Eisenerz und Koks werden im Hochofen zu Roheisen
Um Roheisen im Hochofen herzustellen benötigt man Eisenerz und Koks. Im Eisenerz können Beimengungen enthalten sein die durch bestimmte Zuschläge entfernt werden müssen. Die Mischung von Eisenerz, Zuschlägen und gegebenenfalls auch Schrott nennt man Möller.
Der Hochofen ist meistens ein zylindrischer Schachtofen mit einer feuerfesten Auskleidung aus Schamottesteinen. In der Rast, dem unteren Teil des Hochofens, befinden sich Windöffnungen, durch die Luft (Wind) eingeblasen wird. Darunter, in der nähe des Bodens, befinden sich die Abstichöffnungen. Kurz darüber benötigt man eine weitere Öffnung für das Ablassen der Schlacke. Die Oberseite des Hochofens (Gicht) besitzt Öffnungen für die Abgase und Trichter durch die der Hochofen mit Koks und Möller beschickt wird.
Die Abgase werden Gichtgas genannt und enthalten sehr viel Stickstoff. Der Brennwert von Gichtgas ist gering, trotzdem wird es zur Beheizung von Winderhitzern und zur Energieerzeugung genutzt.
Für die Verbrennung ist Luft erforderlich die in den Winderhitzern auf etwa 800°C vorgewärmt wird und mit leichtem Überdruck (etwa 1,6bar) über die Windringleitung rundum in den Hochofen eingeblasen wird.
Zuschläge entfernen unerwünschte Beimengungen
Die Beimengungen (Gangarten) im Eisenerz müssen, durch die Zugabe von Zuschlägen, als Schlacke entfernt werden. Ist das Eisenerz kieselsäurehaltig verwendet man Kalkstein, bei kalkhaltigen Beimengungen benötigt man Feldspat.
Die Zuschläge sorgen dafür, dass die unerwünschten Beimengungen im Erz in leicht schmelzbare Schlacke überführt werden. Kalk ist einer der wichtigsten Zuschläge, er verbindet sich mit nicht schmelzenden Silikaten und bildet Kalziumsilikat. Kalziumsilikat ist leicht schmelzbar und bildet mit den anderen Verunreinigungen eine Schlacke die auf dem geschmolzenen Metall schwimmt.
Die Verbrennung von Koks reduziert das Eisenerz
Für die Funktion des Hochofens ist es wichtig, dass die Schichten von Koks und Möller immer aufeinander folgen. Dieser Aufbau wird Möllersäule genannt.
Koks besteht fast vollständig aus reinem Kohlenstoff der mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Kohlendioxid reagiert. In einer weiteren Reaktion kann das Kohlendioxid wiederum mit Kohlenstoff aus dem Koks zu Kohlenmonoxid reagieren.
- C + O2 -> CO2
- CO2+ C -> 2 CO
Im unteren Teil des Ofens steigt die Temperatur dadurch auf 1600°C. Das heiße Kohlenmonoxid steigt im Ofen auf und reduziert das in den höher liegenden Schichten enthaltene Eisenoxid zu metallischem Eisen.
- Fe2O3+ 3 CO -> 3 CO2+ 2 Fe
Das entstandene Kohlendioxid reagiert in der nächsten Koksschicht nach Reaktion 2 wieder zu Kohlenmonoxid und kann dann erneut als Reduktionsmittel wirken.
In den höheren Schichten sind die Temperaturen niedriger. Dort zerfällt das Kohlenmonoxid nach dem Chemischen Gleichgewicht (2) wieder zu Kohlendioxid und feinem Kohlenstoffstaub. Dieses Gleichgewicht zwischen Kohlendioxid und Kohlenmonoxid nennt man auch Boudouard-Gleichgewicht.
Der beim Zerfall von Kohlenmonoxid gebildete Kohlenstoffstaub ist ebenfalls in der Lage Eisenoxid zu Eisen zu reduzieren. Er löst sich allerdings auch im flüssigen Eisen auf und senkt damit den Schmelzpunkt auf 1100 bis 1200°C ab (reines Eisen: 1539°C).
Das flüssige Eisen läuft im Hochofen nach unten und sammelt sich dort unter der flüssigen Schlacke. Im Gegensatz dazu steigen die Gase weiter nach oben und wärmen im oberen Ofenbereich (Gicht) die frischen Ausgangsmaterialien vor, bevor sie als Gichtgas aus dem Hochofen entweichen.
Hochöfen arbeiten im Dauerbetrieb
Das Abschalten und Anfeuern eines Hochofens ist sehr aufwendig. Deshalb arbeiten Hochöfen im Dauerbetrieb. In Abständen von zehn bis 15 Minuten wird das Rohmaterial in kleinen Mengen von oben in den Ofen gegeben. Die Schlacke wird etwa alle zwei Stunden entnommen. Fünf Mal täglich wird der Hochofen zur Entnahme von Eisen angestochen.
Beim Anstechen wird ein Tonpfropfen aus dem Anstichloch knapp über dem Boden des Ofens herausgeschlagen. Das geschmolzene Metall fließt über eine Tonrinne in einen mit Schamottesteinen ausgekleideten Behälter. Diese, als Pfannen bezeichneten, Behälter sind häufig auf Eisenbahnwaggons montiert und fassen teilweise über 100 Tonnen flüssiges Eisen. Das Eisen kann darin in flüssiger Form relativ lange gelagert werden. Die Schlacke die mit dem Eisen zusammen abfließt wird abgeschöpft bevor sie den Behälter erreicht.
Häufig sind die Hochöfen direkt an ein Stahlwerk angeschlossen, sodass das flüssige Roheisen direkt mit der Bahn zum Stahlwerk gebracht werden kann. Teilweise werden allerdings zunächst große Roheisenblöcke gegossen die zum Stahlwerk transportiert werden.
Roheisen kann unterschiedliche Eigenschaften haben
Die Zusammensetzung von Roheisen ist immer ähnlich. Es besteht zu 92 Prozent aus Eisen, etwa drei bis vier Prozent Kohlenstoff sowie wechselnden Mengen Silizium (0,5 bis 3%), Mangan (0,5 bis 6%), Phosphor (0,1 bis 2%) und Spuren von Schwefel (0,01 bis 0,05%).
Eisen mit einem Siliziumgehalt von mehr als zwei Prozent und weniger als 0,2 Prozent Mangananteil wird bei langsamer Abkühlung zu grauem Roheisen. Graues Roheisen hat seinen Namen vom als Graphit ausgeschiedenen Kohlenstoff.
Weißes Roheisen erhält man dagegen bei rascher Abkühlung und bei höheren Mangan Anteilen von mindestens vier Prozent. Gleichzeitig sollte der Siliziumgehalt geringer als 0,5 Prozent sein. Der Kohlenstoff bildet hier, aufgrund der Abkühlgeschwindigkeit, mit dem Eisen hauptsächlich Eisencarbid (Fe3C). Der höhere Mangananteil wirkt gleichzeitig der Bildung von Graphit entgegen.
Graues, siliziumhaltiges Roheisen wird meistens zu Gusseisen weiterverarbeitet, während das manganhaltige weiße Roheisen vorzugsweise zur Erzeugung von Stahl dient.