Eisen und Stahl

Eisen und Stahl

Zur Geschichte:

Eisen ist das erste Element der 8. Nebengruppe des Periodensystems. Der Name ist entweder auf das urkeltische Wort "isorai" zurück oder auf das indogermanische Wort "eison". Das Elementsymbol Fe kommt vom lat. ferrum!

Kurz einige Daten zur Geschichte der Eisengewinnung.

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 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 - Rohstalerzeugung 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. Fe - Lagerstätten sind weit verbreitet. Von insgesamt 100 Eisenmineralien haben jedoch nur folgende wesentliche und vor allem wirtschaftliche Bedeutung:

Hämatit (Roheisenstein) a Fe₂O₃ : Besitzt ein Trigonales Kristallsystem und enthält bis zu 65 % Eisen. Die Hauptvorkommen sind:
* USA
* Spanien
* Nordafrika
* Deutschland

Magnetit (Magneteisenstein) Fe₃O₄ besitzt ein kubisches Kristallsystem und enthält 70% Fe. Die Hauptvorkommen sind
* Schweden
* Norwegen
* USA
* Nordafrika

Siderit FeCo₃ Dieses Mineral hat ein trigonales Kristallsystem mit bis zu 40 % Fe Gehalt.

Brauneisenstein (Nadeleisenerz) FeCo₃ besitzt ein rhombisches Kristallsystem mit 62 % Eisengehalt

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.

Den Hochofenproßzeß findet ihr in eurem Buch auf Seite 140

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 überliegende Erzschicht auf und reduziert das Eisenoxis zum Metall:

Fe₂O₃ + 3CO 2Fe + 3CO₂

Die nächste Koksschicht setzt das CO₂ wieder zu CO um CO₂ + C 2CO

Das CO reduziert wiederum die darauffolgende 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 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.

Geschichte: Eisen (Fe) ist das 1. Element der VIII. Gruppe des Periodensystems

Der Name stammt entweder vom urkeltischen "isorai" oder vom indogerman "eison" (glänzen)

# 1500 v. Chr. Eisenschwammerzeugung mittels Holzkohle als Reduktionsmittel

# 1300 n. Chr.: Flüssiges Roheisen

# 1735: erster Hochofen

# 1950 industrielle Nutzung der direkten Eisenreduktion

# 1980 Rohstahlerzeugung von 800 Mio. t / Jahr

Eigenschaften: Fe ist silberweißes, glänzendes, dehnbares und reaktionsfreudiges Schwermetall.

3 Modifikationen (a c d - Eisen; Der Unterschied liegt nur in der Magnetisierbarkeit)

Fe = wichtigstes, billigstes und am meisten produziertes Metall

Atommasse: 55,847

12 Isotope, davon 8 instabil

Halbwertszeiten zwischen 75 ms und 300 000 Jahren.

Elektrische Leitfähigkeit: 17% der des Kupfers

Beständig an der trockenen Luft, trockenem Cl₂ und vielen Säuren und fast allen Laugen (Ausnahme: heiße Natronlauge). Fe rostet an der feuchten Luft und lufthaltigem Wasser. Eisen bildet schuppige, durchlässige Schichten von Eisenoxidhydrat (Fe₂O₃H₂O) kann verhindert werden, indem man Eisen mit Mennige (Pb₃O₄₎ oder Zink bzw. Zinn überzieht. Rostfreie Stähle mit Chrom bzw. Nickel legiert.

Weiters ist Fe ein wichtiges Spurenelement im menschl. Körper ( 4,5 g)

Eisen ist nicht giftig !!!

Die erlaubte Eisenoxidstaubkonzentration am Arbeitsplatz beträgt 8mg/m³

Vorkommen: Eisen liegt an der 4. Stelle der Elementhäufigkeit; Anteil an der Erdrinde ca. 3,38 %. Auch der Erdkern besteht überwiegend aus Fe. Gediegenes Eisen findet man ausschließlich in Meteoriten. Von insgesamt 400 Einsenmineralien haben nur einige eine wirtschaftliche Bedeutung:

# Hämatit

# Siderit

# Magnetit

# Brauneisenstein

# Pyrit

Gesamtvorräte an Eisenerz ca. 800 Mrd. t.

Gewinnung: Die Aufbereitung erfolgt durch Flotation oder Magnetabscheidung

Grundvorgang bei der Eisen Gewinnung:

Oxidische Eisenerze werden mit Kohlenstoff reduziert.

Roheisen (C - Gehalt > 1,7%)

Weiterverarbeitung zu Stahl (C - Gehalt < 1,7%)

Allerdings erlangen Verfahren der direkten Reduktion immer mehr Bedeutungen

1. Hochofenprozeß

Hochofen in Form eines Doppelkegels gemauert - wird von oben her (Gicht) beschickt - abwechselnd Schicht Koks und Schicht Eisenerz. (mit versch. Zusätzen)

unterste Koksschicht durch Einblasen vorgewärmter Luft auf 700 - 800 Grad erhitzt entzündet

Koks verbrennt (2C + O₂ 2CO)

heißes CO steigt in darüberliegende Schichten auf und reduziert Eisenoxid zum Metall

(Fe₂O₃ + 3CO 2Fe + 3CO₂)

nächste Koksschicht setzt CO₂ wieder zu CO um (CO₂ + C 2CO

CO reduziert wiederum darauffolgende Erzschicht

Eisen tropft nach unten und sammelt sich unter der leichteren Schlacke, die das Eisen gegen die   oxidierende Gebläseluft schützt.

Gichtgase als Energiequelle genutzt.

flüssiges Roheisen in regelmäßigen Abständen abgestochen

Schlacke kann zu Mörtel, Steinen bzw. Zement weiterverarbeitet werden.