Mithilfe des Hochofenprozesses ist es möglich, Stahl herzustellen. Hier wird aus verschiedenen, abgebauten Eisenerzen Roheisen hergestellt. Dies geschieht über viele einzelne Redoxreaktionen, bei denen Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffmonoxid oder Koks als Reduktionsmittel wirkt. Obwohl Hochöfen als Reaktionsprodukte eine gigantische Menge an Kohlenstoffdioxid ausstoßen, sind sie aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken.
Der Aufbau des Hochofens
Der Hochofen besitzt eine typische Form, die meist leicht zu erkennen ist. Mitsamt aller Aufbauten ist er etwa 100 m hoch. Hier siehst du nun alle wichtigen Bestandteile inklusive der Temperaturen, die im Inneren herrschen.
Abbildung 1: Der Aufbau eines Hochofens
Quelle: seilnacht.com
Der Hochofen wird über einen Hund (auch Hunt) befüllt. Dieser führt dem Hochofen eine Mischung aus Eisenerz und Kalk zu. Aus dem Eisenerz wird dank der Hitze dann das gewünschte Roheisen. Dies geschieht über eine Reduktion. Als Reduktionsmittel wirkt dabei Kohlenstoffmonoxid, das durch die Verbrennung von Koks entsteht. Insgesamt handelt es sich bei den Reaktionen im Hochofen um Redox-Reaktionen.
Als Koks wird ein sehr kohlenstoffreicher Brennstoff bezeichnet. Es wird hergestellt aus schwefelarmer und aschearmer Fettkohle. Wichtig für diesen Prozess ist die Pyrolyse, also die Wärmezufuhr unter Sauerstoffabschluss.
Die Erz-Kalk-Mischung sowie der Koks kommen in Schichten in den Hochofen. Als Verschluss dienen zwei sogenannte Gichtglocken. Somit wird verhindert, dass Gas aus dem Ofen entweicht oder kalte Luft nach innen gelangt.
Im unteren Bereich wird dem Ofen hingegen Heißluft zugeführt, damit eine Verbrennung stattfinden kann. Dadurch entsteht Roheisen, das über eine Leitung abgeführt wird sowie Schlacke. In dieser befinden sich die restlichen Bestandteile des Kalks, Erzes und Koks, die ebenfalls abgeführt werden. Dank der Dichteunterschiede lagern sie sich in zwei Schichten ab, die leicht voneinander zu trennen sind.
Die Kühlung des Hochofens erfolgt über ein Kühlwasser, das sich im Mantel befindet. Feuerfester Stein verhindert außerdem, dass der Hochofen selbst bei den vorherrschenden Temperaturen schmilzt.
Der Hochofenprozess einfach erklärt
Wie bereits erwähnt, zielt der Hochofen darauf ab, aus Eisenerz Roheisen zu erzeugen, das dann für die Stahlherstellung verwendet werden kann.
Abbildung 2: Abläufe im Hochofen
Quelle: ruby.chemie.uni-freiburg.de
In der Abbildung siehst du noch einmal den vereinfachten Aufbau eines Hochofens. In diesem Fall stehen an den entsprechenden Stellen noch die jeweiligen Reaktionen.
Damit diese jedoch stetig weiter stattfinden, sind für den Hochofen verschiedene Gegenströme von Bedeutung. Man unterscheidet dabei den stofflichen und den thermischen Gegenstrom.
Stofflicher Gegenstrom
Der stoffliche Gegenstrom bezieht sich darauf, dass von oben Erze, Koks und weitere Zusatzstoffe wie Kalk in den Hochofen geleitet werden, während von unten gasförmiger Sauerstoff zugeführt wird. Während das Gas aufsteigt, sinken die Feststoffe herab, wodurch es zu einer Vermischung kommt.
Thermischer Gegenstrom
Gleichzeitig findet der thermische Gegenstrom statt, bei dem alle in der entsprechenden Höhe beteiligten Stoffe auf die jeweiligen Temperaturen gebracht werden. Die Zunahme der Temperatur beruht dabei auf der stark exothermen Reaktion von Luftsauerstoff und Koks zu Kohlenstoffdioxid. Dadurch kommt dann die thermische Energie zustande:
In der Abbildung 2 ist das in der Reaktion 1 dargestellt. Zu beachten ist, dass hier unterschiedliche Energien angegeben sind. Auch die Reaktion selbst ist leicht verschieden. Tatsächlich sind beide Reaktionen möglich. Das kommt darauf an, wie viele C-Atome an der jeweiligen Reaktion beteiligt sind. Für dich ist wichtig, dass beide richtig sind. Für die Reaktion, die hier steht, ist ein zweiter Schritt notwendig. Das Ziel bleibt jedoch das Gleiche: Kohlenstoffmonoxid.
Durch die entstehenden Temperaturen schmelzen Schlacke und Eisen. Letzteres kann anschließend reduziert werden. Das findest du in der Abbildung als Reaktion 2 und 3. Mit unserem Beispiel muss allerdings noch mithilfe von Koks aus dem Kohlenstoffdioxid Kohlenstoffmonoxid geschaffen werden:
Wichtig ist hierbei, dass viel Kohlenstoffmonoxid entsteht, damit dieser als Reduktionsmittel für Eisen wirken kann.
Abbildung 3: Hochofen in DortmundQuelle: wikipedia.org
Reaktion 5 und 6 beschreiben die Reduktion verschiedener Eisenerze:
Auch hier unterscheiden sich die freiwerdenden Energien aufgrund der beteiligten Kohlenstoffmonoxid-Moleküle bzw. der ursprünglichen Zusammensetzung des Eisenerzes. Weiterhin gibt es die Möglichkeit, dass an der Schichtgrenze zwischen Koks und Erzen sogar Kohlenstoff als Reduktionsmittel selbst wirken kann:
Wie du siehst, entsteht bei beiden Reaktionen das wichtige Roheisen, das sich aufgrund der Temperaturen flüssig ablagert und entfernt wird. Die Schlacke schwimmt aufgrund der Dichteunterschiede obendrauf. Somit wird auch verhindert, dass das Roheisen durch die zugeführte Luft wieder oxidiert wird. Die einzelnen Gase, die neben Kohlenstoffdioxid und -monoxid entstehen, werden über die Gicht am oberen Ende aufgefangen und für die Erzeugung thermischer Energie weiterverwendet. Somit wird unter anderem verhindert, dass zu viele schädliche Gase nach außen gelangen.
Die Bedeutung des Hochofens
Mithilfe dieser Methode können heutzutage etwa 13.000 Tonnen Roheisen hergestellt werden. Bis zu 97 % des produzierten Roheisens werden zur Stahlherstellung verwendet. Dabei kommt hauptsächlich das Sauerstoffaufblasverfahren zum Einsatz. Dieses entzieht dem Roheisen den noch vorhandenen Kohlenstoff und führt Sauerstoff zu. So entsteht eine Legierung, die man schmieden kann. Das ist dann der Stahl, der für den Bau von Gebäuden oder Ähnlichem verwendet wird.
Aus dem Roheisen, das nicht zu Stahl weiterverarbeitet wird, kann graues Roheisen hergestellt werden. Dabei handelt es sich um Guss- oder Gießereieisen. Durch einen höheren Kohlenstoffgehalt weist es andere Eigenschaften auf als Stahl und lässt sich auch nicht schmieden oder walzen. Oft ist es auch deutlich poröser. Man unterscheidet dabei drei Formen:
- Grauguss: Diese Form wird vor allem für Gehäuse, Rohre, Zylinder und Ständer für Werkzeug- und Kraftmaschinen verwendet.
- Hartguss: Aus diesem Roheisen entstehen Walzen und Baggerschaufeln.
- Temperguss: Damit werden Rohverbindungsstücke, Schraubschlüssel, Schlossteile und Nähmaschinenteile hergestellt. Außerdem findet diese Form eine wichtige Anwendung im Fahrzeugbau.
Der Hochofenprozess und die Umwelt
Der Hochofenprozess ist essentiell für die Industrie, denn Stahl wird für zahlreiche Bauarbeiten benötigt. Dennoch ist es auch hier wichtig einen Blick auf die Umwelt zu haben.
Im Jahr 2019 verursachte allein die Stahlindustrie rund 7 % der weltweiten Kohlenstoffdioxidemission. Ein Großteil davon kommt direkt vom Hochofen. Dabei ist man bereits an vielen Stellen von Koks auf Schweröl umgestiegen, das allerdings teuer eingekauft werden muss.
Eine klimaneutrale Alternative wäre es, Koks und Schweröl durch Wasserstoff zu ersetzen. Allerdings würden sich die Prozesse so verändern, dass das Eisen anschließend nicht mehr flüssig entfernt werden kann. Die Temperaturen sind dafür nicht ausreichend. Das entstehende Eisen müsste erst in weiteren Öfen verarbeitet werden, in denen es geschmolzen und veredelt wird. Momentan gibt es zahlreiche Pilotprojekte, die daran arbeiten, dieses Konzept umzusetzen.
Bis zur flächendeckenden Verwendung solcher Direktreduktionsanlagen wird es jedoch noch einige Zeit dauern.
Hochofenprozess - Das Wichtigste
- Hochöfen dienen der Roheisenherstellung. Dabei werden Eisenerze zusammen mit Koks und weiteren Stoffen wie Kalk verbrannt.
Die Eisenherstellung beschreibt eine Redox-Reaktion, bei der Eisen reduziert wird.
Der Hochofen funktioniert aufgrund eines stofflichen und thermischen Gegenstroms.
Kohlenstoffmonoxid fungiert als Reduktionsmittel.
Es entstehen Roheisen und Schlacke, die jeweils in flüssiger Form aus dem Hochofen entfernt werden.
97 % des Roheisens wird für die Stahlindustrie verwendet. Der Rest wird zu Guss- oder Gießereieisen, das für den Rohrbau und Maschinenbau selbst verwendet wird. Man unterscheidet die drei Formen Grau-, Hart- und Temperguss.
7 % der weltweiten Kohlenstoffdioxidemission kommen aus der Stahlindustrie und den damit verbundenen Hochöfen.
Eine mögliche Alternative ist Wasserstoff zur Verwendung in Hochöfen. Allgemeines Ziel bleibt die restlose Ersetzung der Hochöfen durch Direktreduktionsanlagen.
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