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Einleitung:
Eisen ist heutzutage eines der am meisten genutzten Metalle der Welt. Leider ist der Eisengehalt in Gesteinen sehr gering, obwohl Eisen eines der häufigsten Stoffe der Erde ist. Es lohnt sich erst das Eisen aus Eisenerz zu gewinnen, wenn der Gehalt mindestens 20% beträgt. Durch den Hochofen wird es ermöglicht, Eisenerze zu Roheisen zu reduzieren und von Begleitstoffen, der sogenannten Gangart, zu trennen.
Beschreibung der Hochofenanlage:
Ein Hochofen ist ca. 30 Meter hoch, zylinderförmig und hat einen Durchmesser von 12 Metern. An den Hochofen schließt sich ein Winderhitzer an.
Die Vorbereitung zur Eisengewinnung:
Mit dem Förderband werden abwechselnd Schichten von zerkleinerten Eisenerzen + Zuschläge (Kalk oder Sand) und Koks in die obere Öffnung des Hochofens geschüttet. Mit dem Winderhitzer wird Luft auf 1300°C erhitzt und anschließend in das Innere des Hochofens gepreßt.
Vorgänge im Hochofen:
Die hinzugefügte, heiße Luft führt zur Verbrennung der untersten Koksschicht. Der im Koks enthaltene Kohlenstoff reagiert mit dem Sauerstoff zu Kohlenstoffmonoxid. Dieser Vorgang ist exotherm.
Kohlenstoff + Sauerstoff à Kohlenstoffmonoxid; exotherm
Dadurch steigt die Temperatur bis zu 1600°C an. Das Kohlenstoffmonoxid steigt in die darüberliegende Eisenerzschicht auf und wirkt gegenüber dem Eisenoxid als Reduktionsmittel.
Eisenoxid + Kohlenstoffmonoxid à Eisen + Kohlenstoffdioxid; exotherm
Das entstandene Kohlenstoffdioxid gelangt in die nächste Koksschicht und wird dort wieder zu Kohlenstoffmonoxid reduziert.
Kohlenstoffdioxid + Kohlenstoff à Kohlenstoffmonoxid; endotherm
Aus den Verunreinigungen des Eisenoxids, der Gangart, und den Zuschlägen, die zusätzlich in den Hochofen gegeben wurden, bildet sich flüssige Schlacke. Das flüssige Eisen sammelt sich im unteren Teil des Hochofens und wird von der spezifisch leichteren Schlacke vor erneuter Oxidation geschützt. Alle 4 bis 6 Stunden wird das flüssige, 1000°C heiße Roheisen, genau wie die Schlacke, abgegossen.
Das heiße Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid und Stickstoff wärmt die oberen Schichten vor und verläßt als Gichtgas den Hochofen. Das Gichtgas wird zur Reinigung in einen speziellen Konverter abgeführt und ein Teil davon als Luftzufuhr in den Winderhitzer gegeben.
Der Hochofen wird ohne Unterbrechung betrieben, das heißt, daß ständig Eisenerz + Zuschläge und Koks oben in den Hochofen nachgefüllt werden, während unten das flüssige Roheisen und die flüssige Schlacke abgegossen wird.
Eisenveredelung (Stahlherstellung):
Im Roheisen ist 4% Kohlenstoff enthalten. Es ist spröde, brüchig und schmilzt plötzlich, ohne vorher zu erweichen. Deshalb kann man mit Roheisen nicht schmieden. Durch die Verringerung dieses Kohlenstoffgehaltes auf ca. 1% entsteht Stahl, der elastischer und damit leichter zu schmieden ist als Eisen.
Für die Eisenveredelung gibt es besondere Verfahren:
Zum Einen wurde das LD - Verfahren entwickelt, wobei das flüssige Roheisen in einen Konverter gegossen wird und Sauerstoff und Schrott zur besseren Verarbeitung hinzugefügt werden.
Zusätzlich wurde das Elektrostahl - Verfahren erfunden. Zwischen zwei Graphit- Elektroden wird ein Lichtbogen erzeugt, durch dessen freiwerdende Wärme der Ofeninhalt zum Schmelzen gebracht wird.
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