Eisen und Stahlherstellung - Department Chemie und Biologie

Eisen und Stahlherstellung
Reines Eisen:
Chemisch reines Eisen erhält man mit folgenden Methoden:
-Reduktion von Oxiden mit Wasserstoff bei 400-700°C.
-In höchster Reinheit durch Pyrolyse von Eisencarbonyl Fe(CO)5 bei 250°C.
-Elektrolyse wässriger Eisensalzlösungen.
Gewinnung:
Der Hochofen wird abwechselnd mit Koks und Erz beschickt. Den Erzen werden Zuschläge
(Gangart) zugesetzt, die während des Hochofenprozesses leicht schmelzbare
Calciumaluminiumsilicate (Schlacke) bilden. In den Hochofen wird von unten 1000-1300°C
heiße Luft geblasen. Ihr wird teilweise bis zu 3,5% Sauerstoff zugesetzt. An der Einblasstelle
verbrennt das Koks zunächst zu CO2. Das CO2 reagiert sofort mit dem heißen Koks unter
Wärmeverbrauch zu CO. Dadurch kühlt sich das Gas ab. In den Erzschichten werden die
Eisenoxide von CO stufenweise reduziert. Im unteren Teil des Hochofens liegt das bereits
teilreduzierte Eisenerz überwiegend als Wüstit „FeO“ vor. Dieses wird durch CO zu Eisen
reduziert. Das entstehende CO2 wandelt sich in der darüberliegenden Koksschicht wieder in
CO um, dieses wirkt in der folgenden Erzschicht erneut reduzierend usw. Insgesamt findet
also die Reaktion 2 FeO + C ¼
2 Fe + CO2
statt (direkte Reduktion). Wird die
Temperatur des aufsteigenden Gases kleiner als 900-1000°C, findet nur noch die Reduktion
von Eisenoxid unter Bildung von CO2 statt (indirekte Reduktion). Im oberen Teil erfolgt
hauptsächlich die indirekte Reduktion von Fe2O3 und Fe3O4 zu FeO. In Eisen können sich
maximal 4,3% Kohlenstoff lösen, dadurch wird der Schmelzpunkt des Roheisens erniedrigt.
Durch Kontakt mit dem Koks löst sich Kohlenstoff im flüssigem Eisen bis zur Sättigung.
Das flüssige Roheisen enthält Beimengungen wie C, Si, Mn, etc.
Stahlerzeugung
Das Roheisen enthält 3,5 - 4,5 % C, dadurch ist es spröde und erweicht beim Erhitzen sofort.
Um daraus Stahl zu machen, muss der C -Gehalt herabgesetzt werden. Um Roheisen in Stahl
zu überführen, müssen störende Begleitelemente wie P, S, Si, O2 und Mn auf niedrigere
Restgehalte reduziert werden. Dies geschieht durch mehrere Raffinationsprozesse:
Als erstes die Frischreaktion. An der Grenzfläche Metall zu Oxid oxidiert das FeO die
Begleitelemente Si, Mn und P. Diese lösen sich im FeO.
Zur Verschlackung der Oxide wird CaO zugesetzt. Der verbliebene Kohlenstoff reagiert mit
dem im flüssigen Eisen gelösten O2 zu CO. Der im flüssigen Stahl gelöste Sauerstoff
verursacht bei der Erstarrung des Stahls schädliche oxidische Einschlüsse, daher muss
flüssiger Stahl desoxidiert werden und zwar mit Aluminium.
Sauerstoffaufblasverfahren:
Das Sauerstoffaufblasverfahren dient hauptsächlich der Erzeugung von unlegierten Stählen.
In einem Konverter ist Roheisen, Schrott (Kühlzweck), und Kalk (Schlackebildner) enthalten.
Auf die Schmelze wird mit einem wassergekühltem Blasrohr Sauerstoff mit 6 - 10 bar
aufgeblasen. Durch den Gasstrahl und das beim Frischen entstandene CO wird das Bad
durchmischt. Der C-Gehalt sinkt auf 0,05 %. Nach ca. 15 Minuten ist der Frischvorgang
beendet. Der Stahl fließt durch das Abstichloch in eine Gießpfanne und gleichzeitig werden
andere verflüssigte Metalle hinzugegeben, bis man die Zusammensetzung hat die man
erzielen wollte.
Elektrostahlverfahren:
Der Stahl wird in Lichtbogen- oder Induktionsöfen erschmolzen. Ein bis 8000°C heißer
Lichtbogen überträgt Wärme durch Strahlung. Bei Massenstählen wird unlegierter Schrott mit
Kohle eingeschmolzen. Anschließend erfolgt das Frischen.
Die Eigenschaften des Stahls hängen nicht nur von seiner chemischen
Zusammensetzung ab, sondern auch von der Wärmebehandlung.
Fragen:
1.) Beschreiben Sie den Hochofenprozess
2.) Definieren Sie die Begriffe: a.) Erz; b.) Schlacke; c.) Gangart
3.) Was geschieht beim Sauerstoffaufblasverfahren?