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Werkstofftechnik 2 - Schema eines Hochofens und Verfahrensschritte

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Werkstofftechnik 2

Schema eines Hochofens und Verfahrensschritte

Gusseisen und Stahl werden aus Roheisen gewonnen. Dieses Roheisen wird, solange es sich nicht um kleine Mengen wie sie in der Schmuckherstellung verwendet werden, im Hochofen erzeugt.

Der Hochofen

Einfacher Hochofen (veraltet)
Einfacher Hochofen (veraltet)

Nachfolgend sind zwei Bilder eines modernen Hochofens abgebildet:

Moderner Hochofen
Moderner Hochofen

Auf dem nächsten Bild ist der Vorgang des Abstechens der Schmelze dargestellt:

Abstechen der Schmelze
Abstechen der Schmelze

Der Aufbau eines gängigen Hochofens ist in der nachfolgenden Grafik dargestellt:

Schema Hochofen
Schema Hochofen

Angaben zu den einzelnen Bestandteilen:

  • Gichtbühne: Wird neben der Gichtgasleitungen und dem Schrägaufzug von einem speziellen Gerüst getragen. 
  • Gichtverschluss: Stellt eine Schleuse dar, mit der Beschickung ermöglicht wird, ohne dass eine Änderung der Brennatmosphäre [Gasgehalt, Temperatur, Druck] auftritt.
  • Gicht: Mantel aus Grauguss oder Stahl.
  • Schacht: Stahlmantel mit feuerfesten Steinen ausgekleidet. Besitzt zudem Kühlungssystem aus Wasserleitungen.
  • Rast: Enthält auch Wasserleitungen zur Kühlung.
  • Gestell: Kühlung erfolgt durch Wasserberieselung des Blechpanzers.
  • Ringleitung: Verteilt die Heißluft und ist auch feuerfest ausgemauert.
  • Düsenstock: Mit Schamotte ausgestattet, leitet den Heißwind von der Ringleitung hin zu den Blasformen, bis zu 38 Stück.
  • Blasformen: Doppelwandige Rohre, die wassergekühlt sind und 0,1-0,3 m in den Ofenraum reichen. 
  • Schlackenform: Doppelwandige Rohre mit Wasserkühlung, die eine kontinuierliche Schlackenentfernung erlauben [Laufschlacke]
  • Stichloch: Geschlossen mit feuerfester Masse. Dieser Stopfen wird beim Anstich entweder in den Ofen getrieben oder mit einer Sauerstofflanze aufgebrannt. 

Technische Angaben:

Innenbereich eines Hochofens
Innenbereich eines Hochofens

Mauerung: der gesamte Hochofen ist von innen mit Schamottensteinen ausgemauert, nur der untere Teil ist mit Kohlenstoffsteinen versehen. 

Höhe: Manche Hochöfen sind inkl. Tragegerüst bis zu 100 m hoch.

Durchmesser: 3-7m [Gicht], 6-16 m [Kohlensack], 3-14 m [Gestell]

Wandstärke: 0,7-0,9 m [Schacht], 0,6 - 0,8 m [Rast], 0,8- 1,5 m [Gestell]

Hochofenprozess

Der Hochofenprozess stellt das gängigste Verfahren zur Roheisenerzeugung dar, da es neben einem hohen Wirkungsgrad auch eine gute Automatisierung ermöglicht. Die Einsatzstoffe sind neben Erz vor allem das Koks und die Zuschläge. 

Die Aufgabe des Koks ist es als Reduktionsmittel des Erzes und Kohlungsmittel für das Roheisen zu fungieren. Die Zuschläge hingegen entfernen unerwünschte Begleitprodukte des Erz -die Gangart- indem es chemische Verbindungen aufbaut und sie anschließend in die Schlacke überführt. 
Der Hochofen selbst bedient sich des Gegenstromverfahrens. Während die Einsatzstoffe von oben nach unten befördert werden, strömt das Gas entgegengesetzt. Parallel zu diesen Strömen, laufen auch die chemischen Reaktionen ab. Diesen sind:

  • Verbrennung des Koks,
  • Umsetzung des Gases,
  • Reduktion der Eisenerze,
  • Schlackenbildung, 
  • Nebenreaktionen.

Zu beginnt des Verfahrens liegt das Erz noch in folgenden Formen vor:

  • Magnetit $\ Fe_3 O_4 $
  • Minette $\ Fe_x(OH)_y $
  • Hämatit $\ Fe_2 O_3 $

Für ein optimales Ergebnis werden die Erze auf eine kleine Größe gebrochen und die Zuschlagsstoffe hinzugefügt. Man spricht bei dieser Kombination auch von Möller, welcher zusammen mit dem Koks Schicht um Schicht dem Hochofen zugeführt wird.  Die Schichten wandern dann von oben nach unten. 

Merke

Beim Möller handelt es sich um ein Gemisch aus Eisenerz und Zuschlagstoffen wie z.B.Kalk. Mit Hilfe dieser Zuschlagsstoffe bildet sich dann die Schlacke, in der die Verunreinigungen gebunden werden.

Die Ablaufreaktionen sind wie folgt:

  • 1. Trocknung, Vorwärmung, Austreibung des Wasserhydrats
  • 2. Indirekte Reduktion
  • 3. Direkte Reduktion
  • 4. Schmelzvorgang

Merke

Bestimmend für die Vorgänge im Hochofen ist das Boudouard-Gleichgewicht zwischen $ C, CO $ und $ CO_2 $

$\rightarrow: CO_2 + C  \leftrightarrow   2 CO $

Es beschreibt den Vorgang, dass das bei der Reduktion von Eisenoxid durch $ CO $ gebildete $ CO_2 $ durch eine Reaktion mit C wieder zu $CO$ zurückgebildet wird und dieses anschließend für eine erneute Reduktion verwendet werden kann. Die dafür erforderlichen Temperaturen liegen hierbei oberhalb von 1000°C.