellere und bessere Reaktionen gelingen. Am Boden der Anlage befinden sich zwei Rohre, welche die Endprodukte Schlacke und flüssiges Roheisen in Behälter zur Aufbewahrung leiten.

Hochofenprozess chemische Reaktionen

Zuerst musst du die nötige Wärme für den Prozess erzeugen. Dazu reagiert im unteren Bereich der im Koks enthaltene Kohlenstoff (C) mit dem in der zugeführten Luft enthaltenen Sauerstoff (O_2) zu Kohlenstoffdioxid (CO_2).

C+O_2 \longrightarrow CO_2

Diese Reaktion gibt eine Wärme von ca. 394,4 \frac {kJ}{mol} frei, sie wird auch als „exotherm“ bezeichnet. Dies führt zu einem Temperaturanstieg im unteren Bereich der Anlage von ca. 2000 °C. Durch die sehr hohen Temperaturen reagiert das entstandene CO_2 wieder mit dem im Koks enthaltenen Kohlenstoff und bildet das reduktionsfähige Kohlenstoffmonooxidgas (CO). Die Kohlenstoffmonooxid Reaktionsgleichung lautet:

C + CO_2 \rightleftharpoons 2CO

Diese Reaktion erfolgt endotherm und erfordert ca. 172,45 \frac {kJ}{mol} , wodurch die Temperatur des Gases auf ca. 1600 bis 1800 °C abfällt. Diese Reaktion und deren Rückreaktion kannst du durch das sogenannte Boudouard Gleichgewicht beschreiben.

Weiterhin erfolgt während des Hochofenprozesses eine endotherme Aufspaltung des im Gas enthaltenen Wasserdampfes (H_2 O) zu freiem Wasserstoff (H_2).

H_2 O + C \longrightarrow H_2 + CO

Boudouard Gleichgewicht

Die Gleichgewichtsreaktion, auch Boudouard Gleichgewicht genannt, zwischen Kohlenstoffdioxid (CO_2) und Kohlenstoffmonoxid (CO) ist nach dem französische Chemiker Ocave Leopold Boudouard benannt. Da diese Reaktion endotherm ist, verschiebt sich das Gleichgewicht bei einer Temperaturerhöhung auf die Seite der Produkte.

Dies lässt sich durch das Prinzip des kleinsten Zwanges von Le Chatelier erklären. „Wird auf ein chemisches Gleichgewicht ein äußerer ein Zwang ausgeübt (Temperaturänderung, Druckänderung oder Stoffmengenänderung) verschiebt sich das Gleichgewicht so, dass diesem Zwang entgegengewirkt wird“.

Das bedeutet, dass eine endotherme Reaktion bei einer Wärmezufuhr auch mehr Wärme verbrauchen kann. Bei einer Temperatursenkung geht das Gleichgewicht dann auf die Eduktseite.

Hochofenprozess Aufbau. Hochofen, Reduktionszone, Trockenzone, Vorwärmzone
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Hochofenprozess Aufbau

Trocken- und Vorwärmzone

Die Verbrennung des Kokses erhitzt die eingeführte Luft. Dieser Luftstrom durchströmt den Hochofen und kühlt sich oben ab. Die Temperatur des Gases kann dabei auf bis zu 200 bis 400 °C im oberen Bereich sinken. In dieser Zone, auch als Trocken- und Vorwärmzone bekannt, werden das von oben eingeführte Koks und das Eisenerz von diesem Luftstrom getrocknet und leicht erwärmt.

Sinken die Ausgangsstoffe weiter ab, gelangen sie in eine Temperaturzone von ca. 400 bis 1600 °C, der sogenannten Reduktionszone. Diese lässt sich unterteilen in die „indirekte Reduktionszone“ bei ca. 400 bis 900 °C und die „direkte Reduktionszone“ bei ca. 900 bis 1600 °C.

Indirekte Reduktionszone

In der indirekten Reduktionszone lassen sich aufgrund zu niedriger Temperaturen die Erze nicht direkt durch den Kohlenstoff zu Eisen reduzieren. Deshalb wird hier indirekt auf das Kohlenmonoxid oder den freien Wasserdampf zurückgegriffen. Die indirekte Reduktion kann in drei Stufen gegliedert werden. Dabei nimmt der Eisengehalt dauerhaft zu, bis reines Eisen entsteht. Bei der Reduktion mit Kohlenmonoxid reagiert zuerst Hämatit (Fe_2 O_3) zu dem eisenhaltigeren Magnetit (Fe_3 O_4).

3Fe_2 O_3 + CO \longrightarrow 2Fe_3 O_4 + CO_2

Das Magnetit wird weiter zu Wüstit (FeO) reduziert.

Fe_3 O_4 + CO \longrightarrow 3FeO + CO_2

Aus Wüstit entsteht dann das noch nicht geschmolzene Eisen (Fe).

FeO + CO \longrightarrow Fe + CO_2

Mit Wasserstoff reagieren die jeweiligen Eisenoxide mit einer ähnlichen Reduktionsformel:

3Fe_2 O_3 + H_2 \longrightarrow 2Fe_3 O_4 + H_2 O
Fe_3 O_4 + H_2 \longrightarrow 3FeO + H_2 O
FeO + H_2 \longrightarrow Fe + H_2 O

Direkte Reduktionszone

Es kann sein, dass sich in dem ungeschmolzenen Eisen noch nicht-reduzierte Eisenoxide befinden. Nach dem Absinken werden diese durch Reduktion bei höheren Temperaturen zuverlässig herausgelöst. Da sich die Oxide bei Temperaturen von 900 bis 1600 °C direkt durch Kohlenstoff zu Eisen reduzieren lassen, spricht man von einer „direkten Reduktion“. Sie kann ebenfalls in Zwischenstufen unterteilt werden, bei denen der Eisengehalt stetig zunimmt:

3Fe_2 O_3 + C \longrightarrow 2Fe_3 O_4 + CO
Fe_3 O_4 + C \longrightarrow 3 FeO + CO
FeO + C \longrightarrow Fe + CO

Alle drei dieser Reaktionen sind endotherm, sie benötigen also Wärme. Geliefert wird die benötigte Wärme von der stetigen, stark exothermen Verbrennung des Kokses. Auch die Begleitmaterialien des Eisens wie Mangan (Mn), Silicium (Si) und Phosphor (P) werden direkt reduziert:

MnO + C \longrightarrow Mn + CO
SiO_2 + 2C \longrightarrow Si + 2CO
P_2 O_5 + 5C \longrightarrow 2P + 5CO

Kohlungszone

In dem Temperaturbereich zwischen 900 und 1400 °C befindet sich, neben der direkten Reduktionszone, auch die sogenannte „Kohlungszone“. Hier nimmt das bereits reduzierte Eisen Kohlenstoff auf. Dieser kann entweder aus dem Koks oder aus dem Kohlenmonoxid aufgenommen werden:

3Fe + C \longrightarrow Fe_3 C
3Fe + 2CO \longrightarrow Fe_3 C +CO_2

Durch diese Aufnahme des Kohlenstoffs sinkt der Schmelzpunkt des Eisens von ca. 1538 °C auf etwa 1300 °C. Diese Senkung des Schmelzpunktes ist für die folgende Zone von großer Relevanz.

Schmelzzone

Bei Temperaturen von über 1400 °C beginnt im Hochofenprozess die sogenannte „Schmelzzone“. In dieser kann, wie der Name schon sagt, durch den herabgesenkten Schmelzpunkt, das Eisen schmelzen. Außerdem werden hier die übrigen Eisenverbindungen durch C und CO zu Eisen reduziert. Der noch vorhandene Kohlenstoff bleibt dabei in dem flüssigen Eisen noch gelöst.

Endprodukte

Der Hochofenprozess endet im optimalen Fall mit der Erzeugung von möglichst reinem Roheisen, das nicht zu viel Kohlenstoff aufgenommen hat. Außerdem sollte es auch nicht von anderen Fremdstoffen wie zum Beispiel Silizium oder Mangan verunreinigt worden sein. Meist weist es jedoch mit ca. 4% einen relativ hohen C-Anteil auf.

In den meisten Hochofenanlagen wird sogenanntes „weißes Roheisen“, auch „Stahlroheisen“ genannt, erzeugt. Dieses entsteht, wenn der in dem Eisen vorhandene Kohlenstoff in Form von Eisencarbid (Fe_3 C) gebunden ist. Das weiße Roheisen wird meist für die Stahlherstellung verwendet. Wenn der Kohlenstoff jedoch als Graphit auskristallisiert, spricht man von „grauem Roheisen“. Aus diesem werden verschiedene Gusseisensorten und Gusseisenwerkstoffe hergestellt.

Ein Nebenprodukt des Hochofenprozesses ist die „Schlacke“. Dieser kristalline Schmelzrückstand ist ein Stoffgemisch aus basischen und sauren Oxiden, die durch den Vorgang am Hochofen entstehen. Sie wird oft fein gemahlen als Komponente einiger Zementsorten verwendet.

Das zweite Nebenprodukt des Hochofenprozesses ist ein Gas mit großen Anteilen an Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Kohlenmonoxid. Dieses „Gichtgas“ steigt im Hochofen auf und wird durch Rohre neben dem Eingang abgeführt. Es dient als Brennstofflieferant, als Treibstoff und zur Befeuerung.

Verarbeitung nach dem Hochofenprozess

Die Eisengewinnung im Hochofenprozess stellt die Vorstufe zu verschiedenen Verarbeitungsverfahren dar. Da Roheisen sehr schwierig be- und verarbeitet werden kann, muss es in einen leichter zu verarbeitenden Werkstoff umgewandelt werden, dem Stahl. Die Stahlherstellung kann industriell durch zwei Verfahren realisiert werden. Ziel beider Verfahren ist es, den Kohlenstoffgehalt im Roheisen auf unter 2% zu bringen, erst dann wird es als Stahl bezeichnet.

Sauerstoffblasverfahren

Das erste Verfahren ist das Sauerstoffblasverfahren oder auch Linz-Donawitz-Verfahren. Das Eisen wird hier in einen großen Reaktionsraum (Konverter) mit einer erhöhten Temperatur gegeben. Dann wird durch ein Rohr reiner Sauerstoff in den Konverter geblasen. Der Sauerstoff reagiert zuerst mit dem Roheisen zu oxidiertem Eisen:

Fe + O_2 \longrightarrow FeO + O

Dieses Eisenoxid kann mit den Begleitelementen, die eine hohe Sauerstoffaffinität besitzen, weiter reagieren:

FeO + C \rightleftharpoons Fe + CO
5FeO + 2P \rightleftharpoons 5Fe + P_2 O_5
FeO + Mn \rightleftharpoons Fe + MnO
2FeO + S \rightleftharpoons 2Fe + SO_2
2FeO + Si \rightleftharpoons 2Fe + SiO_2

Elektrostahlverfahren

Ein weiteres Verfahren zur Stahlgewinnung ist das sogenannte Elektrostahlverfahren. Hierbei wird das Roheisen aus dem Hochofenprozess zusammen mit Eisenoxid in einen Elektrolyseraum gegeben. In diesem mit Kohleelektroden bestückten Raum wird eine hohe Spannung angelegt. Zwischen den Elektroden bildet sich ein Lichtbogen aus. Durch die dabei freigesetzte Wärme reagiert der Sauerstoff des Eisenoxides mit dem überschüssigen Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid. Dies führt dazu, dass der Kohlenstoffgehalt des Roheisens gesenkt wird.


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