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Schule > Chemie > Grundlagen der Chemie > Eisengewinnung im Hochofen

Chemie

„Eisenherstellung“

Einleitung:

Die meisten Metalle kommen rein (“gediegen“) in der Natur nur selten oder

gar nicht vor. Man gewinnt sie aus ihren Erzen.

Eisen ist heutzutage eines der am meisten genutzten Metalle der Welt. Leider ist der Eisengehalt in Gesteinen sehr gering, obwohl Eisen eines der häufigsten Stoffe der Erde ist. Es lohnt sich erst das Eisen aus Eisenerz zu gewinnen, wenn der Gehalt mindestens 20% beträgt (Gesteine, die 20 % oder mehr Eisen enthalten, werden als Eisenerze bezeichnet). Durch den Hochofen wird es ermöglicht, Eisenerze zu Roheisen zu reduzieren und von Begleitstoffen (Bsp.: Kohlenmonoxid), der sogenannten Gangart, zu trennen.

Eisen?

lat. Ferrum

Symbol: Fe

steht in der 8. Nebengruppe

4. Periode

Ordnungszahl 26

unedles Metall

wichtigstes Schwermetall - 4 häufigste Element auf der Erde

bildet mit nah verwandten Kobalt & Nickel die Eisen - Gruppe

reines Eisen ist sehr weiches, dehnbares & silberweißes Metall

Eisengewinnung im Modellversuch:

Beim Erhitzen von Eisenoxid mit Holzkohlepulver entsteht Eisen, das man

mit dem Magneten nachweisen kann. Beim Erhitzen der Holzkohle entseht u.a.

Kohlenstoffmonooxid. Dies ist ein gutes Reduktionsmittel. Es reduziert das

Eisenoxid zu Eisen. Die dabei erzeugten Temperaturen reichen allerdings

nicht aus, um das Eisen zu schmelzen. Um flüssiges Eisen zu erhalten, das

sich leichter verarbeiten lässt, benötigt man höhere Temperaturen, wie die

in Hochöfen erreicht werden.

Hochofen

= eine Anlage in Schachtofenbauweise, in der Eisen durch Reduktion von Eisenoxid

gewonnen wird.



Hochofen: - kann 30 m hoch sein

- zylinderförmig

- kann d= 12 m breit sein

- an den Hochofen schließt sich ein Winderhitzer an

- stahlverkleideten Wände sind mit feuerfesten Schamottstein

ausgekleidet & durch strömt von Kühlwasser

Vorbereitung:

Die Erze werden durch Zerkleinerung & Nasswäsche von tauben Gestein (der Gangart) getrennt. Durch ein Förderband werden abwechselnd Schichten von zerkleinerten

Eisenerzen + Zuschläge (z. Bsp.: Kalk, Sand), Koks & Möller in die obere Öffnung des Hochofens gegeben. Durch eine Gichtglocke wird das entweichen von Gichtgas verhindert. Die Zuschläge wandeln das dem Erz anhaftenden Begleitgestein in niedrig schmelzende Schlacke um. Mit einem Winderhitzer wird die Luft auf 1300°C erhitzt & anschließend in das Innere des Hochofens gepresst/bzw. geblasen.

Vorgänge:

Die hinzugefügte, heiße Luft führt zur einer Verbrennung der untersten

Koksschicht. Im Koks befindet sich Kohlenstoff, der mit Sauerstoff reagiert & zu giftigen & reaktionsfreudigen Kohlenstoffmonoxid umgewandelt wird.

Kohlenstoff + Sauerstoff ( Kohlenstoffmonoxid (exotherme Reaktion)

C + O2 ( CO2

Daraufhin steigt die Temperatur bis auf 1600 (C an, so dass das entstandene Kohlenstoffmonoxid in die darüber liegende Eisenerzschicht aufsteigt, dem Eisenoxid den Sauerstoff entzieht & so lebst wieder zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Es wirkt so gegenüber dem Eisenoxid als Reduktionsmittel.

Eisenoxid + Kohlenstoffmonoxid ( Eisen + Kohlenstoffdioxid (exotherme Reaktion)

FeO + CO ( Fe + CO2

Der Kohlenstoffdioxid gelangt in die nächste Koksschicht & wird dort wieder zu Kohlenstoffmonoxid ungewandelt. Dieser kann wiederum das Eisenoxid zu Eisen reduzieren, usw..

Kohlenstoffdioxid + Kohlenstoff ( Kohlenstoffmonoxid (endotherme Reaktion)

CO2 + C ( 2 CO

Kohlenstoffmonoxid + Eisenoxid ( Eisen + Kohlenstoffdioxid (exotherme Reaktion)

.

.

Aus dem Verunreinigungen des Eisenoxids, der Gangart (= nichtmetallischen Bestandteile aus den Eisenerz) & den Zuschlägen, die sich nach der Zusammensetzung des Eisenerz richtet, bildet sich die flüssige Schlacke. Das flüssige Eisen wird im unteren Teil (Reduktionszone)des Ofens gesammelt & wird von der spezifisch leichteren Schlacke vor erneuter Oxidation geschützt. Aller 4 – 6 Std. wird das Roheisen, das ca. 1000 (C heiß ist, mit der Schlacke abgegossen. Die Schlacke kommt in eine Schlackenpfanne & das Roheisen in eine Roheisenpfanne.

( Diese Vorgang läuft ohne Pause ab. Ein großer Hochofen kann täglich mehr als 11 000

Tonnen Roheisen erzeugen. Für eine Tonne benötigt man 2 Tonnen Erz; œ Tonnen

Koks; 0,3Tonnen Zuschläge; 1 700 Kubikmeter Luft & 10 Kubikmeter Kühlwasser.

Verwendung von .....

- Gichtgas:

Das heiße Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid, Stickstoff & Kohlendioxid wärmt die obere Schicht vor & verlässt den Ofen als Gichtgas. Im Gas sind dann noch 30% von Kohlenstoffmonoxid enthalten. Dieses Gichtgas wird zur Reinigung

von einer speziellen Konverter (=Schmelzofen zur Stahlerzeugung oder Kupfergewinnung) abgeführt oder ein Teil davon wird gereinigt & als Luftzufuhr in den Winderhitzer gegeben.

- Schlacke: Je nachdem, wie schnell die Schlacke abgekühlt wird, weist sie unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf. Bei langsamer Abkühlung entsteht kristalline Hochofenstückschlacke, bei schnellem Abkühlen glasiger Hüttensand. Außerdem kann flüssige Schlacke mithilfe von Pressluft zu Mineralfasern verarbeitet werden, der so genannten Hüttenwolle. Hochofenschlacke findet größtenteils als Baumaterial Anwendung.Der Hauptteil der Schlacke wird zu Hüttensand verarbeitet und dient, mit Kalk vermischt, als Rohstoff für die Zementherstellung. Deshalb enthält auch Beton oft Hochofenschlacke (Bild 3). Hochofenstückschlacke wird im Straßenbau als Schotter bzw. als Splitt verwendet. Doch auch für die Verfüllung alter Bergwerksstollen wird Schlacke, in Form von Schotter, gebraucht.Als Hüttenwolle wird Schlacke als Isoliermaterial verwendet.

Schlackenentstehung:

Calciumcarbonat ( Calciumoxid + Kohlenstoffdioxid

CaCO3 ( CaO + CO2

Calciumoxid + Siliciumoxid (

CaO + SiO2 ( CaSiO3

Da im Roheisen ist 3,5 – 4,5 % Kohlenstoff enthalten sind, ist dieser spröde, brüchig &

schmilzt plötzlich, ohne vorher zu erweichen. Deshalb kann Roheisen nicht geschmiedet. Durch Verringerung des Kohlenstoffgehaltes auf ca. 1% entsteht Stahl. Dieser ist elastischer & damit leichter zu schmieden ist als Eisen.

Es gibt besondere Verfahren um Eisen zu veredeln:

LD – Verfahren: Hier wird das flüssige Roheisen in einen Konverter gegossen & Sauerstoff & Schrott zur besseren Verarbeitung hinzugefügt werden.

Elektrostahl – Verfahren: Zwischen zwei

Graphit- Elektroden wird ein Lichtbogen erzeugt. Die freiwerdende Wärme bringt den Ofeninhalt zum Schmelzen.

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