Eisen, Stahlherstellung

Eisen- und Stahlgewinnung in der Geschichte
Eisen kommt auf der Erde nicht elementar vor, sondern nur in Form seiner Oxide und Sulfide in den Eisenerzen. Lange Zeit war es den Menschen nur aus Meteoriten bekannt, in denen es elementar enthalten ist. Man geht davon aus, dass Meteoriteneisen genutzt wurde, lange bevor Eisen aus seinen Erzen gewonnen werden konnte, was sich anhand von Grabbeigaben belegen lässt.
Im Folgenden sind einige wichtige Daten angegeben, die einen Überblick über die Nutzung von Eisen geben:

Ablauf des Hochofenprozesses

Der Hochofen wird von oben mit Eisenerz, Koks und Zuschlägen (u.a. Kalkstein) so beschickt, dass sich im Hochofen Schichten von Koks und Eisenerz abwechseln. Die Luft, die den ebenfalls notwendigen Sauerstoff enthält, wird vorgewärmt und von unten eingeblasen. Sie steigt nach oben, während die oben eingefüllten Feststoffe nach unten sinken, es entsteht also ein stofflicher Gegenstrom, der für eine gute Durchmischung der Ausgangsstoffe sorgt. Im Zusammenhang damit steht der thermische Gegenstrom.

Der Hochofen lässt sich in mehrere Abschnitte einteilen, in denen bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Reaktionen ablaufen.

Die Temperatur im Hochofen nimmt von oben nach unten zu, weil der unten eingeblasene Luftsauerstoff mit Koks in einer stark exothermen Reaktion zu Kohlenstoffdioxid reagiert. Diese Reaktion liefert die notwendige thermische Energie für den Ablauf des Hochofenprozesses. Unten im Hochofen entstehen Temperaturen von ca. 2000 °C.

$C{\text{ + O}}_{\text{2}}\stackrel{}{\to }{\text{ CO}}_{\text{2}}\Delta H^o\text{ = -394 kJ}\cdot {\text{mol}}^{\text{-1}}$

Für den Ablauf des Hochofenprozesses sind hohe Temperaturen erforderlich. Die hierfür notwendige Energie muss im Ofen selbst erzeugt werden, da er aufgrund seiner Größe nicht von außen beheizt werden kann. Die Reaktion von Koks mit Sauerstoff liefert diese Energie, die benötigt wird, damit Schlacke und Eisen schmelzen und die Reduktion des Eisens stattfinden kann.

Das entstandene Kohlenstoffdioxid reagiert sofort in einer endothermen chemischen Reaktion mit weiterem Kohlenstoff aus dem Koks zu Kohlenstoffmonooxid. Es handelt sich dabei um eine Komproportionierung , d. h. Kohlenstoffmonooxid ist bei der Reaktion sowohl Produkt einer Oxidation als auch einer Reduktion.

Das entstehende Roheisen ist flüssig und sammelt sich unten im Hochofen, wo es in regelmäßigen Abständen abgestochen wird. Oberhalb des Abstichs für das Roheisen liegt der Abstich für die ebenfalls flüssige Hochofenschlacke . Diese besteht hauptsächlich aus Calciumsilicaten, die aus der Gangart und den Zuschlägen entstanden sind. Die Schlacke schwimmt auf dem Roheisen, da sie eine geringere Dichte hat und verhindert somit die Oxidation des Roheisens durch die eingeblasene Luft. Sie wird kontinuierlich abgestochen.

Der Abstich des Roheisens erfolgt diskontinuierlich in regelmäßigen Abständen, der Hochofen selbst arbeitet hingegen in kontinuierlicher Arbeitsweise, d. h. ohne Unterbrechungen.
Die gasförmigen Produkte des Hochofenprozesses werden Gichtgas genannt und entweichen über die Gicht am oberen Ende des Hochofens. Es handelt sich um ein Stoffgemisch aus ca. 55 % Stickstoff, ca. 15 % Kohlenstoffdioxid, ca. 30 % Kohlenstoffmonooxid und bis zu 4 % Wasserstoff. Genutzt wird es zur Erzeugung von thermischer Energie.
 

Durch den niedrigen Schmelzpunkt von 1200 °C lässt sich Roheisen als Gusseisen verarbeiten. Dieses ist aber sehr spröde und nicht schmiedbar, weil es 2-4 % Kohlenstoff und andere Beimengungen enthält. Erst wenn ein Teil von ihnen aus dem Eisen entfernt ist, wird es als Stahl elastisch und schmiedbar.

Unlegierter Stahl ist Eisen, das andere Elemente nur in Spuren enthält. Wesentlich ist, dass Stahl einen Kohlenstoffanteil von maximal 2,1 % enthält. Dadurch wird er hart, elastisch und schlagfest. Er lässt sich gießen, schmieden, pressen und walzen. Durch Zusatz von Mangan, Nickel, Chrom, Wolfram und anderen Stoffen können die Eigenschaften beeinflusst werden, es entstehen legierte Stähle. Heute sind über 1000 verschiedene Arten von Stahl bekannt.

Die Verminderung des Gehalts an Begleitelementen wird in der Technik als Frischen bezeichnet. Beim Frischen des Roheisens findet die Oxidation der Begleitelemente statt. Der dazu erforderliche Sauerstoff stammt aus der Luft und aus Schrott, der zum Roheisen hinzugefügt wird, bzw. wird reiner Sauerstoff, der durch Luftverflüssigung gewonnen wird, zugeführt.
 
Die Stahlherstellung erfolgt im Konverter nach dem Sauerstoff-Aufblasverfahren (Linz-Donawitz-Verfahren) und im Elektroofen nach dem Elektrostahl-Verfahren.
Beim Sauerstoff-Aufblasverfahren wird im Konverter Luft oder reiner Sauerstoff durch eine Blaslanze auf die Schmelze aufgeblasen (Bild 9). Der Sauerstoff im Roheisen führt zur schnellen Oxidation der Begleitelemente. Zur Kühlung des Reaktionsgemisches wird Schrott hinzugegeben, der auf diese Weise recycelt wird.
Es laufen u. a. folgende Vorgänge ab:

$\begin{array}{l}{\text{C + O}}_{\text{2}}\stackrel{}{\to }{\text{ CO}}_{\text{2}}\\ {\text{S + O}}_{\text{2}}\stackrel{}{\to }{\text{ SO}}_{\text{2}}\\ {\text{Si + O}}_{\text{2}}\stackrel{}{\to }{\text{ SiO}}_{\text{2}}\\ 4{\text{ P + 5 O}}_{\text{2}}\stackrel{}{\to }{\text{ P}}_{\text{4}}{\text{O}}_{\text{10}}\end{array}$

Die Oxide der Begleitelemente sind als Gase entweder Bestandteil der Abgase oder sie bilden als Feststoffe zusammen mit den Zuschlägen die Schlacke. Der Konverter liefert unlegierten Stahl.