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Die Grundstoffe zur Herstellung von Roheisen sind Eisenerz und Koks. Je nach Art der Beimengungen (Gangarten) im Eisenerz werden z. B. Kalkstein (bei kieselsäurehaltigen Beimengungen) oder Feldspat (bei kalkhaltigen Beimengungen) als sogenannte Zuschläge (s. u.) zugegeben.Die eigentliche Herstellung erfolgt in einem Hochofen). Ein typischer Hochofen besteht aus einer zylindrischen Stahlhülle mit einer feuerfesten Auskleidung wie z. B. Schamotte. Der untere Teil des Hochofens (Rast) hat mehrere Öffnungen, durch die Luft eingeblasen wird. In der Nähe des Bodens befindet sich eine weitere Öffnung, durch die das flüssige Roheisen beim Anstechen abgelassen werden kann. Darüber liegt ein weitere Öffnung für das Ablassen der Schlacke. Auf der Oberseite des Hochofens sind Öffnungen für die Abgase und zwei runde Trichter durch die der Hochofen mit Hilfe von Kränen mit Ausgangsmaterial beschickt wird.Abwechselnd folgen einer Schicht Koks (Koksgicht) eine Schicht Eisenerz mit Zuschlag (Erzgicht) usw. Die Zuschläge dienen dazu die Beimengungen im Erz während des Prozesses in leicht schmelzbare Schlacke zu überführen. So dient beispielsweise der Kalkstein im Prinzip als Flußmittel, das sich mit den nichtschmelzenden Silikaten im Erz verbindet und schmelzbares Calciumsilikat bildet. Calciumsilikate und andere Verunreinigungen bilden eine Schlacke, die auf dem geschmolzenen Metall schwimmt. Der für die Verbrennung erforderliche Sauerstoff (auch Wind genannt) wird in Winderhitzern auf etwa 800 °C vorgewärmt und mit leichtem Überdruck (mehr als 1,6 bar bzw. 160 Kilopascal) in die Mischung eingeblasen. Beim Verbrennen setzt der Koks über Kohlendioxid Kohlenmonoxid frei: (1) C + O2 Á CO2 und (2) CO2 + C Á 2CO. |
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Dadurch steigt die Temperatur im unteren Teil des Ofens auf 1 600 °C an. Das heiße Kohlenoxid gelangt in die darauffolgende Erzschicht und reduziert dort das enthaltene Eisenoxid zu metallischem Eisen. Diese chemische Reaktion kann vereinfacht durch die Gleichung Fe2O3 + 3 CO = 3 CO2 + 2 Fe beschrieben werden. In der anschließenden Koksschicht wandelt sich das Kohlendioxid in Kohlenoxid um: CO2 + C Á 2 CO. Dieses kann dann wieder als Reduktionsmittel wirken usw. In den weniger heißen, höheren Schichten zerfällt das Kohlenoxid gemäß der oben beschriebenen Gleichung (2) wieder zu Kohlendioxid und feinst verteiltem Kohlenstoff – diese Gleichgewichtsreaktion nennt man auch Boudouard-Gleichgewicht. Der gebildete feine Kohlenstoffstaub reduziert ebenfalls Eisenoxid zu Eisen. Zusätzlich löst sich dieser Kohlenstoff aber auch im flüssigen Eisen auf, wodurch der Schmelzpunkt des reduzierten Eisens auf 1 100 bis 1 200 °C absinkt (reines Eisen 1 539 °C). Das „kühlere" Metall läuft tropfenförmig durch den glühenden Koks und sammelt sich am unteren Ende des Ofens unterhalb der flüssigen Schlacke. Das Kohlenoxid-Kohlendioxid-Gemisch wärmt im oberen Ofenbereich (Gicht) die frischen Ausgangsmaterialien vor und entweicht als Gichtgas. Dieses Gas wird gereinigt und für andere industrielle Zwecke genutzt. Hochöfen arbeiten im Dauerbetrieb. Das Rohmaterial, mit dem der Ofen beschickt wird, wird in Abständen von zehn bis 15 Minuten in kleinen Mengen in den Ofen gegeben. Schlacke wird etwa alle zwei Stunden entnommen. Zur Eisenentnahme wird der Hochofen etwa fünfmal am Tag angestochen. Beim Anstechen wird ein Tonpfropfen aus dem Stichloch knapp über dem Boden des Hochofens herausgeschlagen. |
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Das geschmolzene Metall fließt über eine Tonrinne in eine mit Schamotte ausgekleideten Behälter, der beispielsweise auf einen Eisenbahnwagen montiert ist. Dieser Behälter kann bis zu 100 Tonnen Metall fassen. Die zusammen mit dem Eisen abfließende Schlacke wird abgeschöpft bevor sie den Behälter erreicht. Das Roheisen wird entweder in flüssiger Form oder in Form von gegossenen Roheisenblöcken zum Stahlwerk transportiert. Gewöhnliches Roheisen besitzt meist folgende Zusammensetzung: etwa 92 Prozent Eisen, etwa drei bis vier Prozent Kohlenstoff, sowie wechselnde Mengen Silicium (0,5 bis drei Prozent), Mangan (0,5 bis sechs Prozent), Phosphor (0,1 bis zwei Prozent) und Spuren von Schwefel (0,01 bis 0,05 Prozent).Bei langsamer Abkühlung scheidet sich der gelöste Kohlenstoff als Graphit aus dem Rohmaterial ab. Auf diese Weise erhält man sogenanntes graues Roheisen mit grauer Bruchfläche. Für diese Kohlenstoffabscheidung ist ein bestimmter Siliciumgehalt (höher als zwei Prozent) und ein bestimmter Mangananteil (weniger als 0,2 Prozent) von entscheidender Bedeutung. Bei rascher Abkühlung bildet der Hauptteil des gelösten Kohlenstoffes Eisencarbid, so daß weißes Roheisen mit weißer Bruchfläche entsteht. Hier sind ebenfalls Mangan- (höher als vier Prozent) und Siliciumgehalt (weniger als 0,5 Prozent) mitentscheidend. In diesem Falle wirkt der höhere Mangangehalt der Bildung von Graphit entgegen. Das graue siliciumhaltige Roheisen verarbeitet man vorzugsweise weiter zu Gußeisen, während das manganhaltige weiße Roheisen zur Erzeugung von Stahl dient.
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