Eisen und Hochofen

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.
 
- ca. 1500 v. Chr. wurde Eisenschwamm (Eisenluppe) mittels Holzkohle als     Reduktionsmittel erzeugt.
- ab 1300 n. Chr. wurde bereits flüssiges Roheisen erzeugt und in Schmiedeeisen     umgewandelt.
- 1735 gab es 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 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 % - 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.