Gewinnungsverfahren von Eisen und Stahl

Zur Geschichte:

Der Name Eisen ist entweder auf das urkeltische Wort "isorei" , oder auf indogermanische Wort "eison" zurückzuführen!

Das Elementsymbol Fe kommt vom lat. Und lautet ferrum!

Eisen ist das 1. Element in der 8. Nebengruppe des Periodensystems.

Daten zur Geschichte:

ca. 1500 v. Chr. wurde Eisenschwamm mittels Holzkohle als Reduktionsmittel erzeugt

Ab 1300 n. Chr. wurde bereits flüssiges Roheisen erzeugt und in Schmiedeeisen umgewandelt

1735 gab es dann den ersten mit Koks beheizten Hochofen

1864 wurde Stahl im Siemens Martin Ofen erzeugt

ab 1950 wurde die direkte Eisenreduktion industriell genutzt

1980 betrug die weltweite Rohstahlerzeugung ca. 800 Mio. Tonnen pro Jahr

Eigenschaften:

Eisen ist ein reaktionsfreudiges Schwermetall ,was in 3 Modifikationen auftritt !Seine Farbe beschränkt sich auf silberweiß und glänzend. Kohlestoffhaltiges Eisen ist permanent magnetisch. Fe ist der wichtigste ,billigste und das am meisten produzierte Metall.

Die relative Atommasse des Eisens beträgt 55,847 .Von insgesamt 12 verschiedenen Isotopen sind

8 instabil ,deren Halbwertzeiten zwischen 75 Millisekunden (⁴⁹Fe) und 300000 Jahren liegen .Die elektrische Leitfähigkeit beträgt 17 % des Kupfers.

Vorkommen:

In der Elementenhäufigkeit steht Fe an der vierten Stelle .Der Anteil an der Erdrinde beträgt ca. 3,38 % und somit ist Fe nach Al das zweithäufigste Metall der Erde.

Der Kern besteht überwiegend aus Fe .Gediegenes Fe kommt nur in Meteoriten vor .Fe hat sehr weit verbreitete Lagerstätten wodurch es Gebrauch sehr schnell zum Verarbeitungsplatz gebracht werden kann !

Von insgesamt 100 Eisenmineralien haben jedoch nur folgende einen wesentlichen und vom allem wirtschaftlichen Vorteil :

Hämatit (Roheisen) a Fe₂ O₃ : Besitzen ein trigonales Kristallsystem und enthalten bis zu 65% Eisen.

Die Hauptvorkommnisse sind:

USA

Spanien

Nordafrika

4. Deutschland

Magnetit (Magnesiumeisengestein) Fe₃ O₄ : besitzt ein kubisches Kristallsystem und enthält ca. 70% Fe

Die Hauptvorkommnisse sind:

Schweden

Norwegen

USA

4. Nordafrika

Siderit Fe Co₃ . Dieses Material hat ein trigonales Kristallsystem mit bis zu 40% Fe Gehalt

Brauneisenstein (Nadeleisenerz) FeCo besitzt ein rhombinisches Kristallsystem mit 62% Eisengehalt

Pyrit FeS hat ein kubisches Kristallsystem mit 46% Eisengehalt. Die größten Vorkommen gibt es in

Rußland

Kanada

Australien

Indien

! Gewinnung von Roheisen !

Am meisten wird die Methode der Flotation oder der Magnetabscheidung genutzt.

Als erstes wird das Eisenerz zerkleinert. In folgender Reihenfolge wird aus dem Erz Fe gewonnen. oxidische Eisenerze werden mit Kohlenstoff reduziert woraus Roheisen entsteht, ein sprödes Material, dass beim erhitzen innerhalb eines kleinen Temperaturbereiches erweicht. In fast allen Fällen wird Roheisen in Hochöfen gewonnen, obwohl man sagen muß, dass die verfahren mit der direkten Reduktion immer mehr an Interesse stößt .

Ein Hochofen ist durchschnittlich ca. 30m hoch und bis zu 10m breit, was sich mit einer kreisförmigen Öffnung Richtung Himmel streckt.

Diese Öfen können bis zu 10 000 Tonnen Roheisen pro Tag produzieren. Der Hochofen ist in einer Form eines Doppelkegels aus feuerfestem Material gemauert. Der obere Kegel, der Schacht ruht in einem eisernem Ring. Der untere Kegel auch Rast genannt, wird von oben her, von der sogenannten Gicht beschickt und von unten her beheizt.

Die Temperatur des Ofens beträgt im unteren Bereich ca. 1600 C°

Die Verarbeitung vor Roheisen zum Stahl

Erste Methode:

Erst bei dem Abstich am Hochofen beginnt die richtige Verarbeitung vom Roheisen zum Stahl.

Das Roheisen aus dem Hochofen beträgt rund 90% Eisen ,3% bis 4% Kohlenstoff ,sowie wenige Prozent Mangan, Silicium, Phosphor und Schwefel. Die Eisenbegleiter C,P und S verleihen dem Eisen eine harte und spröde Eigenschaft. D.h. Es lässt sich nicht schmieden.

Um Stahl aus Eisen zu gewinnen, versucht man den Kohlenstoff und die anderen Eisenbegleiter zu vermindern. Es erfolgt durch verbrennen der einzelnen Stoffe. Wenn das Verbrennen erfolgreich abgeschlossen wurde, entsteht der Werkstoff Stahl. Er ist hart, zäh, hat eine hohe Festigkeit und ist schmiedebar.

Die erste Art Roheisen zum Stahl zu veredeln, ist die Methode des Sauerstoffaufblas-Verfahren.

Bei dem Sauerstoffaufblas-Verfahren wird flüssiges Roheisen in einen Konverter gefüllt und mit einigen Zuschlägen und Stahlschrott versetzt. Die Zuschläge sind z.B. Ca0, was zur Schlackebildung benötigt wird. Als nächster Schritt kommt ein wassergekühltes Rohr von oben in den Konverter gefahren und fängt an aus einem bestimmten Abstand Sauerstoff auf die Oberfläche des flüssigen Roheisens zu blasen. Der Sauerstoff reagiert heftig mit den Eisenbegleitern in der Schmelze.

Die gasförmigen Oxide ,die bei der Verbrennung entstehen ( CO₂  und SO₂ ) , sowie die freiwerdende Verbrennungswärme lassen die Schmelze kochen. Die festen Oxide (P₄O₁₀ ,MnO_{2 ,} SiO₂ ) werden in der Schlacke aufgenommen.

Dieses Verfahren mit dem Sauerstoff dauert ca. 20 Minuten. Anschließend werden noch einige Legierungselemente dazugegeben und der fertige Stahl wird in Gießpfannen gefüllt.

Im Anschluß werden noch einige Arbeiten am Stahl vorgenommen, um ihn in das Endprodukt zu bringen ( vergießen, vorwalzen und Fertigwalzen ).

Zweite Methode:

3. Die Öfen des Lichtbogenverfahrens haben bis zu 360 Tonnen Fassungsvermögen. Sie verarbeiten vor allem Schrott, der durch die Hitze eines elektrischen Lichtbogens geschmolzen wird. Das Entfernen unerwünschter Begleitstoffe erfolgt durch Zusatz von oxidischem Erz. Das Erz oxidiert die im Eisen des Schrotts enthaltenen Verunreinigungen zu den entsprechenden Oxiden. Zum Beispiel:

2 Fe₂O₃ + 3 Si 3 SiO₂+4Fe

3 C + Fe₂O₃ 2 Fe +3 CO

Die Oxide können dann in der Schlacke abgezogen werden.

Das Elektrolichtbogenverfahren wird insbesondere zur Herstellung legierter Edelstähle eingesetzt, also dann, wenn dem Stahl andere Metalle in bestimmten Massenverhältnissen zugeschmolzen werden sollen. Dieses Zuschmelzen erfolgt zum Teil im Lichtbogenofen selbst, zum Teil auch anschließend in besonderen Gießpfannen.

4. Nur ein kleiner Teil des Roheisens dient als Gusseisen, rund 95% werden zu Stahl verarbeitet.

Die größte Menge des Rohstahls ist unlegierter Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 1,5%. Er wird wegen der hohen Produktionsmengehalts "Massenstahl" bezeichnet. Bei den Edelstählen handelt es sich um legierte Stähle, die neben dem Eisen noch andere Metalle enthalten. Stähle mit relativ hohem Chromgehalt sind besonders rost -, saure- und hitzebeständig. So ist Chromnickelstahl, der etwa 18% Chrom, 8% Nickel und nur 0,2% Kohlenstoff enthält, sehr hart und rostet praktisch nicht. Er wird für Panzerplatten, aber auch als rostfreier Stahl für viele Gebrauchsgegenstände verwendet. Ein auch noch bei Rotglut sehr harter Stahl enthält 15-18% Wolfram, 2-5% Chrom und 1-3% Vanadium. Als Schnellarbeitsstahl dient er zur Herstellung schnelllaufender Werkzeuge. Nickelstähle, die außer Eisen und wenig Chrom bis zu 20% Nickel enthalten, sind außerordentlich zäh und dehnbar.

Stahl hat im Vergleich zum Gusseisen für sehr viele Anwendungen wesentlich bessere Eigenschaften. Stahl erhält man, wie wir gesehen haben, durch Entfernen der meisten Verunreinigungen, die sich im Roheisen befinden; dies erfolgt durch Oxidation. Beim veralteten Thomas und Bessemer-Verfahren erfolgte die Oxidation durch eingeblasene Luft, beim LD-Verfahren geschieht sie durch reinen Sauerstoff. Auf diese Weise werden die Elemente Silicium, Phosphor, Schwefel und Mangan fast vollständig durch Oxidation entfernt, der Kohlenstoffgehalt dagegen wird nur auf 0,6-1,5% (maximal bis 1,7%) gesenkt. So erhält man Stahl, ein Produkt mit wesentlich veränderten Eigenschaften: Stahl erweicht weit unterhalb seiner Schmelztemperatur und kann daher durch Hämmern und Pressen sehr gut bearbeitet werden.

Die für viele technische Anwendungen wichtige Härte des Stahls hängt weitgehend von seiner Behandlung ab: Durch Ausglühen und langsames Abkühlen verliert der Stahl seine Elastizität, Kohlenstoff scheidet sich aus. Rasches Abkühlen härtet den Stahl.

Für die Eigenschaften des Stahls ist also der Kohlenstoffgehalt von entscheidender Bedeutung. Das Gefüge der Eisenlegierungen kann den Kohlenstoff nämlich in verschiedener Form enthalten:

Der Kohlenstoff kann im Eisen gelöst sein (Mischkristall Austenit), er kann in Form von kleinen Graphitkristallen (z.B. Grauguss) oder aber als Zementit (Eisencarbid), Fe₃C, vorliegen. Beim Härten wird Stahl auf etwa 800°C erwärmt und anschließend rasch abgekühlt. Höherer Kohlenstoffgehalt bewirkt große Härte, verbunden mit hoher Elastizität. Der Grund liegt darin, dass durch das rasche Abkühlen der Zementit nicht zerfallen oder sich ausscheiden kann; er bleibt im Gitter des Eisens "stecken", das dadurch so verzerrt wird, dass die angegebenen Eigenschaften entstehen.

Stahl hat eine Schmelztemperatur zwischen 1350°C und 1450°C. Wird Stahl auf etwa 770°C (Rotglut) erhitzt und kühlt dann langsam ab, verliert er weitgehend seine günstigen Eigenschaften, weil unter diesen Bedingungen der gebildete Zementit sich ausscheiden bzw. zerfallen kann. Unter dem sogenannten Anlassen versteht man das Erwärmen von gehärtetem Stahl auf mittlere Temperaturen. So wird die Härte verringert, aber die Elastizität und Zähigkeit gesteigert. Liegt der Kohlenstoffgehalt unter 0,5%, ist das Produkt nicht mehr härtbar, es wird als Schmiedeeisen bezeichnet.

! Die Raffination von Kupfer !

Kupfer ist chemisch sehr stabil und ein guter elektrischer Leiter. Die Leitfähigkeit hängt von Reinheitsgrad des Kupfers ab. Um 1/3 verringert sich die Leitfähigkeit, wenn 0,07 % Arsen enthalten sind.

Rohkupfer enthält : Silber, Gold, Platin, Eisen, Blei, Zink, Zinn und Arsen.

Das Rohkupfer muss elektrisch raffinerirt werden, um den gewünschten Ausgangsstoff zu bekommen. Zur Raffination benötigt man ein in verdünnter Schwefelsäure gelöstes Kupfersulfat.

Das Elektolytkupfer bildet die Kathode. Die Anode besteht aus Rohkupfer. Die Kupfer-Ionen an der Kathode werden reduziert, dass Kupfer an der Anode oxidiert.

Durch dieses Verfahren entsteht eine geringe Zersetzungsspannung und die Anode löst sich auf. Eine geringe Spannung ist nötig, da die Konzentration an Kupfer-Ionen an der Anode größer ist als an der Kathode. Aus diesem Grund ergeben sich Unterschiede an den Elektronenpotentialen. Die geringe Spannung wird außerdem benötigt, da das Elektrodenmaterial nicht gleich ist und der elektrische Widerstand in der Lösung überwunden werden muß. Wird eine Spannung von 0,3 V angelegt, oxidieren Kupfer und die unedleren Bestandteile der Rohkupferanode und werden gelöst. Edle Metalle oxidieren nicht, sondern fallen als ungelöster Schlamm zu Boden, wenn die Anode aufgelöst wird.

Platin, Gold, und Silber werden aus diesem Schlamm gewonnen. Das Kupfer wird an dieser Anode abgeschieden. Um das Abscheiden von Arsen zu verhindern, muss der Arsengehalt des Elektrolyts klein bleiben.

Technische Daten der Gewinnung

In der Elektrolyse - Zellen sind bis zu 50 Anoden - Kathoden Paare. Diese sind in einem Abstand von ca. 4 cm nebeneinander angeordnet. Die Anoden bestehen aus einem ca. 4 cm dicken Rohkupferblock, die Kathode aus einem 4 cm. Dicken Kupferblock. Nach einem Monat ist die Anode zu 90% aufgelöst. Nach der Elektrolyse werden die Kathoden eingeschmolzen und zu Zylindern, Platten oder Barren gegossen.

Das Elektrolytkupfer kommt zur Weiterverarbeitung in den Handel. Es hat einen Gehalt von 99,98%.

Für ein kg Kupfer wird eine Energie von ca. 0,3 KW/h benötigt.

! Gewinnung von Aluminium !

1. Aufschluß des Rohstoffs Bauxit( =Sammelbezeichnung für hydroxidische Tonerdemineralien: Al₂O₃, H₂O, Fe₂ O₃, SiO₂, TiO₂; ), da sich sonst die edleren Verunreinigungen mit dem Al elektrolytisch abscheiden würden, was die Gewinnung von Reinaluminium unmöglich macht.

Trockener Aufschluß erfolgt bei SiO₂-reichen Bauxiten: Gemahlener Bauxit, calzinierte Soda ( zu Aluminiumoxid entwässertes Aluminiumhydroxid ) und gebrannter Kalk werden gemischt und in großen Drehöfen(bis zu 100m Länge) bei 1000°C geglüht. Das Sinterprodukt wird mit Wasser behandelt und daraus das unlösliche Eisenhydroxid als Rotschlamm abgetrennt, das Aluminat durch CO₂ als Al(OH)₃ ausgefällt und durch Glühen in α- Al₂O₃ umgewandelt.

Al₂O₃ + Na₂CO₃ fà 2 NaAlO₂ + CO₂

Die zurückgewonnene Soda geht in den Aufschlußprozeß zurück.

Nasser Aufschluß erfolgt bei SiO₂-armen Bauxiten nach dem Bayer-Verfahren:

Getrockneter und gemahlener Bauxit wird mit NaOH aufgeschlossen.

Dabei geht Al als Aluminat in Lösung, die Beimengungen bleiben im Rotschlamm zurück.

Durch Impfen mit Al(OH)₃ (Beschleunigung der Kristallisation) und Rühren wird das Al

als Aluminiumhydroxid ausgefällt und durch anschließendes Glühen in Drehöfen bei

1200°C in α- Al₂O₃ umgewandelt.

Al(OH)₃ + NaOH à Na[Al(OH)₄]

2 Al(OH)₃ à Al₂O₃ + 3 H₂O

Die zurückgewonnene Natronlauge geht in den Aufschlußprozess zurück.

Früher wurde der beim Aufschluß anfallende Rotschlamm auf Deponien gekippt. Inzwischen wird er teilweise zu Eisen, Farbpigmenten und Flockungsmittel weiterverarbeitet.

Für die Schmelzflußelektrolyse wird das Aluminiumoxid in einer Schmelze von Kryolith gelöst. Dadurch sinkt die Badtemperatur auf 950°C, während für reines Al₂O₃ der Schmelzpunkt bei 2045°C liegt. Die Schmelze enthält 15-20% Al₂O₃ und da ihre Dichte

2,15 g/cm³ beträgt, sedimentiert das abgeschiedene Metall(Dichte 2,7 g/cm³) und entkommt so der Rückoxidation durch den Luftsauerstoff.

2. Schmelzflußelektrolyse des reinen Al

Der Elektrolyseofen besteht aus einer mit Kohlenstoff ausgekleideten Wanne(Kathode), in die von oben Graphitelektroden als Anoden hineinragen. Der Schmelze wird in regelmäßigen Abständen Aluminiumoxid hinzugeführt, das der elektrische Strom(Stromstärken bis über 100.000 A bei 5-7 V Spannung) in Al und O₂ zerlegt. Die Stromverluste in der Schmelze heizen diese gleichzeitig auf. O₂ reagiert an den Anoden zu CO und CO₂ und entweicht. Das geschmolzene Al sammelt sich am Boden der Wanne und wird von Zeit zu Zeit abgestochen(=abgesaugt).

Der Reinheitsgrad des gewonnenen Al beträgt 99,5-99,9%.

Kathode: 4 Al³⁺ + 12 e^- à 4 Al

Anode: 3 C + 6 O^2- à 3 CO₂ m + 12 e^-

C + CO₂ à 2 CO m

Die Aluminiumherstellung ist sehr energieintensiv: Um 1t Al zu gewinnen, benötigt man 4t Bauxit, ½ t Elektrodenmaterial, 20 GJ(Gigajoule) Wärmeenergie zur Reinigung des Bauxits und 13,5 MWh elektrische Energie für die eigentliche Elektrolyse.

Das Schmelzflußelektrolyse-Verfahren schafft Umweltprobleme, da pro Tonne Al ca. 50kg Kryolith zersetzt werden(Anoden-Nebenreaktion). Dabei wird Fluor gebildet, das durch Abgasreinigungsanlagen zurückgehalten wird und in weiterer Folge mit Sodalösung umgesetzt wird. Dabei reagiert F mit H₂O zu Fluorwasserstoff HF, der mit der basischen Sodalösung Natriumfluorid bildet, welches zur Kryolithherstellung verwendet wird. Dennoch entweichen beträchtliche Mengen des pflanzenschädlichen HF in die Umwelt.

Seit 1975 wird Al auch großtechnisch durch Elektrolyse von AlCl₃ gewonnen. Vorteil: Keine Flußmittel, geringere Umweltbelastung.

3. Die Raffination des Al

Diese ist in manchen Fällen notwendig: sie erfolgt durch Dreischichten- elektrolyse: Die Zelle besteht aus einer mit Magnesitsteinen beschichteten eisernen Wanne, der Boden ist mit Kohle ausgekleidet und als Anode geschaltet. Graphitkathoden ragen von oben hinein. Das Al wird zur Erhöhung der Dichte mit Kupfer legiert und geschmolzen in den unteren Teil der Zelle eingebracht. Darüber wird eine Salzschmelze geschichtet, die spezifisch leichter als reines Al ist. Bei der Elektrolyse steigt nur das reine(>99,99%) Al zur Kathode auf, schwimmt auf der Salzschmelze und wird dort abgestochen.

Eigenschaften:

Al ist ein silbriges, dehnbares und unedles Leichtmetall mit kubisch-flächenzentrierter Gitterstruktur.

Oberhalb von 600°C nimmt es eine körnige Struktur an(Aluminium-Gries)

Es kann leicht zu Pulver(Aluminium-Bronze) gemahlen werden.

Al ist korrosionsbeständig, da es an der Oberfläche rasch eine sehr dünne, dichte, harte und durchsichtige Oxidschicht bildet, die vor weiterer Korrosion schützt, so daß Al korrosionsbeständiger ist als das viel edlere Eisen. Diese Oxidschicht läßt sich durch anodische Oxidation auf 0,02 mm verstärken(Eloxal-Verfahren = elektrolytisch oxidiertes Aluminium). Zum Löten muß diese inaktive Schutzschicht entfernt werden.

Die elektrische Leitfähigkeit ist groß, etwa 2/3 des Kupfers; Al ist auch ein guter Wärmeleiter. In wäßriger Lösung existiert vorwiegend das Kation [Al(H₂O)₆]³⁺. Die Verbindungen haben sowohl ionischen als auch kovalenten Charakter.

Quelle:                       Stahlfibel ( Buch )

Chemiebuch der Sekundarstufe 2 ( Buch )

Eisengewinnung ( Buch )

Metallraffinationen ( Buch )

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