Der Hochofenprozess – Herstellung von Eisen und Stahl (Niveau Sek. I)

Metallerze als Grundlage zur Darstellung von Metallen

Wie im Kapitel  „Vorkommen von Metallen in der Natur“ und „Reindarstellung von Metallen“ erwähnt, liegen unedle Metalle wie Eisen in der Natur nicht als Reinform vor, sondern als Erze. Diese Metallerze werden mit Hilfe verschiedener Methoden zu den Metallen reduziert. So gibt es mehrere Möglichkeiten beispielsweise Eisenoxid zu Eisen zu reduzieren. Zum einem kann das Metalloxid mit einem unedleren Metall, zum anderen aber auch mit Wasserstoff oder Kohlenstoff reduziert werden.

Eisen liegt in der Natur als Eisenerz vor und muss daher zum Metall Eisen reduziert. Da Eisen bzw. Stahl in großen Mengen benötigt wird, muss das „Herstellungsverfahren“ von Eisen möglichst preiswert sein. Daher hat sich die Reduktion des Eisenoxids mit Kohlenstoff im sogenannten Hochofenprozess etabliert. Bei dem Eisen, dass aus dem Hochofenprozess gewonnen wird, handelt es sich um sogenanntes Roheisen, dass anschließend noch zu Eisenwerkstoffen bzw. Stahl veredelt wird.

Der Hochofenprozess

Im Hochofenprozess wird bei hohen Temperaturen aus (hauptsächlich) Eisenoxid und Koks (= Kohlenstoff) Eisen gewonnen. Dabei wird der Hochofen, der bis zu 50 bis 70 m hoch ist, von oben mit Eisen, Koks (Koks besteht hauptsächlich aus Kohlenstoff und wird aus Steinkohle gewonnen). und sogenannten Zuschlägen befüllt.

Das Koks (der Kohlenstoff) dient im Hochofenprozess als Reduktionsmittel um das Eisenoxid zu Eisen zu reduzieren. Die Zuschläge dienen dazu, um Verunreinigungen zu binden. Diese Zuschläge und ehemalige Verunreinigungen im Eisenerz fallen am Ende des Hochofenprozesses als sogenannte Schlacke an. Von oben nach unten nimmt die Temperatur im Hochofen zu (von 200°C bis zu 2000°C), wobei das von oben zugeführte Metalloxid den Hochofen von oben nach unten „durchläuft“, wobei vier verschiedene Temperatur bzw. Prozesszonen unterschieden werden.

Die oberste Zone bzw. Temperaturbereich im Hochofen ist die sogenannte Vorwärmezone bei einer Temperatur von ca. 200°C. Dabei wird das Eisenoxid bzw. Koks getrocknet und vorgewärmt. Feuchtigkeit (Wasser) würde den Hochofenprozess stören und das Vorwärmen sorgt für einen schnelleren Durchlauf der Stoffe in den nächsten Phasen.

Die nächste (untere) Zone bzw. Temperaturbereich ist die sogenannte Reduktionszone bei Temperaturen von 400 bis 800°C. Bei diesen Temperaturen liegt das Eisenoxid noch im festen Zustand vor. Im unteren (heißen) Bereich der Reduktionszone, bei einer Temperatur von knapp 700°C, regiert das Eisenoxid mit dem Kohlenstoffmonoxid (das aus der Kohlungszone aufsteigt) und reduziert das Eisenoxid zu Eisen. Bei diese Redoxreaktion reagiert das Kohlenstoffmonoxid mit Eisenoxid zu Eisen und Kohlenstoffdioxid

Fe2O3   +     3 CO   ->  2 Fe    +   3 CO2

(Hinweis:  in Wirklichkeit laufen hier wesentlich kompliziertere Reaktion ab, da Eisen bzw. Eisenoxid nicht nur als Eisen(III)oxid vorliegt. Im Rahmen des Chemieunterrichts wird diese Vereinfachung verwendet, um das Prinzip des Hochofenprozesses einfach darzustellen).

Die nächst (untere) Zone bzw. Temperaturbereich ist die sogenannte Kohlungszone bei Temperaturen von 1200°C bis 1600°C. In dieser Zone reagiert das Koks mit dem eingeblasenen Sauerstoff (der Sauerstoff wird in der Schmelzzone eingeblasen) zu Kohlenstoffdioxid.

Im Rahmen der Sek I gilt hier folgendes: Der Sauerstoff reagiert mit dem Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid. Da aber Kohlenstoff im Überschuß vorhanden ist, reagiert das Kohlenstoffdioxid mit weiterem Kohlenstoff zu Kohlenstoffmonoxid. Diese Reaktion wird durch die Freisetzung der Reaktionswärme durch die Reaktion von Kohlenstoff mit Sauerstoff begünstigt.

Im Rahmen der Sek II gilt hier folgendes: Zwischen Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid liegt ein (temperaturabhängiges) Gleichgewicht vor, das sogenannte Boudouard-Gleichgewicht. Bei den hohen Temperaturen (die in der Kohlungszone vorherrschen) ist das „Produkt“ Kohlenstoffmonoxid deutlich begünstig, so dass in der Kohlungszone hauptsächlich Kohlenstoffmonoxid vorliegt (durch Wärmezufuhr wird des endotherme Reaktionsprodukt begünstigt).

Die unterste Zone bzw. Temperaturbereich ist die sogenannte Schmelzzone bei Temperaturen von 2000°C bis 1400°C. In dieser Zonen werden durch die hohen Temperaturen das Eisen und restlichen Reaktionsstoffe flüssig und tropfen im Hochofen nach unten ab. Am „Boden“ des Hochofens sammelt sich das flüssige Eisen und die Schlacke in einem Gestell an. Da die Schlacke eine höhere Dichte hat, als das Metall, schwimmt die Schlacke über dem flüssigen Eisen und schützt es dadurch vor Oxidation. In dieser Zone wird auch der Luftsauerstoff eingeblasen, der aufgrund seiner Dichte und Temperatur nach oben steigen und in der Kohlungszone mit dem Koks reagiert.

Verarbeitung von Eisen nach dem Hochofenprozess

Nach dem Durchlauf durch den Hochofenprozess liegt das Eisen als sogenanntes Roheisen vor. Dieses Eisen enthält (aufgrund des Hochofenprozesses) noch einen „hohen“ Anteil an Kohlenstoff. Dieses Roheisen enthält einen Anteil von 4 bis 5% Kohlenstoff und ist daher sehr spröde. Roheisen kann daher sehr schwierig ver- und bearbeitet werden. Daher wird aus dem Eisen in einem „Werkstoff“ umgewandelt, der leicht bearbeitbar ist. Bei diesem Werkstoff handelt es sich um Stahl, Stahl ist Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von unter 2%.

Industriell verwendet man zwei Verfahren, um das Eisen weiter zu verarbeiten: Das Sauerstoff-Blasverfahren und das Elektrostahlverfahren

  • Beim Sauerstoff-Blasverfahren wird das Eisen in einen großen Reaktionsraum gegeben (einem sogenannten Konverter). In diesen Konverter wird mittels einer Lanze (einem Rohr) reiner Sauerstoff in den Reaktionsraum eingeblasen. Bei den Temperaturen, die im Konverter vorherrschen, reagiert der Sauerstoff mit dem überschüssigen Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid.
  • Beim Elektrostahlverfahren wird das Roheisen in einem großen Reaktionsraum (einer Elektrolysewanne) zusammen mit Eisenoxid gegeben. In diesen Elektrolyseraum werden Kohleelektroden eingeführt und eine hohe Spannung angelegt. Dabei bildet sich zwischen den Elektroden ein Lichtbogen aus. Die freigesetzte Wärme sorgt dafür, dass Sauerstoff mit dem überschüssigen Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid reagiert (der Sauerstoff stammt dabei nicht aus dem Luft, sondern von dem zugesetzten Eisenoxid).

Neben diesen beiden Möglichkeiten, werden je nach Bedarf verschiedene Stahlveredlungsverfahren eingesetzt.Dabei gibt man dem geschmolzenen Stahl Zusätze zu (in der Regel andere Metalle wie Nickel oder Chrom). Das Stahlveredlungsverfahren erlaubt es, über 2.000 verschiedene Stahlsorten herzustellen. Wichtige Stahlsorten sind nachfolgend aufgelistet.

  • Invarstahl – mit einem Anteil von 35% Nickel entsteht ein Stahl mit geringer Wärmeausdehnung
  • V2A-Stahl – mit einem Anteil von bis zu 18% Chrom und 14% Nickel entsteht ein sehr harter und säurebeständiger Stahl. Im Gegensatz zu anderen Stahlsorten rostet V2A-Stahl nicht.