Hochofen

paskal stinkt

Hochofen mit einem Teil der Nebenanlagen

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Hochofen der Dillinger Hütte

Ein Hochofen ist eine Anlage in Schachtofenbauweise, in der Eisen durch Reduktion von Eisenoxid gewonnen wird.

Diese Technologie war in China mindestens seit der Han-Dynastie (206 v. Chr. bis 220 n. Chr.) bekannt. Die frühesten sicher belegten Hochöfen in Europa standen im Schweden des 13. Jahrhunderts, zum Beispiel in Lapphyttan. Für die folgenden Jahrhunderte sind einzelne Hochöfen in Frankreich, Belgien und vor allem England nachgewiesen. In Coalbrookdale begann 1709 die Ablösung der bisher benutzten Holzkohle durch Koks.

Die älteste erhaltene Hochofenanlage in Deutschland und möglicherweise weltweit ist die Luisenhütte.

Der Hochofen wird mit zwei wesentlichen Rohstoffen von oben beschickt: dem so genannten Möller als Träger der Rohmaterialien, und dem Hochofenkoks als Energieträger und Reduktionsmittel. Als Möller [ahd. Gemisch] wird dabei das Eisenerz (meist in Form von Naturerzen oder als Abbrände vom Rösten sulfidischer oder carbonatischer Eisenerze) bezeichnet, das mit Zuschlagstoffen (z. B. Kalk, Kies und Dolomit) zur Verringerung des Schmelzpunktes der Erze und besserer Verflüssigung des Gemisches versetzt wird.

Die Rohstoffe werden mit Förderkübeln (Hunte) über einen Schrägaufzug zur Einfüllöffnung (der Gichtglocke) oben am Hochofen befördert, entleert, und über ein Doppelglockenschleusensystem ins Innere gebracht. Bei modernen Hochöfen werden an dieser Stelle mittlerweile Förderbänder eingesetzt, die zwei Materialbehälter abwechselnd mit Erzen, Zuschlagstoffen und Koks befüllen.

**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

Am Fuß des Hochofens oxidiert das aus Koks und Luftsauerstoff gebildete Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid, der dazu notwendige Sauerstoff wird dem Eisenoxid entzogen, das dadurch zu Eisen reduziert wird. Der verflüssigte Hochofeninhalt wird unten am Ofen durch eine Öffnung entnommen; diese Öffnung ist normalerweise mit einer keramischen Masse verschlossen und wird periodisch beim so genannten Abstich angebohrt. Der ausfließende Inhalt wird in der an den Ofen angrenzenden Abstichhalle über ein Rinnensystem im Boden geleitet, und von der aufgrund ihrer geringeren Dichte auf dem Roheisen schwimmende Schlacke getrennt. Die Abscheidevorrichtung wird auch Fuchs genannt, da sie so 'schlau' ist, zwischen dem Eisen und der Schlacke zu unterscheiden. Die meisten Hochöfen besitzen aber zwei Abstichvorrichtungen. Eine für die Schlacke und eine etwas tieferliegende für das flüssige Eisen. Auch hierbei wird der Dichteunterschied zur Trennung benutzt.

Die im Hochofenprozess entstehende Schlacke ist ein wertvoller Rohstoff. Sie kann nach Aufmahlen in einer Schlackenmahlanlage als Hüttenzement vielfältig eingesetzt werden.

Der Prozess im Hochofen wird mittels unten am Hochofen eingeblasener heißer Luft (dem so genannten Wind) in Gang gehalten. Dieser für den Betrieb wichtige Wind wird in Winderhitzern (Cowper) auf Temperatur gebracht. Neben der Funktion der Sauerstoffversorgung sorgt der Wind auch für die Verwirbelung der zugefügten Rohstoffe, die sonst nur am Ofengrund zusammenbacken würden und nicht mehr zu erhitzen wären. Kommt es einmal zu einer Verbackung, wird mit dem Vorgang des Stauchens (kurze Unterbrechung des Windes) versucht diese wieder aufzulösen. Das Stauchen entspricht dem Schüren eines Ofenfeuers, bei dem der Luftzug durch zu viel Asche auf dem Gitter zu erliegen droht. Der Hochofen ist ein Gegenstromreaktor: Während das eingefüllte Material von oben nach unten durch den Reaktor läuft, strömen die entstehenden Reaktionsgase (die Gichtgase) von unten nach oben. Sie werden oben an der Gicht entnommen, von Rauchpartikeln gereinigt und weiterer Verwendung in der chemischen Industrie zugeführt bzw. zur Winderzeugung in den Cowpern verbrannt.

Die Außenwand des Hochofens wird über eine Wasserkühlung permanent gekühlt. 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 „weiße 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.

Der eigentliche Hochofen ist meist 25–30 m hoch, die Gesamtanlage bis zu 60 m. Der „schwarze Riese“ in Duisburg-Meiderich hat eine Ofenhöhe von 42 m und einen Gestelldurchmesser von rund 14 m.

Mittlere Hochöfen erreichen 6.000 t, große Hochöfen erreichen Tagesleistungen von bis zu 13.000 t Roheisen.

Hochöfen sind rund 10 Jahre ununterbrochen in Betrieb. Nach dem Ende dieser so genannten Ofenreise muss der eigentliche Hochofen umfangreich überarbeitet werden; zumeist wird die komplette Auskleidung aus feuerfesten Steinen erneuert und diverse Stahlbauteile ersetzt. Die Gelegenheit zur Vorbereitung einer neuen Ofenreise wird dann oft auch für Prozess-Verbesserungen und den Einbau neuer Einrichtungen zur Energieeinsparung und Qualitätsverbesserung verwendet.

Wichtige grundsätzliche chemische Reaktionsgleichungen sind folgende:

\mathrm {1)\ C+O_{2}\longrightarrow CO_{2}}

Energie liefernde Verbrennung des Koks.

\mathrm {2)\ CO_{2}+C\rightleftharpoons 2\ CO}

Erzeugung des gasförmigen Reduktionsmittels Kohlenstoffmonooxid.

\mathrm {3)\ Fe_{2}O_{3}+3\ CO\longrightarrow 3\ CO_{2}+2\ Fe}

Reduktion des Eisenoxids zu elementarem Eisen.

Reaktion 1 liefert die Energie für den gesamten Prozess. Da der Sauerstoff in Form eingeblasener, vorgewärmter Luft zugeführt wird, verläuft die Reaktion so heftig, dass Temperaturen bis über 2000 °C erreicht werden. Man kann sich diesen Effekt an einem Grillfeuer klar machen, dessen Kohle heftig weiß aufglüht, wenn man mit einem warmen Föhn darauf bläst. Andererseits liefert die Reaktion das Kohlenstoffdioxid CO₂, das für Reaktion 2 benötigt wird.

Reaktion 2 liefert das giftige Kohlenstoffmonoxid (CO), das als eigentliches Reduktionsmittel im Hochofen wirkt. Im Gegensatz zum festen Kohlenstoff kann das gasförmige CO alle Oberflächen der Eisenoxide leicht erreichen und dort reagieren. Diese Reaktion ist eine typische Gleichgewichtsreaktion (Boudouard-Gleichgewicht). Bei hohen Temperaturen liegt das Gleichgewicht rechts, bei niedrigen links.

Reaktion 3 zeigt in zusammengefasster Form die Reduktion des typischen Eisen(III)-oxids (Roteisenstein, Rost). Tatsächlich verläuft sie über mehrere Zwischenstufen, die in unterschiedlichen Zonen des Hochofens ablaufen: