Die Funktionsweise eines Hochofens

Inhaltsverzeichnis

1. Eine Definition für Hochofen

2. Grundkonstruktion eines modernen Hochofens

3. Chemische Abläufe im Hochofen

4. Verarbeitung von Roheisen

5. Lebenserwartung und Energiebedarf

6. Geschichtliches über den Hochofen

1. Eine Definition für Hochofen

Als einen Hochofen Bezeichnet man einen Gegenstromreaktor in Schachtofenbauweise zur Gewinnung von Eisen (Fe) durch Reduktion bzw. Oxidation von Eisenerzen unter Verwendung von Hochofenkoks. Hochofenkoks - so sei am Rande erwähnt - muß gegenüber anderen Kokssorten, bestimmte Anforderungen bezüglich der Korngrößen, des Reaktionsvermögens und dem Anteil an sogenannten Ballaststoffen, wie Wasser, Schwefel, Phosphor, sowie weiteren mineralischen und flüchtigen Bestandteilen besitzen.

2. Grundkonstruktion eines modernen Hochofens

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die älteren, heute noch in Betrieb befindlichen Hochöfen erreichen eine Höhe von 25-30 m, ihr Fassungsvermögen beträgt meist 300 - 1.000 m3 und sie besitzen eine Tagesleistung von bis zu з. 000 Tonnen. Heute geht die Tendenz zu größeren Einheiten, die 11.000 Tonnen und mehr produzieren, und Höhen von mehr als 100 m erreichen können. Die Größe des Hochofens richtet sich allerdings nicht nur nach der Fähigkeit der Bauingenieure, sondern auch nach den Festigkeitseigenschaften des Brennstoffes.

Jeder Hochofen besteht aus zwei abgestumpften Kegeln (s. Abb.), die mit ihren breiten Enden zusammenstoßen. Der obere, längere Kegel heißt Schacht, der untere Rast. Die Kegelform wurde gewählt, weil die Beschickung während des Niedergehens den Reibungswiderstand der Ofenwand zu überwinden hat und sie außerdem durch den Temperaturanstieg eine Volumenvergrößerung erfährt. Der obere Kegel, dessen oberes Ende Gicht genannt wird, macht etwa drei Fünftel der gesamten Höhe des Hochofens aus. Er ruht, gewöhnlich von der Rast getrennt, auf einem von einer Eisenkonstruktion gehaltenen Tragring. Der untere Kegel sitzt auf dem Gestell auf, das wiederum auf dem Bodenstein ruht. Heute setzen sich allerdings tragring- u. säulenfreie Konstruktionen immer mehr durch. Der Schachtwinkel beträgt gewöhnlich zwischen 84° - 86° der Rastwinkel (gemessen gegen eine angenommene Horizontale im Kohlensack, wie die Stelle des größten Durchmessers im Ofen genannt wird) gewöhnlich etwa 78°. Die Ebene zwischen Rast und Gestell heißt "Formebene". Die Auskleidung in der Rast besteht aus Kohlenstoffstein (Kohlenstein, besteht aus Hartbrandkohle und Elektrographit, zeichnet sich durch hohe Temperatur und Druckbeständigkeit aus), die im Gestell und am Boden aus Graphit. Der Schacht besteht aus einem durch eiserne Ringe und Bänder zusammengehaltenen feuerbeständigen Kernmauerwerk mit Schamotteauskleidung. Moderne Großhochöfen besitzen einen Gestelldurchmesser von bis zu 15 m. Die Wandstärken betragen etwa 50-120 cm. Die Kühlung des Hochofens erfolgt an der ganzen Oberfläche mit Luft, die heißesten Ofenzonen werden noch zusätzlich mit Wasser berieselt und durch in das Mauerwerk eingebaute Wasserkästen aus Eisen gekühlt. Schon bei einer Tagesleistung von 600 t werden ca. 10 m3 Wasser/Minute benötigt. Die Beschickung (auch „Begichtung“) des Hochofens erfolgt automatisch. Der mit mehreren Tonnen Koks oder Möller (Sammelbezeichnung für Erze, Schlacken und Zuschläge von Kalkstein bzw. Feldspat, Tonschiefer und dergleichen als Flußmittel, Bezeichnung für Zuschlagsstoffe, die z.B. Erzen zugeführt werden) gefüllte Förderkübel wird durch einen Schrägaufzug zur Gicht befördert и. dort durch einen selbsttätig sichöffnenden Boden in den Hochofen entleert, wobei es von der Art der im Eisenerz vorhandenen Gangart („Taubes Gestein“, für die Metallgewinnung nicht nutzbare Mineralien, die gemeinsam mit nutzbaren Erzen auftreten und abgebaut werden müssen.) abhängt, ob saure oder basische Zuschläge zugesetzt werden müssen, um die Gangart in leicht schmelzbare Calciumaluminiumsilicate zu überführen.

Zur Beschickung füllt man immer zuerst eine Schicht Koks, dann eine Schicht Möller, hierauf wieder eine Schicht Koks, dann wieder Möller usw. ein. Nun wird zunächst die unterste Koksschicht entzündet; damit sie überhaupt brennen kann, leitet man durch den unteren Teil der Rast Luft („Wind“) unter Druck ein, die in den sogenannten Winderhitzern (nach Cowper) mit Hilfe verbrennender Gichtgase auf 900-1 300° vorerwärmt wurde. Zujedem Hochofen gehören 2 - 3 Winderhitzer. Mit diesem "Heißwind" werden zur Senkung des Koksverbrauches häufig noch andere Reduktions- u. Heizstoffe wie Kohlenstaub,ö1 bzw. Erdgas und heute auch Kunststoffgranulate aus DSD - Verwertungen eingeblasen.

3. C hemische Abläufe im Hochofen

Bei der herrschenden hohen Temperatur (ca. 1 900°) im untersten Teil des Hochofens verbrennt nun der Kohlenstoff zu CO. Dieses zusammen mit dem Stickstoff der Luft nach oben weiterziehende Gas „Formengas“ kommt nun zum Eisenoxid, das reduziert wird nach der Gleichung Fe2O3 + 3 CO О 2Fe + 3 C02. In der nächsthöheren Koksschicht erfolgt wieder die Reduktion des Kohlendioxids zu Kohlenmonoxid (C02 + C О 2C0, Boudouard-Gleichgewicht); dieses reduziert in der nächsthöheren Eisenoxidschicht wieder Eisenoxid usw. Während die Temperatur in der Rast 1.400 - 1.600° beträgt, erreicht sie im unteren Teil des Schachts (Reduktionszone) nur etwa 500 - 900°. In diesem Bereich zerfällt das Kohlenoxid zum Teil auch wieder in Kohlendioxid und Kohlenstoff (2 CO О C02 + C); ein Teil des fein zerteilten C reduziert die Eisenoxide direkt (Fe2O3 + 3C^2Fe + 3 CO). Ein anderer Teil löst sich in dem Eisen auf bzw. Führt zur Bildung von Eisencarbid Fe3C (etwa 270 mal härter als reines Eisen; diesen Vorgang bezeichnet man als Aufkohlung); ein C-Gehalt von 2,5 - 4,5% bewirkt eine Schmelzpunktserniedrigung um 300 - 400° (von 1 535° auf 1 100-1 200°). Neben diesen Hauptreaktionen spielen sich noch viele Nebenreaktionen ab, an denen sich u.a. Mangan, Silicium, Phosphor, Schwefel, Kalk und dergleichen beteiligen. So bildet der Kalkstein mit dem Silicium und Aluminium der Gangart nahezu eisenfreie oder eisenarme Schlacken, während ohne die Kalkanwendung viel Eisen vom Silicium und A1uminium gebunden und in die Schlacke übergeführt würde.

4. Verarbeitung von Roheisen

Das Roheisen tropft dann in der Schmelzzone durch den glühenden Koks nach unten und sammelt sich im „Gestell“, wo es durch den "Eisenstich" etwa alle 2 Stunden als 1.300-1.450°C heiße Schmelze durch das Stichloch abgelassen wird. Das Roheisen wird entweder in feuerfest ausgekleideten Transportpfannen im flüssigen Zustand zu den Stahlwerken transportiert (evtl. auch über weitere Entfernungen) oder in Sandbetten zu Riegeln gegossen, wobei man je nach Abkühlgeschwindigkeit weißes Roheisen für die Stahlerzeugung (entsteht beim raschen Abkühlen beispielsweise in den sogenannten Kokillen) oder graues Roheisen (entsteht beim langsamen Abkühlen) erhält, das als Gußeisen Verwendung findet. Auf dem Roheisen sammelt sich im Hochofen Schlacke an, die durch den Schlackestich abfließt.

5. Lebenserwartung und Energiebedarf

Ein Hochofen muß ununterbrochen in Benutzung sein; jedoch nach einer Betriebsdauer ("Ofenreise") von bis zu 10 Jahren muß er völlig neu ausgekleidet werden. Während des Betriebs wird an der Gicht das 150 - 250°C heiße Gichtgas abgezogen, gereinigt (wobei der Gichtstaub mit 15 bis 40% Fe abgeschieden wird) und zur Vorwärmung der Winderhitzer, Dampferzeugung usw. verwendet. Es enthält ca. 28-33 % CO, 6 -12 % C02, 2-4 % H2, unter 1 % Methan sowie 55-60 % N2; zur Erhöhung seines Heizwertes (etwa 4 MJ/m3) wird es gegebenenfalls noch mit anderen Brenngasen (z.B. Erdgas usw.) vermischt. Moderne Großhochöfen benötigen pro Tonne Roheisen ca. 0,5 Tonnen Hochofenkoks, 1,5 Tonnen Eisenerz, 0,3 Tonnen Zuschläge u. 1,6 Tonnen trockene Luft. Neben dem Roheisen erhält man 0,3-0,5 Tonnen Hochofenschlacke u. 2,5 Tonnen trockenes Gichtgas sowie Gichtstaub u. Schlamm.

6. Geschichtliches über den Hochofen

Schon seit dem 14. Jahrhundert sind Hochöfen bekannt. Die physikalisch-chemische Erforschung des Hochofen-Prozesses, die erst 1838 mit der Analyse der Gichtgase durch Bunsen begann, führt heute zu immer größeren Anlagen sowie technisch neuen Lösungen des Hochofenprozesses. Insbesondere in der Möllervorbehandlung durch Sintern und Pelletieren der Eisenerze ist ein technologischer Fortschritt zu sehen.

Die elektrische Beheizung von Hochöfen wird z.Z. nicht diskutiert, und auch die Versuche in Japan, heiße Gase aus Hochtemperatur-Leistungskernreaktoren zur Verhüttung von Eisenerzen heranzuziehen, sind über eine Anlage mit 20 Tonnen pro Tag (Vergleich mit modernen konventionellen Anlagen 3.000 - 11.000 Tonnen pro Tag) bisher nicht hinausgegangen.

Literaturnachweis :

- Grundlagen des Hochofenverfahrens, Düsseldorf Stahleisen 1973
- Oetting, Hydrogeochemische Laboruntersuchungen an Bergematerialien und einer Hochofenschlacke, Stuttgart: Fischer 1980
- Hollemann-Wiberg, Lehrbuch der anorganischen Chemie, Berlin 1960

Anmerkung zum Vortras:

Der Vortrag wurde von einem Dipl. Chemiker korrekturgelesen und sollte den üblichen Schulanforderungen standhalten :-). Es gab hierfür schlappe 15 Pkt. (1+).

Viel Erfolg, der Autor