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Vom Erz zum Roheisen
Ausgangsstoffe für die Roheisengewinnung sind die
Eisenerze, zum großen Teil Eisenoxide, die mit Verunreinigungen vermengt
sind. Kalk, Kieselsäure, Tonerde und Phosphate machen diese
Verunreinigungen, die auch Gangart genannt werden, aus. Meist werden diese
vor der Verarbeitung durch die sogenannte Aufbereitung entzogen. Magnetit
(auch Magneteisenstein) und Hämatit (auch Roteisenerz) sind als Eisenoxide
von besonderer Bedeutung, da sie einen hohen Anteil an Eisen aufweisen. Das
Roheisen wird im Hochofen gewonnen. Er besitzt im allgemeinen eine Höhe von
25 m bis 30 m und hat bei einem Durchmesser von etwa 10 m einen Rauminhalt
von 500 m3 bis 800 m3. In einem Hochofen kann man
jährlich etwa 1 Million Tonnen Eisen erzeugen. Die Beschickung des Hochofens
erfolgt über die Gicht. Zuerst gibt man eine Schicht Koks (nahezu reinen
Kohlenstoff) vor. Den Koks gewinnt man aus
Steinkohle. Dann folgt
eine Schicht Erz mit Zuschlägen wie z.B. Kalk, die mit dem am Erz haftenden
Gestein eine leicht schmelzbare Schlacke bilden. Darauf kommt wieder eine
Schicht Koks usw. Durch die Winddüsen wird eine auf 1200 °C vorgewärmte
Heißluft eingeblasen. Jetzt verbrennt der Koks, dabei entstehen Temperaturen
von über 2000 °C. Der Koks dient nicht nur als Brennstoff, sondern auch als
Stütze für die Beschickung und als Reduktionsmittel. Der Kohlenstoff des
Kokses verbindet sich mit dem Sauerstoff der Luft, es entsteht gasförmiges
Kohlenstoffmonooxid. Dieses reduziert Eisenoxid zu metallischem Eisen, dem
Roheisen. Das hierbei gebildete Kohlenstoffdioxid reagiert mit dem
Kohlenstoff in der nächsten Kokszone wieder zu Kohlenstoffmonooxid. Das
Gichtgas enthält ca. 30% Kohlenstoffmonooxid. Das flüssige Eisen und die
Schlacke sammeln sich im unteren Teil des Hochofens und werden von dort
entnommen. Die Schlacke, die auf dem flüssigen Roheisen schwimmt, sorgt auch
dafür, dass das Eisen nicht wieder durch die heiße Luft oxidiert wird. Die
Schlacke ist ein wertvolles Nebenprodukt. Man verwendet sie vor allem beim
Straßenbau und zur Herstellung von Zement.
Aufgabe 1:
Formuliere das Reaktionsschema der Reduktion von Eisenoxid mit
Kohlenstoffmonooxid.
Aufgabe 2: Aufgrund
welches Eigenschaftsunterschiedes werden die Schlacke und das Roheisen im
Hochofen getrennt?
Vom
Roheisen zum Stahl
Das flüssige Roheisen kann in speziellen Schienenfahrzeugen, Torpedopfannen
genannt, ohne große Wärmeverluste über größere Entfernungen zum Stahlwerk
transportiert werden. Wenn Roheisen noch einen hohen Kohlenstoffgehalt von
4% bis 6% enthält, ist es spröde und nicht verformbar. In diesem Zustand
kann man es nur als Gusseisen verwenden. Der größte Teil des Roheisens (ca.
97%) wird jedoch zu Stahl weiterverarbeitet. Stahl ist eine schmiedbare
Legierung des Eisens mit einem Kohlenstoffgehalt unter 1,7%. Zwei Verfahren
beherrschen heute die Stahlherstellung, das Sauerstoffaufblasverfahren im
Oxygenstahlwerk und das Lichtbogenverfahren im Elektrostahlwerk. Beim
Sauerstoffaufblasverfahren wird Schrott in den Konverter gegeben. Jetzt wird
flüssiges Roheisen zugeführt. Von oben wird mit einer |
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wassergekühlten Lanze Sauerstoff auf die
Schmelze geblasen. Dadurch werden die Begleitelemente des Eisens z.T.
oxidiert. Dazu gehören im wesentlichen Kohlenstoff, Silicium, Mangan und
Phosphor. Durch Zusatz von Calciumoxid kann man die Oxide von Silicium und
Phosphor in eine flüssige Schlacke überführen, die anschließend auf der
Metallschmelze schwimmt. Durch Einsatz von Schrott aus dem eigenen Betrieb
und aus dem Handel (Alt- und Sammelschrott; Autowracks usw.) spart man
Energie und Rohstoffe. Dieses Recyclingverfahren wird in der Stahlindustrie
seit Jahrzehnten angewendet. Um die Qualität des Stahls gezielt zu
verbessern, werden Proben entnommen und analysiert. Danach erfolgt
kontrollierte Zudosierung von Zuschlägen (z.B. von Chrom und Nickel), damit
der Stahl die gewünschten Eigenschaften annimmt. In den Lichtbogenofen, der
im Wesentlichen aus einem feuerfesten Ofengefäß, einem Deckel, Elektroden
und einer Kippvorrichtung besteht, führt man Schrott ein. Zwischen dem
Schrott und den Graphitelektroden entsteht beim Anlegen einer Spannung ein
Lichtbogen, der den Schrott zum Schmelzen bringt. Da bei diesem Verfahren
der Lichtbogen für die zum Schmelzen notwendige Temperatur sorgt, tritt
keine oxidierende Flamme auf. So kann man teure Legierungsmetalle zusetzen
und damit auch hochwertige Edelstähle erzeugen, ohne große Verluste der
teuren Beimengungen durch
Oxidation hinnehmen zu müssen. Stahl und seine
Eigenschaften
Stahl ist ein Werkstoff mit besonderen Eigenschaften. Er lässt sich vor
allem im erwärmten Zustand durch Schmieden, Walzen, Pressen und Ziehen
verformen. So stellt man daraus Flacherzeugnisse (Bänder und Bleche),
Profilerzeugnisse (Träger, Schienen und Drähte) und nahtlose Stahlrohre her.
Stahllegierungen mit bis zu 25% Nickel haben eine große Zähigkeit und sind
sehr reißfest. Invarstahl, der sich beim Erwärmen praktisch nicht ausdehnt,
enthält ca. 36% Nickel. Zusätze von Chrom und Nickel machen den Stahl so
hart, dass man Panzerplatten, Eisenbahnräder und Achsen daraus herstellen
kann. Besonders bekannt sind der V2A-Stahl und Nirosta. Diese
Chrom-Nickel-Stähle rosten nicht. Wichtig ist auch der nachträglich
aufgebrachte Rostschutz für Stähle. Automobilkarosserien aus Stahl werden
durch Eintauchen in flüssiges Zink oberflächlich verzinkt (Feuerverzinkung)
oder phosphatiert und anschließend lackiert. Hierbei bilden Metallphosphate
die Verbindung zwischen Stahl und Lack. Veredelter Stahl hat auch heute noch
wirtschaftlich eine große Zukunft.
Aufgabe 3:
Wie unterscheiden sich Gusseisen und Stahl a) in der Zusammensetzung und b)
in den Eigenschaften voneinander?
Aufgabe 4: Was sind veredelte Stähle? Nenne Beispiele und
Anwendungen.
Quelle: M. Tausch; M. von Wachtendonk: Chemie
I; Buchner-Verlag |
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Lösungen: |
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Aufgabe 1:
Formuliere das Reaktionsschema
der Reduktion von Eisenoxid mit Kohlenstoffmonooxid
Eisenoxid +
Kohlenstoffmonoxid ---> Eisen + Kohlenstoffdioxid
Aufgabe 2:
Aufgrund welches
Eigenschaftsunterschiedes werden die Schlacke und das Roheisen im
Hochofen getrennt?
Aufgrund der
unterschiedlichen Dichte: Die flüssige Schlacke hat eine geringere
Dichte als das flüssige Roheisen.
Aufgabe 3:
Wie unterscheiden sich Gusseisen und
Stahl a) in der Zusammensetzung und b) in den Eigenschaften
voneinander?
a)
Gusseisen hat einen höheren Kohlenstoffanteil, ca. 3,5 - 4,5%. Rohstahl
hat einen Kohlenstoffanteil kleiner als 1 %.
b). Gusseisen ist spröde, erweicht beim Erhitzen sofort. Stahl ist zäh,
biegsam, in der Hitze gut verformbar.
Aufgabe 4:
Was sind veredelte Stähle? Nenne
Beispiele und Anwendungen.
Veredelte Stähle enthalten metallische Zusätze von Chrom, Nickel,
Vanadium, Molybdän und Wolfram. Dadurch werden je nach Zusatz die
Eigenschaften des Stahls verbessert,
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Anmerkung: Ich
danke dem Buchner-Verlag, Bamberg, für die Genehmigung zur Benutzung des Textes
aus dem Chemie-Buch
"Chemie - Stoff, Formel, Umwelt" von Tausch/von
Wachtendonk bzw. aus dem dazugehörigen Material-Manager: Chemie .
update am:
28.01.21
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