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Hochofenprozess

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Hochofenprozess

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.

Hochofenprozess, Aufbau Hochofen, StudySmarterAbbildung 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.

Hochofenprozess Abläufe Hochofen StudySmarterAbbildung 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:

Hochofenprozess Reaktion von Kohlenstoff und Sauerstoff StudySmarter

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:

Hochofenprozess Entstehung von Kohlenstoffmonoxid StudySmarter

Wichtig ist hierbei, dass viel Kohlenstoffmonoxid entsteht, damit dieser als Reduktionsmittel für Eisen wirken kann.

Hochofenprozess Hochofen Dortmund StudySmarterAbbildung 3: Hochofen in DortmundQuelle: wikipedia.org

Reaktion 5 und 6 beschreiben die Reduktion verschiedener Eisenerze:

Hochofenprozess Reduktion der Eisenerze StudySmarter

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:

Hochofenprozess Reduktion der Eisenerze StudySmarter

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.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Hochofenprozess

Der Hochofenprozess funktioniert über einen stofflichen und thermischen Gegenstrom. Von oben werden Eisenerze, Koks und Kalk zugeführt, während von unten Sauerstoff eingeleitet wird. Es entsteht das Kohlenstoffmonoxid, das dann die Eisenerze zu Roheisen reduziert. Die Temperaturen, die dabei entstehen, sorgen dafür, dass das Eisen flüssig wird und leicht entnommen werden kann. 

Für den Hochofen kann keine konkrete Dauer angegeben werden, da es sich dabei um einen fortlaufenden Prozess handelt. Von oben wird immer weiter Eisenerz zugeführt, das unten dauerhaft in Form von Roheisen wieder abgeführt wird. Es handelt sich dabei um einen kontinuierlichen Prozess. 

Im Hochofen unterscheidet man die Zonen nach den jeweiligen Reaktionen. So entstehen: 

  • Vorwärmzone: In dieser Zone findet keine Reaktion statt. Die Stoffe werden nur erhitzt. 
  • Reduktionszone: Eisen(III)-Ionen werden reduziert.
  • Direkte Reduktion: Eisen(II)-Ionen werden reduziert. 

Die Trocknung erfolgt hauptsächlich in der Vorwärmzone. Hier werden die Eisenerze und Koks sowie Kalk getrocknet und bereits auf eine Temperatur von etwa 250 °C gebracht. 

Finales Hochofenprozess Quiz

Frage

Mit welchen Stoffen wird der Hochofen mithilfe des Hunds befüllt? 

Antwort anzeigen

Antwort

Der Hochofen wird mit Eisenerzen und Kalk befüllt. Weiterhin wird noch Koks in den Hochofen befördert. 

Frage anzeigen

Frage

Was ist Koks? 

Antwort anzeigen

Antwort

Koks ist ein für den Hochofenprozess wichtiger kohlenstoffreicher Brennstoff. Er wird unter Pyrolyse aus schwefelarmer und aschearmer Fettkohle hergestellt. 

Frage anzeigen

Frage

Was wirkt als Reduktionsmittel für Eisen im Hochofenprozess? 

Antwort anzeigen

Antwort

Als Reduktionsmittel wirkt Kohlenstoffmonoxid. 

Frage anzeigen

Frage

Welche zwei Produkte entstehen im Hochofenprozess? 

Antwort anzeigen

Antwort

Es entstehen das gesuchte Roheisen und Schlacke. 

Frage anzeigen

Frage

Welche zwei Gegenströme unterscheidet man? 

Antwort anzeigen

Antwort

Im Hochofenprozess werden zwei Arten von Gegenströmen unterschieden: 

  • stofflicher Gegenstrom
  • thermischer Gegenstrom. 
Frage anzeigen

Frage

Wie läuft der stoffliche Gegenstrom im Hochofenprozess ab? 

Antwort anzeigen

Antwort

Von oben werden immer weiter Erze, Koks und Zusatzstoffe wie Kalk geleitet. Diese sinken dann aufgrund ihres Gewichts nach unten. Von unten hingegen wird Sauerstoff zugeführt, der aufgrund seiner gasförmigen Form nach oben aufsteigt. Es kommt zu einer Durchmischung und Reaktionen finden statt. 

Frage anzeigen

Frage

Wie reagieren Koks und Sauerstoff im Hochofenprozess miteinander? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Reaktion lässt sich mit folgender Reaktionsgleichung nachvollziehen: 

Frage anzeigen

Frage

Was entsteht aus Kohlenstoffdioxid mit Koks? 

Antwort anzeigen

Antwort

Es entsteht Kohlenstoffmonoxid. 

Frage anzeigen

Frage

Je nach Zusammensetzung der Eisenerze werden diese reduziert. So entstehen die folgenden Reaktionen für Eisen(III)-Ionen: (1) ... . 

Antwort anzeigen

Antwort

Je nach Zusammensetzung der Eisenerze werden diese reduziert. So entstehen die folgenden Reaktionen für Eisen(III)-Ionen: 

(1) .

Frage anzeigen

Frage

An der Schichtgrenze kann Koks direkt als Reduktionsmittel wirken. Es entsteht die Reaktionsgleichung: (1) ... .

Antwort anzeigen

Antwort

An der Schichtgrenze kann Koks direkt als Reduktionsmittel wirken. Es entsteht die Reaktionsgleichung: (1) .

Frage anzeigen

Frage

Wie viel Prozent des Roheisens werden für die Stahlherstellung verwendet?

Antwort anzeigen

Antwort

Etwa 97% des Roheisens werden nur dafür verwendet. 

Frage anzeigen

Frage

Welche drei Formen von Guss- oder Gießereieisen unterscheidet man? 

Antwort anzeigen

Antwort

3% des Eisens aus dem Hochofenprozess werden dafür verwendet. Man unterscheidet die drei Arten: 

  • Grauguss
  • Hartguss
  • Temperguss. 
Frage anzeigen

Frage

​Mithilfe welches Verfahrens wird aus dem Roheisen aus dem Hochofenprozess dann Stahl?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Stahl entsteht durch ein Verfahren namens Sauerstoffausblasverfahren. 

Frage anzeigen

Frage

Wie viel Prozent der Kohlenstoffdioxidemission stammen aus dem Hochofenprozess? 

Antwort anzeigen

Antwort

Stand 2019 kann man sagen, dass etwa 7% der weltweiten Kohlenstoffdioxidemission daraus entstehen. 

Frage anzeigen

Frage

An welchen Alternativen zum Hochofenprozess wird momentan gearbeitet? 

Antwort anzeigen

Antwort

Aktuell wird versucht, andere Direktreduktionsanlagen zu finden. Außerdem könnten Koks und Schweröl durch Wasserstoff ersetzt werden. Problematisch ist bisher nur, dass das Eisen dann nicht heiß genug wird und nicht in flüssiger Form vorliegt. 

Frage anzeigen
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