Eisen und
Hochofen
Zur Geschichte
Eisen ist das erste Element der 8. Nebengruppe des Periodensystems. Der Name
ist entweder auf das urkeltische Wort "isorai" oder auf das
indogermanische Wort "eison" (glänzend) zurückzuführen. Das Elementsymbol Fe
kommt vom lat. ferrum!
Kurz einige Daten zur Geschichte der Eisengewinnung.
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ca. 1500 v. Chr.
wurde Eisenschwamm (Eisenluppe) mittels Holzkohle als Reduktionsmittel
erzeugt.
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ab 1300 n. Chr.
wurde bereits flüssiges Roheisen erzeugt und in Schmiedeeisen
umgewandelt.
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1735 gab es den
ersten mit Koks beheizten Hochofen.
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1864 wurde Stahl im
Siemens Martin Ofen erzeugt.
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ab 1950 wurde die
direkte Eisenreduktion industriell genutzt.
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1980 betrug die Welt
- Rohstahlerzeugung rund 800 Mio. T / Jahr
Eigenschaften
Fe ist ein silberweißes, glänzendes und reaktionsfreudiges Schwermetall und
tritt in 3 Modifikationen auf.
a - Eisen ist bis zum Curiepunkt (760 C°) ferromagnetisch. c - und d - Eisen
paramagnetisch.
Kohlenstoffhaltiges Eisen ist permanent magnetisierbar. Fe ist das wichtigste,
billigste und am meisten produzierte Metall. Die relative Atommasse von Eisen
beträgt 55,847. Von insgesamt 12 verschiedenen Isotopen sind 8 instabil, deren
Halbwertszeiten zwischen 75 Millisekunden (49 Fe) und 300 000 Jahren
liegen. Die elektrische Leitfähigkeit beträgt 17 % der des Kupfers.
Vorkommen
Fe steht an 4. Stelle der Elementhäufigkeit. Der Anteil in der Erdrinde beträgt
3,38 % - somit ist Fe nach Al das zweithäufigste Metall. Der Erdkern besteht
überwiegend aus Fe. Gediegenes Fe kommt nur in Meteoriten vor. Eisen -
Lagerstätten sind weit verbreitet. Von insgesamt 100 Eisenmineralien haben
jedoch nur folgende wesentliche und vor allem wirtschaftliche Bedeutung:
1.
Hämatit
(Roheisenstein) a Fe2O3 : Besitzt ein Trigonales
Kristallsystem und enthält bis zu 65 % Eisen.
Die Hauptvorkommen sind:
* USA
* Spanien
* Nordafrika
* Deutschland
2.
Magnetit
(Magneteisenstein) Fe3O4 besitzt ein kubisches
Kristallsystem und enthält 70% Fe. Die Hauptvorkommen sind
* Schweden
* Norwegen
* USA
* Nordafrika
3.
Siderit FeCo3
Dieses Mineral hat ein trigonales Kristallsystem mit bis zu 40 % Fe Gehalt.
4.
Brauneisenstein
(Nadeleisenerz) FeCo3 besitzt ein rhombisches Kristallsystem mit 62
% Eisengehalt
5.
Pyrit FeS2
hat ein kubisches Kristallsystem mit 46 % Fe Gehalt. Die größten Vorkommen gibt
es in Russland, Kanada, Australien und Indien.
Gewinnung
Im wesentlichen erfolgt die Aufbereitung durch Flotation oder
Magnetabscheidung. Das Erz wird zerkleinert. Der Grundvorgang bei der Fe -
Gewinnung ist folgender: Oxidische Eisenerze werden mit Kohlenstoff reduziert
woraus Roheisen entsteht, ein sprödes Material, das bei Erhitzen innerhalb
eines kleinen Temperaturbereichs erweicht. Die Roheisengewinnung erfolgt
vorwiegend im Hochofen - allerdings erlangen daneben Verfahren der direkten Reduktion
immer mehr Bedeutung.
Ein Hochofen ist durchschnittlich 30m hoch und hat einen kreisförmigen
Durchmesser von bis zu 10 Meter. In einem solchen Hochofen kann man bis zu 10
000 t Eisen täglich produzieren. Der Ofen ist in Form eines Doppelkegles aus
Feuerfesten Schamottsteinen gemauert. Der obere Kegel, der Schacht ruht in
einem eisernen Tragring. Der untere Kegel auch Rast genannt, wird von oben her
von der sogenannten Gicht beschickt und von unten beheizt. Der
Schachtdurchmesser muss nach unten einwachsen, da die Beschichtung durch die
steigende Temperatur expandiert, zur Rast hin verkleinert sich der Durchmesser
wieder, da die Beschickung schmilzt und folglich kontrahiert. Der Ofen wird
durch die Gicht beschickt. Dabei wechselt regelmäßig eine Schicht Koks mit
einer Schicht Eisenerz ab. Weiters werden zum Erz verschiedene Zuschläge wie
z.B.: Kalkstein, Dolomit, und Felsspat beigemengt um die Beimengung des Erzes
zu leicht schmelzenden Schlackerz zu binden. Schließlich wird die
unterste Koksschicht durch einblasen vorgewärmter Luft auf 700 - 800C° erhitzt
und dann durch sauerstoffreiche Luft entzündet, so dass Koks verbrennt.
2C + O2 ® 2CO
So erreicht die Temperatur im unteren Bereich des Hochofens ca. 1600C°. Das
heiße CO steigt in die darüberliegende Erzschicht auf und reduziert das
Eisenoxid zum Metall:
Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2
Die nächste Koksschicht setzt das CO2 wieder zu CO um
CO2 + C = 2CO
Das CO reduziert wiederum die darauf folgende Erzschicht usw. bis es in den
oberen kühleren Schichten in CO2 und Kohlenstoff geteilt wird
2CO = CO2 + C
Der Kohlenstoff reduziert das Eisenerz direkt.
Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO
bzw. löst sich teilweise im Eisen auf wodurch der Schmelzpunkt des
Eisens auf 1100 - 1200°C sinkt. Das reduzierte Eisen tropft nach unten und
sammelt sich unter der leichteren Schlacke ab, die das Eisen somit auch gegen
die oxidierende Gebläseluft schützt.
Das am Oberrand des Ofens entweichende Gichtgas das hauptsächlich aus N und CO
besteht, dient als allgemeine Energiequelle des Hüttenwerks. Das flüssige
Roheisen wird im regelmäßigen Abständen abgestochen und enthält Beimengungen
wir C, Si, Mn, etc. Das Endresultat des Hochofenprozesses ist flüssiges
Roheisen, das bei langsamer Abkühlung zu grauem Roheisen, bei schneller
Abkühlung zu weißen Roheisen wird. Die Schlacke kann zu Mörtel, oder Zement
weiter verarbeitet werden.
