Arbeitsblatt: Eisenherstellung / Hochofen

Eisenherstellung Eisen, das wichtigste Metall Eisen kommt (fast) nie elementar (gediegen) vor, sondern nur vereinigt als Erz (z.B. mit Sauerstoff). Vor etwa 3‘500 Jahren gelang es zum ersten Mal, Eisen mit Hilfe von Holzkohle aus Erzen zu reduzieren. Eisen ist zusammen mit Nickel vermutlich der Hauptbestandteil des Erdkerns. Mit einem Anteil von fünf Prozent ist Eisen aber auch eines der häufigsten Elemente der Erdkruste. Eisen ist das zehnthäufigste Element im Universum. Eisenerz wird im Tagebau (Brasilien, Australien, China u.a.) und Untertagebau (Deutschland, Frankreich u.a.) gewonnen. Eisen ist mit 95% das weltweit am häufigsten genutzte Metall. Wenn Eisen oxidiert, bildet es keine feste Schutzschicht. Der dabei entstehende Rost zerstört Eisen vollständig. Stahle sind Legierungen des Eisens, die beim Vermischen (legieren) mit anderen Metallen und auch Nichtmetallen (insbesondere Kohlenstoff) entstehen. Eisen ist eines jener drei ferromagnetischen Metalle (Kobalt und Nickel sind die übrigen). Obwohl Eisen ein wichtiges Spurenelement für den Menschen ist, kann zu viel Eisen im Körper giftig sein. Die Eisenzeit In Mitteleuropa beginnt die Eisenzeit etwa ab dem 8. Jahrhundert v. Chr. Sie begann aber schon vorher in Anatolien ca. 1200 v. Chr. Diese Methode verbreitete sich von dort nach Indien, China und den Mittelmeerraum. Über Italien gelangte das Wissen dann nach Nordeuropa. In dieser Zeit entdeckten die Menschen einen Weg, nun auch Eisenoxid zu reduzieren, um daraus Eisen für Werkzeuge und Waffen herzustellen. Die Eisenzeit ist nach der Steinzeit und der Bronzezeit die dritte Periode der Menschheitsgeschichte. In Europa und dem Mittelmeerraum folgte darauf die Antike oder die Völkerwanderungszeit. Der Hochofen Um Eisen grosstechnisch zu gewinnen, ist ein Hochofen vonnöten. Ein solcher Hochofen ist ein ca. 50m hoher Schacht, in dem Eisen durch Reduktion aus Eisenoxid gewonnen wird. Die eigentliche Reduktion findet vor allem im unteren Teil statt, deshalb muss der Hochofen von oben schichtweise mit Koks (fast reiner Kohlenstoff) und Möller (ein Gemisch aus Eisenoxid und Kalk) gefüllt werden. Diese Ausgangsstoffe werden mit Förderkübeln (so genannten Hunten) über einen Schrägaufzug zur oberen Öffnung des Hochofens befördert und entleert. Im unteren Teil finden nun die folgenden Redoxreaktionen statt: 1. Verbrennung des Koks, liefert Verbrennungsenergie: O2 CO2 E 2. Erzeugung des Reduktionsmittels Kohlenstoffmonoxid: CO2 C 2CO E 3. Reduktion des Eisenoxids zu elementarem Eisen: Fe2O3 3CO 3CO2 2 Fe E Das entstandene Eisen fliesst durch eine Öffnung im unteren Teil aus dem Hochofen (Abstich). Das sehr heisse und flüssige Roheisen fliesst nun durch Rinnen im Boden zur Weiterverarbeitung. Im Hochofen befindet sich nun noch die etwas leichtere Schlacke (diese hat eine geringere Dichte als Eisen und schwimmt im Hochofen darüber). Sie ist ein recht wertvoller Rohstoff und kann für weitere Produkte (z.B. im Strassenbau oder zur Zementherstellung) verwendet werden. Veredelung des Roheisens Im Hochofen entsteht Roheisen. Der Reaktionspartner des Eisenoxids ist hierbei Koks (ausgeglühte Steinkohle). Als Konsequenz enthält das entstandene Roheisen 4-5 Prozent Kohlenstoff und andere Begleitstoffe (Mangan, Silicium, Phosphor und Schwefel) als Verunreinigung und ist dadurch recht spröde. Will man eine bessere Qualität erreichen, muss man das Roheisen veredeln. Dieses Verfahren wird „Frischen genannt. Dabei wird Sauerstoff unter grossem Druck auf die Roheisenschmelze geblasen. Durch die hohen Temperaturen oxidiert das Roheisen nicht! Stattdessen setzt eine heftige Oxidation der Begleitstoffe ein. Der Kohlenstoff beispielsweise oxidiert zu Kohlenstoffdioxid, welches als Gas entweicht. Das Roheisen enthält nun nur noch ca. 0,1% 2% Kohlenstoff und wird nun Stahl genannt. Stahl ist qualitativ wesentlich hochwertiger und haltbarer und im Vergleich zu Gusseisen ist er biegsamer und verformbarer. Meist werden noch weitere Zusätze aus Chrom und Nickel zugefügt (Cr-Ni-StahlLegierung („Nirosta)), um ihn noch härter und vor allem rostfrei zu machen. Beantworte die folgenden Fragen auf ein Zusatzblatt. 1. Wie gross/hoch ist ein Hochofen ungefähr? 2. Der Hochofen wird abwechselnd mit Koks und Möller beschickt. Was ist Koks, was ist Möller? 3. Im Hochofen wird Eisenerz bei hoher Temperatur zu Roheisen reduziert. Wie heisst der reduzierende Stoff? 4. Welcher Stoff entsteht neben Roheisen bei der Reduktion noch und wozu wird er verwendet? 5. Warum sind Gegenstände aus Roheisen in der Technik kaum zu gebrauchen? 6. Mit welchem Verfahren kann man aus Roheisen Stahl gewinnen? Beschreibe es. 7. Was ist Edelstahl und wie stellt man ihn her? 8. Kannst du dir vorstellen, weshalb Hochöfen Tag und Nacht in Betrieb sind? 9. Rate, wie lange die Lebensdauer eines Hochofens ist.