Hochofenprozess

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Moderner Hochofen der Dillinger Hütte

Ein Hochofen ist eine zumeist großtechnische Anlage in Schachtofenbauweise, in der Eisen durch Reduktion von Eisenoxiden gewonnen wird. Neben oxidischen Eisenerzen werden hierzu Koks und Zuschlagstoffe wie Quarzsand und gebrannter Kalk zur Reaktion gebracht (Redoxreaktion). Sulfidische Erze müssen hingegen zunächst durch Rösten in Oxide überführt werden.

Die Geschichte der Hochöfen

Hochofen Brausenstein, bis 1736 in Betrieb

Diese Technologie war in China mindestens seit der Han-Dynastie (206 v. Chr. bis 222 n. Chr.) bekannt. Die frühesten sicher belegten Hochöfen in Europa standen im Schweden des 13. Jahrhunderts, zum Beispiel in Lapphyttan. Für die folgenden Jahrhunderte sind einzelne Hochöfen in Frankreich, Belgien und vor allem England nachgewiesen. In Coalbrookdale begann 1709 die Ablösung der bisher benutzten Holzkohle durch Koks.

Die älteste, weitgehend komplett erhaltene Hochofenanlage in Deutschland und möglicherweise weltweit ist die Luisenhütte in Woklum bei Balve/Sauerland. Ein Hochofen aus dem Jahre 1783 ist bei der Wilhelmshütte in Bornum am Harz zu besichtigen.

Aufbau und Beschickung des Hochofens

Funktionsdarstellung eines Hochofens: (1) Wind aus den Cowpern; (2) Schmelzzone; (3) Kohlungszone; (4) Reduktionszone; (5) Trocken- und Vorwärmzone; (6) Rohstoffeinfüllung; (7) Ausströmendes Gichtgas; (8) Säule aus Erz, Koks und Kalkstein; (9) Schlackeentfernung; (10) Entnahme des Roheisens; (11) Gichtgasauslass

Skip (Hunt) auf dem Schrägaufzug

Der Hochofen wird mit zwei wesentlichen Rohstoffen von oben beschickt: dem so genannten Möller als Träger der Rohmaterialien und dem Hochofenkoks als Energieträger und Reduktionsmittel. Seit 2006^[1] werden als Koksersatz auch Altkunststoffe zugesetzt, die neben der im Gegensatz zu Deponien umweltfreundlichen Verwertung von Kunststoffabfällen auch die Emission von CO₂ und SO₂ verringern.^[2]

Als Möller [ahd. Gemisch] wird dabei das Eisenerz (meist in Form von Naturerzen oder als Abbrände vom Rösten sulfidischer oder carbonatischer Eisenerze) bezeichnet, das mit Zuschlagstoffen (z. B. Kalk, Kies und Dolomit) zur Verringerung des Schmelzpunktes der Erze und besserer Verflüssigung des Gemisches versetzt wird.

Die Rohstoffe werden mit Förderkübeln (Hunte) über einen Schrägaufzug zur Einfüllöffnung (der Gichtglocke) oben am Hochofen befördert, entleert, und über ein Schleusensystem, den so genannten Gichtverschluss ins Innere gebracht. Bei modernen Hochöfen werden zum Transport der Beschickung mittlerweile Förderbänder eingesetzt, die den Gichtverschluss abwechselnd mit Möller und Koks befüllen.

Am Fuß des Hochofens oxidiert das aus Koks und Luftsauerstoff gebildete Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid, der dazu notwendige Sauerstoff wird dem Eisenoxid entzogen, das dadurch zu Eisen reduziert wird.

Roheisen- und Schlackeabstich am Hochofen

Abstichhalle am Hochofen 5 im Landschaftspark Duisburg-Nord mit Abstichloch, Bohrmaschine und Stopfmaschine

Der verflüssigte Hochofeninhalt wird unten am Ofen durch eine Öffnung entnommen; diese Öffnung ist normalerweise mit einer keramischen Masse verschlossen und wird periodisch beim so genannten Abstich angebohrt. Der ausfließende Inhalt wird in der an den Ofen angrenzenden Abstichhalle über ein Rinnensystem (auch "Tümpel" genannt)in schwimmende Schlacke und Roheisen getrennt und auch mit Gichtstaub bedeckt damit die Wärme der Schlacke gleich bleibt. Die Abscheidevorrichtung wird auch Fuchs genannt, da sie so „schlau“ ist, zwischen dem Eisen und der Schlacke zu unterscheiden. Die meisten Hochöfen besitzen aber zwei Abstichvorrichtungen. Eine für die Schlacke (Schlackenrinne) und eine etwas tieferliegende für das flüssige Eisen. Auch hierbei wird der Dichteunterschied zur Trennung benutzt.

Auch die im Hochofenprozess entstehende Schlacke ist ein wertvoller Rohstoff. Sie kann nach Aufmahlen in einer Schlackenmahlanlage als Hüttensand vielfältig eingesetzt werden.

Der Prozess im Hochofen wird mittels unten am Hochofen eingeblasener heißer Luft (dem so genannten Wind) in Gang gehalten. Dieser für den Betrieb wichtige Wind wird in Winderhitzern (Cowper) auf Temperatur gebracht. Neben der Funktion der Sauerstoffversorgung sorgt der Wind auch für die Verwirbelung der zugefügten Rohstoffe, die sonst nur am Ofengrund zusammenbacken würden und nicht mehr zu erhitzen wären. Kommt es einmal zu einer Verbackung, wird mit dem Vorgang des Stauchens (kurze Unterbrechung des Windes) versucht diese wieder aufzulösen. Das Stauchen entspricht dem Schüren eines Ofenfeuers, bei dem der Luftzug durch zu viel Asche auf dem Gitter zu erliegen droht. Der Hochofen ist ein Gegenstromreaktor: Während das eingefüllte Material von oben nach unten durch den Reaktor läuft, strömen die entstehenden Reaktionsgase (die Gichtgase) von unten nach oben. Sie werden oben an der Gicht entnommen, von Rauchpartikeln gereinigt und weiterer Verwendung in der chemischen Industrie zugeführt bzw. zur Winderzeugung in den Cowpern verbrannt. Bei den heute üblichen Groß-Hochöfen werden die Gichtgase auch als Brennstoff für Kraftwerke verwendet.

Die Außenwand des Hochofens wird über eine Wasserkühlung permanent gekühlt. Früher war das Kühlsystem offen ausgeführt, das heißt: Wasser wurde kalt in die Ofenwand geleitet und wurde dann in einem Kühlturm wieder abgekühlt. Das brachte einen großen Wasser- und Energieverlust mit sich. Die neuen Hochöfen sind mit geschlossenem Kühlkreisläufen ausgestattet. Der „schwarze Riese“ in Duisburg hat zum Beispiel fünf verschiedene Kühlkreisläufe, die alle separat in sich geschlossen sind. Wasser, das durch Temperaturschwankungen oder Verlust verloren geht, wird durch spezielles, kalkarmes Wasser mit 0,1 °dH ersetzt.

Der eigentliche Hochofen ist bis zu 75 m hoch, die Gesamtanlage bis zu 90 m. Der Hochofen 2 in Duisburg-Schwelgern hat eine Ofenhöhe von nahezu 75 m und einen Gestelldurchmesser von rund 15 m.

Mittlere Hochöfen erreichen Tagesleistungen von 6.000 t, große Hochöfen von bis zu 13.000 t Roheisen. Das Roheisen wird – wenn es nicht als Gusseisen eingesetzt wird – in der Regel in Stahl veredelt.

Hochöfen sind rund 10 Jahre ununterbrochen in Betrieb. Diese so genannte Ofenreise endet mit dem Sauabstich. Anschließend muss der eigentliche Hochofen umfangreich überarbeitet werden; zumeist wird die komplette Auskleidung aus feuerfesten Steinen erneuert und diverse Stahlbauteile ersetzt. Die Gelegenheit zur Vorbereitung einer neuen Ofenreise wird dann oft auch für Prozess-Verbesserungen und den Einbau neuer Einrichtungen zur Energieeinsparung und Qualitätsverbesserung verwendet.

Chemische Reaktionen im Hochofen

Schema zum Hochofenprozess

Wichtiges grundsätzliches chemisches Reaktionsschema ist neben der Verbrennung von Koks und der Entstehung des Reduktionsmittels Kohlenmonoxid die Reduktion des Eisenoxids durch Kohlenmonoxid (indirekte Reduktion) und Koks (direkte Erzreduktion):

$\mathrm{1) \ C + O_2 \longrightarrow CO_2}$

Energie liefernde Verbrennung des Kokses.

$\mathrm{2) \ CO_2 + C \rightleftharpoons 2 \ CO}$

Erzeugung des gasförmigen Reduktionsmittels Kohlenstoffmonoxid.

$\mathrm{3) \ Fe_2O_3 + 3 \ CO \longrightarrow 3 \ CO_2 + 2 \ Fe}$

Reduktion des Eisenoxids zu elementarem Eisen.

Reaktion 1 liefert die Energie für den gesamten Prozess. Da der Sauerstoff in Form eingeblasener, vorgewärmter Luft zugeführt wird, verläuft die Reaktion so heftig, dass Temperaturen bis über 2000 °C erreicht werden. Man kann sich diesen Effekt an einem Grillfeuer klar machen, dessen Kohle heftig weiß aufglüht, wenn man mit warmer Luft aus einem Föhn darauf bläst. Andererseits liefert die Reaktion das Kohlenstoffdioxid CO₂, das für Reaktion 2 benötigt wird.

Reaktion 2 liefert das giftige Kohlenstoffmonoxid (CO), das als eigentliches Reduktionsmittel im Hochofen wirkt. Im Gegensatz zum festen Kohlenstoff kann das gasförmige CO alle Oberflächen der Eisenoxide leicht erreichen und dort reagieren. Diese Reaktion ist eine typische Gleichgewichtsreaktion (Boudouard-Gleichgewicht). Bei hohen Temperaturen liegt das Gleichgewicht rechts, bei niedrigen links.

Reaktion 3 zeigt in zusammengefasster Form die Reduktion des typischen Eisen(III)-oxids (Roteisenstein, Rost). Tatsächlich verläuft sie über mehrere Zwischenstufen, die in unterschiedlichen Zonen des Hochofens ablaufen:

$\mathrm{3a) \ 3 \ Fe_2O_3 + CO \longrightarrow 2 \ Fe_3O_4 + CO_2}$

Es entsteht der stärker eisenhaltige Magnetit (Magneteisenstein).

$\mathrm{3b) \ Fe_3O_4 + CO \longrightarrow 3 \ FeO + CO_2}$

Es entsteht Eisen(II)-oxid.

$\mathrm{3c) \ FeO + CO \longrightarrow Fe + CO_2}$

Es entsteht metallisches Eisen, das sich unten im Hochofen ansammelt.

Das Roheisen wird in der „Stahlkocherei“ durch Einblasen von Sauerstoff oder Zugabe von Schrott (Eisenoxid) aufbereitet, indem die Begleitstoffe (Kohle, Schwefel, Mangan, Silizium) oxidiert und als Gase (Schwefeldioxid, Kohlendioxid) oder mit Zuschlägen als Schlacke (Kalzium- und Mangansilikate und -phosphate) entfernt werden. Beispiel:

$\mathrm{4) \ 2 \ FeO + FeSi \longrightarrow 3 \ Fe + SiO_2}$

Eisenoxid und siliziumhaltiges Roheisen reagieren zu Eisen (Stahl) und Siliziumdioxid.

Siehe auch

• Liste europäischer Hochofenwerke
• Rennofen
• Boudouard-Gleichgewicht
• Lichtbogenofen
• Eisenwerk
• Verhüttung
• Metallurgie
• Radwerk
• Eisen
• Bohnerz

Einzelnachweise

1. ↑ Innovations-Report: Hochofen: Kunststoff-Pellets statt Koks und Schweröl
2. ↑ Netzwerk Umwelttechnik - Durch Einsatz von Altkunststoffen reduziert die voestalpine CO₂-Emissionen in Linz um mehr als 400.000 Tonnen pro Jahr

Weblinks

• Bilder zu allen Verfahren der Eisen- und Stahlherstellung und zur Weiterverarbeitung
• Vom Eisenerz zum Roheisen: Der Hochofen - Aufbau
• Hochofenmuseum Radwerk IV in Vordernberg