Eisen kennst du sicherlich aus deinem Alltag, denn Eisen ist heute das häufigste Gebrauchsmetall. Jährlich werden weltweit etwa 1,4 Milliarden Tonnen produziert. Eisen kommt fast nicht elementar vor, sondern nur in Form verschiedener Verbindungen. Häufig vorkommende Eisenerzminerale sind Magnetit \( \ce {Fe3O4} \), Hämatit \( \ce {Fe2O3} \), Pyrrhotin \( \ce {FeS} \) und Pyrit \( \ce {FeS2} \).
Der Hochofen
Die Gewinnung des Eisens aus den Erzen findet in einem Hochofen, wie in Abbildung 1, statt. Ein solcher Hochofen kann einen Durchmesser von bis zu 14 m haben und zwischen 25 und 60 m hoch sein. Dieser läuft ununterbrochen für etwa 10 – 20 Jahre, bis er gewartet werden muss. 1960 gab es in Deutschland 136 solcher Hochöfen. 2005 waren es jedoch nur noch 16.
Der Hochofenprozess und seine Produkte
Während des Betriebs des Hochofens müssen ständig in Schichten Eisenerz und Koks zugeführt werden. Die verwendeten Eisenerze enthalten überwiegend Hämatit \( \ce {Fe2O3} \). Sulfidische Erze sind nicht geeignet, können aber vor der Verwendung in Oxide überführt werden (Rösten). Um Verunreinigungen in den Erzen zu binden, wird häufig Kalkstein beigemengt. Der Kalkstein verbindet sich mit den Verunreinigungen und sammelt sich anschließend als Schlacke auf dem flüssigen Eisen. Bei Koks handelt es sich um porösen Kohlenstoff, der durch Erhitzen von Steinkohle auf etwa \(\ce{1000°\,C}\) entsteht. Dabei darf die Steinkohle jedoch nicht in Kontakt mit Sauerstoff kommen, da sie sonst zu Kohlenstoffdioxid reagieren würde.
Um den Hochofenprozess zu verstehen, betrachten wir die chemischen Reaktionen, die im Hochofen ablaufen, von unten nach oben. Gigantische Winderhitzer blasen Heißluft in den unteren Teil des Hochofens. Der enthaltene Sauerstoff verbrennt die unterste Koksschicht zu Kohlenstoffmonoxid \( \ce {CO} \).
\( \ce {2C + O2 -> 2CO} \)
Dabei handelt es sich um eine exotherme Reaktion. Deswegen steigt die Temperatur auf \(\ce{1600°\,C}\). Das aufsteigende Kohlenstoffmonoxid reagiert stufenweise mit den Eisenoxiden in den Erzschichten. Im unteren Teil des Hochofens liegt Eisen(II)-oxid \( \ce {FeO} \) vor, das durch Reaktionen in oberen Schichten entstanden und abwärts gerutscht ist. Dieses reagiert mit Kohlenstoffmonoxid \( \ce {CO} \) zu flüssigem Eisen.
\( \ce {FeO + CO -> Fe + CO2} \)
Überschüssiger Koks \( \ce {C} \) reagiert anschließend mit Kohlenstoffdioxid \( \ce {CO2} \) in einer endotherm verlaufenden Reaktion zu Kohlenstoffmonoxid:
\( \ce {CO2 + C <=> 2CO} \)
Diese Gleichgewichtsreaktion spielt bei technischen Prozessen, wie im Hochofen, eine wichtige Rolle. Es ist auch als Boudouard-Gleichgewicht bekannt. Da es sich um eine endotherme Reaktion handelt, findet sie nur in den unteren Bereichen des Hochofens statt. In den oberen Bereichen des Hochofens reichen die Temperaturen für diese Reaktion nicht mehr aus.
In den oberen Schichten liegt noch kein Eisen(II)-oxid \( \ce {FeO} \) vor, sondern Eisen(III)-oxid \( \ce {Fe2O3} \) und Eisen(II,III)-oxid \( \ce {Fe3O4} \). Kohlenstoffmonoxid reagiert ebenfalls mit diesen beiden.
\( \ce {Fe3O4 + CO -> 3FeO + CO2} \)
\( \ce {3Fe2O3 + CO -> 2Fe3O4 + CO2} \)
Noch weiter oben im Schacht erfolgt aufgrund der niedrigen Temperatur keine Reaktion mehr. Durch die heißen Gase werden nur die Erz- und Koks-Schichten vorgewärmt. Ganz oben entweicht das Gas aus dem Hochofen und wird zum Heizen in den Winderhitzer verwendet.
CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung; Jonas Trautner
Jetzt kennst du alle wichtigen Reaktionen, die im Hochofen ablaufen. In Abbildung 2 siehst du alle nochmal auf einen Blick.
Das gewonnene Roheisen ist flüssig und fließt dadurch im Hochofen nach unten. Das Roheisen sammelt sich somit am Boden des Hochofens und enthält etwa 95 % elementares Eisen. Es wird in regelmäßigen Abständen „abgestochen“. Dafür wird der Keramik-Stopfen an der Öffnung aufgebohrt. Durch dieses Loch fließt die Schlacke oder das Eisen ab. Das Roheisen wird anschließend noch weiterverarbeitet, da es so noch nicht verwendet werden kann. Auf dem flüssigen Eisen sammelt sich die Schlacke. Diese schützt das Roheisen vor Reaktionen mit dem Sauerstoff aus der eingeblasenen Luft. Wie das flüssige Roheisen muss auch die Schlacke von Zeit zu Zeit „abgestochen“ werden. Sie wird vor allem für die Herstellung von Zement verwendet.
Massenbilanz für den Hochofenprozess
Ein Hochofen kann täglich bis zu 10.000 Tonnen Roheisen erzeugen. Um eine Tonne Roheisen zu erzeugen, werden etwa eine Tonne Koks, eine halbe Tonne Kalkstein, zwei Tonnen Eisenerz und fünf Tonnen mit Sauerstoff angereicherte Luft benötigt. Neben Roheisen entsteht ungefähr eine Tonne Schlacke und sieben Tonnen Gas entweichen.