Hochofen

Ein Hochofen ist eine zumeist großtechnische Anlage in „Schachtofenbauweise“, in der Eisen durch Reduktion aus Eisenerzen (meist Oxiden) gewonnen wird. Als Energieträger und Reduktionsmittel dient überwiegend Koks und zur Schlackebildung und Senkung der Schmelztemperatur verschiedene Zuschlagstoffe wie Quarzsand, Kalk und andere.

Funktionsdarstellung eines Hochofens: (1) Wind aus den Cowpern; (2) Schmelzzone; (3) Kohlungszone; (4) Reduktionszone; (5) Trocken- und Vorwärmzone; (6) Rohstoffeinfüllung; (7) ausströmendes Gichtgas; (8) Säule aus Erz, Koks und Kalkstein; (9) Schlackeentfernung; (10) Entnahme des Roheisens; (11) Gichtgasauslass

Wikipedia ist der letzte mist . Jeder kann irgendeine scheiße hinschreiben .

Aufbau

Landschaftspark Duisburg-Nord – Komplette Hochofenanlage:
Bauteile von links nach rechts: Bunker, Windenhaus, Gichtgasleitungen und Schrägaufzug zur Beschickung, Hochofen und Abstich-Halle zwischen den Winderhitzern

Eine funktionstüchtige Hochofenanlage benötigt für einen reibungslosen Dauerbetrieb von 8 bis 10 Jahren bis zum nächsten fälligen Instandhaltungstermin mehr als nur den Hochofen selbst.

Bunker

Die meist per Bahn oder Schiff angelieferten Einsatzstoffe wie Eisenerze, Koks und Zuschläge (z.B. Kalk, Sand und Dolomit) werden zunächst in eine Bunkeranlage gebracht. Die Bunkeranlage besteht aus mehreren Bunkern, in denen die ankommenden Rohstoffe gelagert werden. Um Qualitätsunterschiede auszugleichen, werden die Materialien vorher oftmals auf so genannten Mischbetten vermischt.

Manche Rohstoffe werden bereits von den Zulieferern (unter anderem Bergwerke) vorbereitet. Teilweise muss eine vorgeschaltete Vorbereitung z.B. in einer Erzbrech-, Sinter- und Pelletieranlage für eine Aufbereitung sorgen, da die Größe der Rohstoffe weder zu klein (Verstopfungsgefahr, schlechte Durchgasung) noch zu groß (keine optimale Rohstoffausnutzung) sein darf.

Blick von oben auf de Schrägaufzug mit zwei Hunts (hängend und kippend)

Gicht

Von der Bunkeranlage aus wird das Material zur so genannten Gicht transportiert. Dies erfolgt entweder über Bandstraßen oder kleine Schüttwaggons, auch Lore oder Hunde (Hunt) genannt, abwechselnd den aus Erz und Zuschlägen bestehenden Möller sowie Koks zum Hochofen transportieren. Seit 2006 werden als Koksersatz auch Altkunststoffe zugesetzt, die neben der im Gegensatz zu Deponien umweltfreundlichen Verwertung von Kunststoffabfällen auch die Emission von CO₂ und SO₂ verringern.

Im Falle der Wagenbeschickung erfolgt die Beschickung über einen Schrägaufzug bis zur Einfüllöffnung, der Gichtschleuse oder Gichtglocke, die den oberen Abschluss des Hochofens bildet. Zur Sicherheit gibt es immer zwei Aufzugsysteme, damit beim Ausfall eines Systems die ununterbrochene Versorgung des Hochofens gewährleistet ist. Bei modernen Hochöfen werden zum Transport der Beschickung mittlerweile Förderbänder eingesetzt, die den Gichtverschluss abwechselnd mit Möller und Koks befüllen.

Gichtgas besteht zum großen Teil aus heißem Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂) sowie verschiedenen Schwefel- und Stickstoffverbindungen. Dieses tödlich-giftige, brennbare Gasgemisch wird über große Rohre abgefangen, im sogenannten Staubsack vom mitgeführten Staub befreit und dann den Brennern der Winderhitzer zugeführt.

Blick in die Gichtschleuse

Die zur Zeit am weitesten verbreitete Form der Gichtschleuse ist der „Doppelglockenverschluss“ mit einem von McKee entwickelten und zwischengeschalteten Drehtrichter zur Verteilung des Schüttguts. Zur Verringerung der Schütthöhe, die den definierten Durchmesser der Pellets gefährden könnten und bei Hochöfen mit höherem Gegendruck der Gicht sind aber auch Systeme mit drei oder vier Glocken im Einsatz.

Hochofen

Der Hochofen selbst ähnelt als „Schachtofen“ prinzipiell einem Kamin oder Schornstein, da diese Form aufgrund des entstehenden Kamineffekts eine optimale Durchgasung der Beschickung erleichtert. Je nach Leistungsfähigkeit erreicht der Hochofenkern eine Bauhöhe zwischen 30 und 75 Metern. Die oberen 2/3, der eigentliche Schacht, entspricht dabei einem langgezogenen Kegelstumpf. Daran angeschlossen folgt ein kurzer, auf dem Kopf stehender Kegelstumpf, der „Kohlensack“, der seinerseits etwa 2/3 der Resthöhe einnimmt. Den unteren Abschluss bildet die zylindrisch ausgeführte „Rast“, die ohne weiteren Absatz in das „Gestell“ übergeht. Bei einer Gesamthöhe von 30 Metern entfallen also auf den Schacht etwa 20 Meter, den Kohlensack 6 bis 7 Meter und den Rest etwa 3 bis 4 Meter.

Der gesamte Hochofenkern besteht aus einem meterdicken Mauerwerk oder aber einem zentimeterdicken Stahlpanzer und ist innen mit feuerfesten Schamotte-Steinen ausgekleidet. Gestützt und stabilisiert wird die Konstruktion mit einem Stahlgerüst, regelmäßig unterbrochen durch Arbeits- und Montagebühnen. Die Gesamthöhe der Anlage beträgt etwa 90 Meter. Der Hochofen 2 in Duisburg-Schwelgern hat eine Ofenhöhe von nahezu 75 m und einen Gestelldurchmesser von rund 15 m.

Den unteren Bereich des Hochofens schützt ein geschlossenes System aus Kühlwasserleitungen gegen Überhitzung der Ofenwände und sorgt nebenbei für eine Verlängerung der Standzeit der Ausmauerung.

Früher war das Kühlsystem offen ausgeführt, das heißt: Wasser wurde kalt in die Ofenwand geleitet und wurde dann in einem Kühlturm wieder abgekühlt. Das brachte einen großen Wasser- und Energieverlust mit sich. Die neuen Hochöfen sind mit geschlossenem Kühlkreisläufen ausgestattet. Der „schwarze Riese“ in Duisburg hat zum Beispiel fünf verschiedene Kühlkreisläufe, die alle separat in sich geschlossen sind. Wasser, das durch Temperaturschwankungen oder Verlust verloren geht, wird durch spezielles, kalkarmes Wasser mit 0,1 °dH ersetzt.

Am unteren Ende der Rast befindet sich die mit einem keramischen Stopfen verschlossene Abstichöffnung für das Roheisen. Die sich über dem flüssigen Roheisen ansammelnde Schlacke wird am oberen Ende der Rast abgelassen. Zur völligen Entleerung („Sauabstich“) bei einer bevorstehenden Neuzustellung des Hochofens ist an der tiefsten Stelle des Gestells sowie in dessen Boden je ein „Sauloch“ (auch Ofensau) angebracht.

Die Düsen der Heißwindringleitung setzen an der Grenze zwischen Kohlensack und Rast an und werden von Winderhitzern versorgt.

Winderhitzer

Einer der ersten, die Winderhitzer in rekuperativer Bauform, bei denen die benötigte Luft durch Wärmetauscher aufgeheizt wird, entwickelte und sich patentieren ließ, war James Beaumont Neilson (1792–1865). Zuvor wurden Hochöfen immer mit Kaltluft betrieben, da man im Hüttenwesen seit Alters her die Erfahrung gemacht hatte, dass ein Hochofen im Winter besser liefen als im Sommer. Entsprechend stieß Neilsen auf großen Widerstand bei dem Versuch, das neue Prinzip einzusetzen. Auch ein von den Clyde Iron Works gestatteter Versuch, bei dem ein auf 30 °C erwärmter Gebläsewind die anfallende Schlacke bereits deutlich verflüssigte, überzeugte die Arbeiter noch nicht. Neilsons recht einfach konstruierte Winderhitzer bestanden aus einem Stück gewölbeförmig gebogener Zuführungsleitung, die über ein Rostfeuer erhitzt wurde. Ein über dem Rohrgewölbe angebrachter Blechkasten hielt die Wärme eine Weile fest, um die Wärmeübertragung zu verbessern. Weitere konstruktive Verbesserungen dieser „Röhren-Winderhitzer“ durch Einsatz von wärmerbeständigeren Gusseisenrohren und Verlängerung der Heizschlangen versetzten diese in die Lage, den Gebläsewind von bis auf 315 °C heizen.

Seit Mitte des 18. Jahrhunderts wird nachgewiesenermaßen auch Gichtgas im Hüttenwesen genutzt, anfangs jedoch nur zum Rösten von Erz, Trocknen von Gussformen und brennen von Kalk und Ziegelsteinen. Erst Faber du Faur gelang es Anfang des 19. Jahrhunderts einen effektiven und stabilen „Röhren-Winderhitzer“ zu entwickeln, der mit Gichtgas beheizt wurde und die Windtemperatur auf 540 °C brachte. Damit war allerdings auch die Leistungsgrenze dieser Bauform erreicht.

Eine entscheidende Verbesserung in der Versorgung der Hochöfen mit Heißwind – inzwischen hatte man den in der erheblichen Brennstoffeinsparung begründeten Nutzen von Winderhitzern erkannt – konnte schließlich Edward Alfred Cowper für sich verbuchen, indem er die Winderhitzer nicht mehr aus einem System von Röhren sondern mit feuerfesten, luftdurchlässigen Viellochsteinen konstruierte. Die „Cowper-Winderhitzer“ brachten bereits in der ersten Entwicklungsstufe innerhalb von einer Minute 29 m³ Luft auf eine Temperatur von 650 bis 700 °C. Gemessen werden konnte die Windtemperatur zu dieser Zeit nur mit Schmelzproben verschiedener Metalle. Die bisher verwendeten Proben aus Blei (SP = 327,4 °C) und Zink (SP = 419,5 °C) konnten bei Cowpers Winderhitzern nicht mehr angewendet werden und selbst Antimon (SP = 630,6 °C) schmolz innerhalb von Sekunden. Eine weitere ebenfalls von Cowper entwickelte Neuerung war der regenerative Wechselbetrieb von zwei Winderhitzern, bei dem jeweils einer durch Gichtgasbefeuerung aufgeheizt wurde, während der andere die gespeicherte Hitze an die eingeblasene Kaltluft abgibt.

Ein moderner „Cowper-Winderhitzer“ des 20./21. Jahrhunderts besteht aus einem senkrecht stehenden Stahlrohr von bis zu 30 Metern Höhe bei einem Durchmesser von 6 bis 7 Metern. Nach innen folgt zunächst eine Schicht wärmedämmender Steine und anschließend eine Schicht aus feuerfesten Schamotte-Steinen. Der Kern besteht vollständig aus übereinander geschichteten Viellochsteinen. Nur an einer Seite zieht sich ein ebenfalls feuerfest ausgekleideter Brennschacht bis in Höhe der Kuppel, der etwa ein Viertel des Winderhitzer-Querschnitts einnimmt. Am unteren Brennschacht befinden sich die Brenndüsen und die Anschlüsse für Kaltluft und Heißluft. Üblicherweise sorgen immer drei „Cowper“ für eine reibungslose und störungsfreie Versorgung des Hochofens mit Heißluft. Während der erste aufgeheizt wird, drückt ein Radial- oder Axialgebläse Kaltluft mit einem Druck von 3 at (entspricht etwa 2,94 bar bzw. 294,2 kPa) durch den zweiten Winderhitzer. Die zuvor verwendeten Dampf- bzw. Gaskolbengebläse erwiesen sich als zu unwirtschaftlich und schlecht regelbar. Der dritte „Cowper“ dient als Reserve gegen Ausfälle und bei Wartungsarbeiten.

Heißwindringleitung und Düsen

Düse der Heißwindringleitung

Mit einer maximal erreichbaren Temperatur von 1270 °C (1980) bis 1350 °C (1985) gelangt der Heißwind über die „Heißwindringleitung“ zu den je nach Baugröße 10 bis 20 Zuführungsdüsen. Zur weiteren Verminderung des Koksverbrauches wird Öl mit eingeblasen und an der Düsenöffnung entzündet. Da der Ölpreis im Laufe der Zeit immer weiter anstieg, gab es verschiedene Versuche mit Ersatzstoffen. Bei Armco in den USA wurden über längere Zeiträume und in chinesischen Betrieben ab 1963 sogar im Dauerbetrieb Kohlenstaub als Brennstoffersatz erfolgreich eingesetzt.

Abstichhalle am Hochofen 5 im Landschaftspark Duisburg-Nord mit Abstichloch, Bohrmaschine und Stopfmaschine

Roheisen- und Schlackeabstich

In regelmäßigen Abständen von etwa 2 bis 3 Stunden erfolgt der Roheisen-Abstich, das heißt der Keramik-Stopfen an der Abstichöffnung wird mit einem Druckluft-Meißel oder einer Sauerstofflanze durchstoßen. Etwa 15 bis 20 Minuten lang fließt dann das Roheisen in der Abstichhalle durch vorgeformte Rinnen bis zu einem Loch, unter dem ein Pfannen- oder Torpedowaggon bereitsteht, das aufgefangene Eisen zur Weiterverarbeitung ins Stahl- oder Gießwerk zu transportieren.

Auch die Schlacke wird mit speziellen Waggons aufgefangen und zur Weiterverarbeitung abtransportiert.

Leistung und Verbrauch

Die besten Öfen der Welt liefern in 24 Stunden 60 Tonnen und mehr pro Quadratmeter Gestellfläche bei einem durchschnittlichen Verbrauch an Koks und Öl von etwa 503 Kilogramm. Das entspricht bei mittleren Hochöfen mit einem Gestelldurchmesser von 10 bis 11 Metern einer Tagesleistung von 5000 bis 6000 Tonnen . Große Hochöfen wie der Hochofen 5 des Hochofenbetriebes Rogesa auf dem Werksgelände der Dillinger Hütte mit einem Gestelldurchmesser von 12 Metern bringen es auf etwa 7000 Tonnen/Tag. Größere Hochöfen können bis zu 12000 Tonnen Roheisen täglich produzieren. Die Weltjahresproduktion liegt bei etwa 500 Millionen Tonnen Roheisen (Stand: 2005). Der Ende 1993 angefahrene Hochofen 2 der ThyssenKrupp Steel in Schwelgern brachte es bei einem Gestelldurchmesser von 14,9 Metern auf eine Tagesleistungen von mehr als 10.000 Tonnen Roheisen. Derart große Hochöfen haben mehrere Abstichlöcher für Roheisen. Das Roheisen wird, wenn es nicht als Gusseisen eingesetzt wird, in der Regel zu Stahl veredelt.

Um die gewünschte Standzeit, auch Ofenreise genannt, von 8 bis 10 Jahren bis zur fälligen Überholung der Hochofenauskleidung zu erreichen, müssen nicht nur Rast, sondern auch Kohlensack und der untere Schachtbereich feuerfest ausgekleidet sein. Bewährt haben sich Halbgraphit- und Siliciumcarbidsteine, die direkt- oder nitridgebunden sind, um den Alkalidämpfen des Hochofengases standzuhalten. Auch Reinsttonsteine bringen diese Widerstandsfähigkeit auf, sind jedoch von geringerer Wärmeleitfähigkeit und bewirken im Einsatz an besonders wärmebelasteten Ofenbereichen eine Koksersparnis von etwa 10 kg/t Roheisen. Einen weiteren Schutz der Hochofenauskleidung stellen die rund um die Ofenwände angebrachten Kühlsysteme, bestehend aus wassergekühlten Kupferplatten, dar.

Nach einer Ofenreise wird zumeist die komplette Auskleidung aus feuerfesten Steinen erneuert und beschädigte Stahlbauteile ersetzt. Oft werden zusätzlich auch neue Einrichtungen zur Energieeinsparung und Qualitätsverbesserung, die der Leistungssteigerung und Verringerung der Umweltbelastungen dienen, eingebaut.

Von entscheidender Wichtigkeit für die Leistungsfähigkeit eines Hochofens sind jedoch Form, Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften der Beschickung, vor allem der Erze, sowie eine möglichst gleichmäßige Korngröße. Auch das Reduktionsverhalten bei erhöhter Temperatur spielt eine Rolle, wobei ein möglichst geringer Niedrigtemperaturzerfall und eine hohe Erweichungstemperatur bei gleichzeitig geringem Temperaturbereich der Erweichungsphase angestrebt werden. Nur wenn Sinter und Pellets möglichst lange stückig und im festen Zustand verbleiben, halten sie Druckbelastung der darüber liegenden Schichten stand und können eine gute Durchgasung gewährleisten.

Die Reduzierbarkeit $\left({\frac {dR}{dt}}\right)$ des Sinters steht in Abhängigkeit zur Sinterzusammensetzung $p={\frac {CaO+MgO}{SiO_{2}}}$ und ist dabei umso besser, je basischer die Zusammensetzung ist. Das Reduzierbarkeitsmaximum wird in einem Basizitätsbereich von 2 bis 2,5 erreicht. Die mechanische Belastbarkeit ist ebenfalls in diesem Bereich am größten. Ab einer Basizität von 2,6 und höher nimmt der Anteil der Schmelzphase im Sinteranteil zu, was die Poren verschließt und die Reduktionsfähigkeit verringert, da die Reduktionsgase nicht mehr direkt an den Erzanteil gelangen. Bei sauren Sintern setzt die Erweichungsphase teilweise bereits ein, wenn erst etwa 15 % des Erzes reduziert worden sind.

Im Gegensatz zum Sinter haben Pellets eher eine saure Zusammensetzung, da aufgrund ihrer stabilen Kugelgestalt die Neigung zur Feinkornbildung und Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften geringer ist. Pellets bestehen also überwiegend aus Hämatit, verschiedenen Silicaten zur Schlackebindung und Poren. Der Anteil an Hämatit muss allerdings begrenzt bleiben, da sich das Gefüge der Pellets ansonsten im Verlauf der Reduktion zu sehr auflockern und die Pellets schließlich zu konzentriertem Staub zerfallen würden, was einen erheblichen Verlust der Druckfestigkeit zur Folge hätte. Die gleichzeitig übermäßig stattfindende Erhöhung des Pelletvolumens (Schwellen) birgt zusätzlich die Gefahr der Hochofenverstopfung in sich.

Hochofenprozess

Aufbau und Verhalten der Beschickung während der Hochofenreise

Mehrere vor allem in Japan durchgeführte Versuche, bei denen man Hochöfen mitten in der Produktion erkalten ließ („einfror“), ergaben, dass sich die Erweichungs- und Schmelzzone glockenförmig an der Mittelachse nach oben wölbt. Das Zentrum der Glocke besteht aus Koks, der in dieser 1000 bis 1600 °C heißen Zone immer noch gasdurchlässig ist. Über diese aktive Koksglocke gelangen die schmelzenden Erze und Schlacken nach innen und sinken bis in Rast und Gestell, während der eingeblasene Heißwind gleichmäßig nach außen und oben verteilt wird. Der bisher angenommene sogenannte „Tote Mann“, ein ruhender und reaktionsloser, kegelförmiger Körper aus Koks und verfestigtem Eisen, existiert also nicht.

Lediglich der Fuß dieser „kohäsiven Zone“ ist gasundurchlässig und befindet sich optimalerweise in Höhe der Rast. Er soll von der Durchgasung auch nicht betroffen sein, damit zum einen die Zustellungen (feuerfeste Auskleidung) von Kohlensack und Rast weniger angegriffen werden und zum anderen würden die dabei entstehenden Verwirbelungen des Heißwindes eine gleichmäßige Reduktion der Beschickung erschweren oder gar verhindern. Um die Durchgasung in der beschriebenen Form zu optimieren und damit den Energieverbrauch bei gleichzeitiger Steigerung der Roheisenqualität zu senken, ist eine sorgfältige Berechnung der Zonenquerschnitte sowie der eingebrachten Heißwindmenge und Zusammensetzung von großer Wichtigkeit.

Folgende weiteren Erkenntnisse wurden bei der Untersuchung an „eingefrorenen“ Hochöfen gewonnen:

• Die sich abwechselnde Beschickung mit Möller und Koks bleibt auch während der Hochofenreise bis in tiefere Schichten erhalten. Lediglich die Schichtdicken werden im Verlauf der Reduktion geringer.
• In Höhe der Blasebene finden sich statt der festen Erze nur noch Tropfen von metallischem Eisen und mit Schlacke vermischter Koks.
• 3 bis 4 Meter unter der Beschickungsebene beginnt die Reduktion mit der Folge, dass die Korngröße von Sinter, Pellets und Stückerz gleichmäßig abnimmt. Dabei tritt der Sinterzerfall bereits bei einer Temperatur von 200 bis 500 °C ein, der von Stückerz dagegen erst bei etwa 800 bis 900 °C.
• 7 Meter unter der Oberfläche ist die Reduktion so weit fortgeschritten, dass der Sinteranteil nicht weiter zerfällt. Für die anderen Möllerstoffe gilt dies jedoch nicht, da bis in eine Tiefe von 18 Metern ein immer weiter ansteigender Anteil an Feinkorn unter 5 Millimetern festgestellt wurde. Ob und an welcher Stelle im Hochofen sich Feinkorn bildet, hängt jedoch von der Temperatur und Gasstromverteilung, von der Aufheizgeschwindigkeit sowie von der Art der Beschickung ab. Beim Sinter ist der Feinkornanteil grundsätzlich höher.
• Die Reduktion verläuft in der Mitte des Hochofenquerschnitts viel rascher als im Randbereich.
• In Höhe der Gicht nimmt die Festigkeit aller Möllerstoffe zunächst stark ab und in zunehmender Tiefe wieder zu, was mit dem Fortschreiten der Reduktion und der damit verbundenen Zunahme des Eisenanteils zusammenhängt.

Reaktionsschädling Schwefel

Großen Einfluss auf die Reduktionsvorgänge haben die immer in der Beschickung vorhandenen Alkalien und der Schwefelverbindungen. Besonders nachteilig auf die ablaufenden Reduktionsvorgänge wirken jedoch vor allem die Schwefelverbindungen, die sich trotz aufwändiger Vorbehandlung von Erz und Koks nie ganz austreiben lassen. Bereits geringe Mengen von Schwefeldioxid (SO₂) von etwa 5 bis 50 ppm im Reduktionsgas beschleunigen zwar zunächst den Sauerstoffabbau erheblich. Sobald allerdings das erste metallische Eisen auftritt, kehrt sich der Vorgang um und der Sauerstoffabbau wird stark verlangsamt. Ursache für diese seltsame Reaktion ist die Eigenschaft des Schwefels, sich oberflächlich mit dem metallischen Eisen zu verbinden und dadurch die Aufnahme von Kohlenstoff zu verhindern.

Die Reaktion der Eisenoxids FeO (Wüstit) mit CO verläuft üblicherweise nicht nur über die Oberfläche des FeO sondern auch über die Oberfläche des bereits ausgeschiedenen Eisens. Aufgrund des besseren Absorptionsverhaltens von Eisen findet über selbiges ein Großteil des Gastransports von und zur Phasengrenze Eisen-Eisenoxid statt. Dies geschieht jedoch nur, wenn das Eisen ausreichend Kohlenstoff aufnehmen (aufkohlen) konnte. Wird die Aufnahme des Kohlenstoffs vom Schwefel blockiert, kann die Reduktion nur noch an der Oberfläche des Eisenoxids stattfinden.

Der Schwefel als Reaktionsschädling ist auch die Ursache für das bereits beschriebene übermäßige Schwellen der Pellets. Da die Auskristallisation des Eisens nur noch in Richtung des sich abbauenden Eisenoxids stattfinden kann, kommt es zu einer langgestreckten, faserigen Ausbildung der Eisenkristalle. Die bereits aufgrund der ersten Reduktionsstufe aufgelockerte Pelletstruktur verstärkt sich noch einmal und das Pelletvolumen kann insgesamt auf das zwei- bis dreifache seines Ursprungsvolumens anwachsen.

Um den Anteil an Schwefelverbindungen möglichst niedrig zu halten, werden zum einen sulfidische Erze durch sorgfältiges Rösten in Oxide überführt und zum anderen schwefelbindende Möller-Zuschläge eingebracht.

Chemische Reaktionen während der Reduktion

Schema zum Hochofenprozess

Um überhaupt erst eine Reduktion der Eisenerze in Gang zu bringen, müssen zunächst die dafür nötigen Reduktionsgase erzeugt werden. Dies geschieht im unteren Bereich des Hochofens bei der Verbrennung des im Koks enthaltenen Kohlenstoffs mit Sauerstoff.

Die Reaktion $\mathrm {\ C+O_{2}\longrightarrow CO_{2}}$ ist stark exotherm, das heißt es wird Wärme frei, die bei dieser Reaktion 406 kJ/gMol beträgt und den Hochofen im Bereich der Heißwind-Ringdüsen auf eine Temperatur von 1800 bis 2000 °C, bei Einsatz von zusätzlichem Sauerstoff sogar auf 2200 °C erhitzt. Zwei unmittelbar darauffolgende endotherme, also wärmeverbrauchende Reaktionen senken die Temperatur jedoch wieder auf etwa 1600 bis 1800 °C.

Die sogenannte „Boudouard-Reaktion“ $\mathrm {\ CO_{2}+C\longrightarrow 2CO}$, die allerdings eine Mindesttemperatur von 1000 C benötigt, verbraucht 161 kJ/gMol.

Eine gleichzeitig stattfindende Aufspaltung des im Heißgas befindlichen Wasserdampfs $\mathrm {\ H_{2}O+C\longrightarrow H_{2}+CO}$ benötigt nochmals 136 kJ/gMol.

Beide Gase, Kohlenmonoxid und Wasserstoff, sind reduktionsfähig und steigen entgegen dem Materialstrom im Hochofen nach oben. Aufgrund dieser Eigenschaft – absinkende Möller-Koks-Säule einerseits und aufsteigende, dem wandernden Schüttgut entgegenströmenden Reaktionsgase andererseits – wird der Hochofen auch als „Gegenstrom-Reaktor“ sowie als „Wanderbett-Reaktor“ bezeichnet.

In der Temperaturzone zwischen 400 und 900 °C findet die sogenannte „Indirekte Reduktion“ statt. Über drei Stufen reagieren die verschiedenen Eisenoxide jeweils mit Kohlenmonoxid bzw. Wasserstoff bis schließlich metallisches Eisen vorliegt:

$\mathrm {1)\ 3\ Fe_{2}O_{3}+CO\longrightarrow 2\ Fe_{3}O_{4}+CO_{2}}$

Aus Hämatit entsteht der stärker eisenhaltige Magnetit.

$\mathrm {2)\ Fe_{3}O_{4}+CO\longrightarrow 3\ FeO+CO_{2}}$

Aus Magnetit entsteht Wüstit

$\mathrm {3a)\ FeO+CO\longrightarrow Fe+CO_{2}}$  und  $\mathrm {3b)\ FeO+H_{2}\longrightarrow Fe+H_{2}O}$

Es entsteht metallisches Eisen, das sich unten im Hochofen ansammelt.

Solange sich das entstehende CO₂-Gas im Temperaturbereich von über 1000 °C aufhält, wird es durch die genannte Boudouard-Reaktion immer wieder zu CO regeneriert und steht dem Reduktionsprozess zur Verfügung. Die Reduktion durch Wasserstoff ist bei etwa 800 °C besonders effektiv. Ein Gehalt von nur 10 % H₂ im Reaktionsgas verdreifacht die Reduktionsgeschwindigkeit, allerdings sinkt diese wieder bei weiterer Erhöhung der Temperatur. Auch darf die Stückgröße des Erzes ein gewisses Maß nicht überschreiten, damit die Diffusionswege des Wasserstoffs nicht zu groß werden.

Im Temperaturbereich von 900 °C bis 1600 °C findet zusätzlich eine „Direkte Reduktion“ mit Kohlenstoff statt:

$\mathrm {1)\ 3\ Fe_{2}O_{3}+C\longrightarrow 2\ Fe_{3}O_{4}+CO}$

$\mathrm {2)\ Fe_{3}O_{4}+C\longrightarrow 3\ FeO+CO}$

$\mathrm {3)\ FeO+C\longrightarrow Fe+CO}$

Hochofenerzeugnisse

Das gewonnene Roheisen wird entsprechend seiner Zusammensetzung in zwei Arten unterteilt und unterschiedlich weiterverwendet:

• „Weißes Roheisen“ enthält neben den anderen Eisenbegleitern Kohlenstoff, Silicium, Phosphor und Schwefel auch einen großen Anteil an Mangan. Dieser bewirkt zum einen eine weiße, strahlige Bruchfläche und zum anderen eine Verbindung von Kohlenstoff und Eisen zu Eisencarbid. Weißes Roheisen dient als Ausgangsstoff zur Stahlerzeugung und wird in einem Blasstahlwerk („Stahlkocherei“) durch Einblasen von Sauerstoff von seinen unerwünschten Begleitstoffen und einem Großteil des Kohlenstoffs befreit. Diese verlassen den glutflüssigen, fertigen Stahl entweder als Gase (Schwefeldioxid, Kohlendioxid) oder mit den Zuschlägen als Schlacke (Kalcium- und Mangansilicate oder -phosphate).

  Beispiel:

  $\mathrm {\ 2\ FeO+FeSi\longrightarrow 3\ Fe+SiO_{2}}$

  Eisenoxid und siliciumhaltiges Roheisen reagieren zu Eisen (Stahl) und Siliciumdioxid.

• Beim „Grauen Roheisen“ überwiegt neben den anderen Eisenbegleitern vor allem das Silicium. Dieser bewirkt, dass sich der Kohlenstoff beim Abkühlen als Graphit ausscheidet, was sich in einer grauen Bruchfläche bemerkbar macht. Graues Roheisen dient als Ausgangsstoff zur Herstellung von Gusseisen.
• Schlacke besteht aus kieselsaurem Kalk und ist ein wertvoller Rohstoff zur Erzeugung von Hüttensand, Straßenschotter, Schlackensteine, Schlackenwolle, Portlandzement und Hochofenzement.
• Gichtgas enthält etwa 22 % Kohlenmonoxid, 22 % Kohlendioxid, 59 % Stickstoff und Wasserstoff und dient als Brennstoff nicht nur zur Erwärmung der Winderhitzer und Kokskammern, sondern auch als Heizgas bei Fernwärme-Heizungen und als Treibgas für Gasmotoren.

Siehe auch

• Liste europäischer Hochofenwerke
• Eisenwerk
• Metallurgie
• Radwerk
• Bohnerz

Literatur

• Hans Schoppa: Was der Hochöfner von seiner Arbeit wissen muss. 4. Auflage. Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf 1992, ISBN 3-514-00443-9. 
• M.A. Pawlow (М.А. ПАВЛОВ): Der Hochofenprozess. In: Metallurgie des Roheisens. Band 2. VEB Verlag Technik, Berlin 1953, ISBN Dg.-Nr. 370/40/53 (DDR)(?!) – (russisch: МЕТАЛЛУРГИЯ ЧУГУНА - ЧАСТЬ ВТОРАЯ ДОМЕННЫЙ ПРОЦЕСС. Übersetzt von Rudolf Rickert, Walter Philipp, Alexander Junge, Heinz Frahn). 
• Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Hrsg.): Der Hochofenprozess – Das kinetisch-dynamische Simulationsmodell. Bericht über eine Gemeinschaftsarbeit mit Beiträgen der Vortragstagung „Mathematische Modelle des Hochofenprozesses“ am 2. und 3. Dezember 1971 in Düsseldorf. Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf 1973, ISBN 3-514-00124-3. 
• H. Dickmann: Entwicklung der Hochofen-Winderhitzung bis zur Erfindung E.A. Cowpers. In: Brohltal AG für Stein- und Tonindustrie (Hrsg.): Hundert Jahre Cowper-Winderhitzung. 
• Teil I: Eisenerzeugung. Berichte, gehalten im Kontaktstudium „Metallurgie des Eisens“. In: F. Oeters, R. Steffen (Hrsg.): Metallurgie. Band 2. Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf 1982, ISBN 3-514-00260-6. 
• Otto Johannsen (im Auftrag des Vereins Deutscher Eisenhüttenleute): Geschichte des Eisens. 3. Auflage. Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf 1953. 

Weblinks

Commons: Hochofen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Hochofen – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Bilder zu allen Verfahren der Eisen- und Stahlherstellung und zur Weiterverarbeitung
• Vom Eisenerz zum Roheisen: Der Hochofen – Aufbau
• Hochofenmuseum Radwerk IV in Vordernberg
• Die technische Entwichlung der japanischen Stahlindustrie