Blockguss

Beim Blockguss erstarrt der noch flüssige Stahl des Stahlwerks in Kokillen zu konischen Blöcken mit jeweils einer Masse von einigen Kilogramm bis mehreren Tonnen. Durch den leichten Konus können die meist aus Kugelgraphitguss hergestellten Kokillen nach dem Erstarren des Stahls besser abgezogen werden.

Werden die konischen Blöcke zu länglichen Blöcken mit rechteckigem Querschnitt gewalzt, dann spricht man auch von Brammen. Brammen werden als Halbzeuge an Walzwerke zur Herstellung von Blechen, Warm- und Kaltbänder oder an Schmiedereien geliefert.

Insgesamt ist der Blockguss jedoch nicht für die Massenfertigung geeignet. Er beschränkt sich vorwiegend auf hochlegierte Stähle wie Werkzeugstähle und Wälzlagerstähle, die nur in geringen Stückzahlen hergestellt werden. Brammen für die Massenfertigung werden heutzutage vorwiegend im leistungsfähigeren Stanggussverfahren hergestellt (im nachfolgenden Abschnitt näher erläutert).

Je nachdem ob die Kokille beim Blockguss von oben oder von unten befüllt wird, unterscheidet man zwischen fallendem Guss und steigendem Guss. Bei steigendem Guss wird die Kokille über einen Zulauf von unten befüllt, sodass die Schmelze in der Kokille hochsteigt. Dieses Verfahren wird beim Blockguss vorwiegend angewendet.

Als Blockguss bezeichnet man das diskontinuierliche Abgießen und Erstarren des Stahls in Gussblöcken!

Bei unberuhigt vergossenen Blockstählen steigen Gasblasen während des Erstarrens auf und sorgen so für Strömungen in der Schmelze. Da der Gussblock vom Rand her erstarrt, werden auf diese Weise niedrigschmelzende Begleit- und Legierungselemente eher zur Blockmitte gefördert. Es entsteht eine chemische Entmischung des Gussblocks, welche auch als Blockseigerung bezeichnet wird. So enthält der zuletzt erstarrte Kopf des Gussblocks bspw. eine bis zu 5-fach höhere Schwefel- und Phosphorkonzentration als die Randbereiche.

Umgekehrt bedeutet dies, dass der Stahlblock an der Oberfläche nur geringe Verunreinigungen aufweist und dort zudem sehr kohlenstoffarm ist. Diese zähe Oberflächenschicht hat zudem eine hohe Oberflächengüte und wird auch als Speckschicht bezeichnet. Diese ist der Grund weshalb für Tiefziehbleche häufig unberuhigt vergossene Stähle verwendet werden.

Zudem weisen unberuhigt vergossene Blockstähle im Vergleich zu beruhigt vergossenen Stählen nur geringe Schwindmaße und wenig Lunkerbildung auf. Ursache hierfür sind die aufsteigenden Gasblasen, die zwar nach der Erstarrung als Poren im Gussblock zurückbleiben, jedoch gerade deshalb der Volumenverkleinerung beim Übergang von flüssig nach fest entgegenwirken. Dabei wirken die Gasporen beim Walzen zu Blechen nicht weiter störend, da diese durch die hohen Umformgrade zusammengepresst werden und die Poreninnenflächen miteinander verschweißen.

Unberuhigt vergossener Stahl wird häufig als Stahl zum Tiefziehen oder zum Walzen genutzt!

Unberuhigt vergossener Stahl kommt bei Stahlsorten die eine homogene Verteilung der Legierungselemente aufweisen müssen, und damit keine Blockseigerung (hervorgerufen durch Blasenbildung beim Erstarren) beinhalten dürfen, nicht in Frage. Dies ist insbesondere bei legierten Stählen der Fall. Solche Stähle müssen beruhigt vergossen werden. Da dabei keine Gasporen entstehen, die dem Zusammenziehen des Materials beim Übergang fest-flüssig entgegenwirken, fällt die Schwindung des Materials jedoch größer aus als bei unberuhigt vergossenen Stählen. Dies führt zu großen Lunkern im Kopfbereich des Blocks, welcher im Walz- oder Schmiedewerk entsprechend abgetrennt werden muss. Auf diese Weise sind etwa 20 % des Gussblocks unbrauchbar.

Für legierte Stähle mit hohen Anforderungen an die homogene Legierungszusammensetzung wird Stahl beruhigt vergossen!

Strangguss

Der überwiegende Anteil (über 90 %) der produzierten Stähle erstarrt nicht als Blockguss sondern wird im Stranggussverfahren hergestellt. Beim Strangguss wird der flüssige Stahl in Kupferkokillen gegossen, welche nach unten offen und wassergekühlt sind. Durch diese Öffnung tritt der Stahl in erstarrter Form aus und wird kontinuierlich über Führungs- und Triebwalzen als Endlosstrang abgezogen. Auf dem Weg von der senkrechten in die über 15 Meter tiefer gelegene horizontale Lage kühlt der Stahlstrang auch im Inneren ab. Er wird hierzu kontinuierlich mit Wasser besprüht und besitzt aufgrund der raschen Abkühlung ein relativ zähes und festes Gefüge.

Als Strangguss bezeichnet man das kontinuierliche Abgießen und Erstarren des Stahls durch wassergekühlte Formen!

Für den Strangguss eignen sich ausschließlich beruhigte Stahlschmelzen, da die Gasporen sonst ein Brechen des Stahlstrangs verursachen könnten. Durch das stetige Nachfließen der Schmelze in der Kokille tritt dabei keine Lunkerbildung auf wie dies für beruhigte Stähle im Blockgussverfahren der Fall ist. Abgesehen von der im Allgemeinen etwas schlechteren Oberflächengüte hat der Strangguss gegenüber dem Blockguss jede Menge wirtschaftliche Vorteile. Deshalb werden heutzutage auch über 90 % der Halbzeuge im Stranggussverfahren hergestellt.

Bei der Herstellung von Brammen nach dem Stranggussverfahren wird der abgezogene Strang einfach in regelmäßigen Abständen durch mitgeführte Schneidbrenner auf Länge geschnitten. Die hergestellten Brammen können einen rechteckigen Querschnitt von bis zu 2000 mm Breite und 400 mm Höhe aufweisen, wobei die Länge der Brammen je nach Wunsch der Walzwerke prinzipiell beliebig gewählt werden kann.

Je nach Form der Kokille können auch andere Querschnitte hergestellt werden. Bei quadratischen oder kreisförmigen Querschnitten spricht man hingegen nicht mehr von Brammen sondern von sogenannten Knüppeln.

Brammen haben rechteckige Querschnitte und dienen hauptsächlich als Halbzeuge für die Blechherstellung. Knüppel haben quadratische oder kreisförmige Querschnitte und dienen als Halbzeuge für die Stab-, Rohr- Profil- und Drahtherstellung!

Einleitung

In den Anfangszeiten der Stahlherstellung wurde der Rohstahl direkt nach dem Frischen vergossen und war bereit für den Verkauf. Im Laufe der Zeit sind die Anforderungen an die Stähle jedoch mehr und mehr gestiegen. Insbesondere niedrige Phosphor-, Stickstoff- und Sauerstoffkonzentrationen sind heutzutage unabdingbar geworden. Die erforderliche Qualität kann nur durch weitere Nachbehandlungsverfahren gewährleistet werden.

Historisch bedingt werden deshalb die Verfahren von der Erzgewinnung bis zum Rohstahl nach dem Frischen zur Primärmetallurgie gezählt, alle weiteren Veredelungsprozesse des Rohstahls zum fertigen (legierten) Stahl zählen zur Sekundärmetallurgie. Auch die im Direktreduktionsverfahren gewonnenen Rohstähle werden einer solchen sekundärmetallurgischen Behandlung unterzogen. Hierunter fallen unter anderem die im Nachfolgenden näher erläuterten Verfahren wie:

• Desoxidierung
• Vakuumbehandlung
• Umschmelzbehandlung
• Legieren

Für diese Verfahren wird der gefrischte Rohstahl im Konverter gekippt und in sogenannte Pfannen abgegossen. Deshalb wird die Sekundärmetallurgie auch häufig Pfannenmetallurgie genannt.

Die Sekundärmetallurgie dient der Veredelung der Stähle, um den unterschiedlichsten Anforderungen gerecht zu werden!

Desoxidierung

Im vorherigen Abschnitt wurden die wichtigsten Gleichgewichtsreaktionen während des Frischens erläutert. Vor allem die Reaktion des Eisenoxids (\(FeO\)) mit Kohlenstoff (\(C\)) zu Eisen (\(Fe\)) und Kohlenmonoxid (\(CO\)) hat für den Sauerstoffgehalt des späteren Stahls besondere Bedeutung:

\begin{align}
\label{1}
&FeO ~&&+~ C &&\rightleftharpoons~ Fe && +~ CO \\[5px]
\end{align}

Da es sich bei dieser Reaktion um eine Gleichgewichtsreaktion handelt, bleibt auch stets oxidiertes Eisen (\(FeO\)) in der Schmelze gelöst. Vor allem bei kohlenstoffarmer Schmelze kann gemäß der Reaktionsgleichung (\ref{1}) nur wenig Sauerstoff in Form von Kohlenmonoxid aus der Schmelze entweichen. Der flüssige Rohstahl enthält dann sehr viel gelösten Sauerstoff. Dies kann im erstarrten Zustand in Verbindung mit Schwefel zur verstärkten Heißbruchneigung beim Warmumformen führen, da das gebildete Eisenoxid \(FeO\) die Schmelztemperatur der ohnehin schon niedrigschmelzenden Eisen-Eisensulfid-Verbindung nochmals herabsetzt.

Zudem „kocht“ der Sauerstoff beim Erstarren des Stahls in Form von Kohlenmonoxid aus. Dies führt zu Gaseinschlüssen und damit zur Porenbildung. Das Auskochen des Kohlenmonoxids ist der Tatsache geschuldet, dass sich der Kohlenstoffgehalt in der Restschmelze beim Erstarren erhöht (siehe Eisen-Kohlenstoff-Diagramm). Um das chemische Gleichgewicht zu halten, bildet sich gemäß Gleichung (\ref{1}) somit vermehrt Kohlendioxid, welches dann gasförmig nach oben steigt. Auch beim Wiedererstarren einer Schweißverbindung würden sich Gasporen bilden. Deshalb sind solche sauerstoffhaltigen Stähle nicht schweißgeeignet. Aus diesem Grund muss der eingebrachte Sauerstoff nach dem Frischen durch nachträgliches Desoxidieren so weit wie nötig aus dem Rohstahl entfernt werden.

Ein zu hoher Sauerstoffgehalt im Stahl führt bei der Erstarrung zur Bildung von Gasblasen und damit zur Bildung von Poren. Stähle müssen deshalb vor dem Erstarrung desoxidiert werden!

Je nachdem wie stark desoxidiert wird, unterscheidet man zwischen unberuhigtem, halbberuhigtem und vollberuhigtem Stahl. Die Bezeichnung „beruhigen“ geht eben auf das Aufsteigen der Gasblasen beim Erstarren und der damit verbundenen Schmelzbadbewegung zurück. Die Desoxidation des Stahls wird deshalb auch Beruhigung genannt. Der Desoxidationsgrad hängt von der Wahl der Desoxidationsmittel ab, die alle grundsätzlich eine stärke Affinität zum Sauerstoff besitzen müssen als das Eisen.

Bei unberuhigt vergossenen Stählen wird lediglich Mangan (\(Mn\)) zugegeben, der nicht nur den Sauerstoff bindet sondern auch das im Stahl enthaltene Schwefelsulfid (\(FeS\)) in die für den Rot- und Heißbruch ungefährliche Form des Mangansulfids (\(MnS\)) überführt:

\begin{align}
\label{unberuhigung}
&FeO &&~+~ Mn  &&\rightleftharpoons~ Fe && +~ MnO \\[5px]
&FeS &&~+~ Mn  &&\rightleftharpoons~ Fe && +~ MnS \\[5px]
\end{align}

Die Halbberuhigung des Stahls geschieht zusätzlich mit Silizium nach der unten angegebenen Gleichgewichtsreaktion:

\begin{align}
\label{halbberuhigung}
&2~FeO ~&&+~ Si  &&\rightleftharpoons~ 2 Fe && +~ SiO_2 \\[5px]
\end{align}

Bei der Vollberuhigung wird zusätzlich mit Aluminium gearbeitet, wobei die Reaktion praktisch vollständig zu Gunsten des Aluminiumoxids abläuft. Nahezu der gesamte Sauerstoff bleibt hinterher in Form von Aluminiumoxid im Rohstahl gebunden und kocht beim Erstarren nicht mehr aus. Die Reaktionsgleichung hierfür lautet wie folgt:

\begin{align}
\label{vollberuhigung}
&3~FeO ~&&+~ 2 Al &&\rightarrow~ 3 Fe && +~ Al_2O_3 \\[5px]
\end{align}

Aber nicht nur Sauerstoff sondern auch andere Gase wie Stickstoff (aus der Luft) nimmt das Roheisen während des Frischens auf. Auch dieser muss nachträglich unter das erforderliche Höchstmaß gebracht werden. Stickstoffhaltige Stähle neigen nämlich zum sogenannten Altern.

Unter altern versteht man die Versprödung des Stahls im Laufe der Zeit. Die Ursache der Versprödung liegt darin, dass Stickstoff zwar bei relativ hohen Temperaturen gelöst werden kann, jedoch praktisch nicht bei Raumtemperatur löslich bleibt. Somit wird sich der (zwangsgelöste) Stickstoff mit der Zeit als Eisennitrid im Stahlgefüge ausscheiden. Diese Ausscheidungen behindert im besonderen Maße die für eine Verformung notwendige Versetzungsbewegung – der Stahl versprödet.

Stähle die keine Alterungserscheinungen zeigen sollen, müssen folglich stickstoffarm sein. Vor allem in den Anfängen der Stahlherstellung, als noch mit stickstoffhaltiger Luft gefrischt wurde, stellte die Stickstoffaufnahme ein großes Problem dar. Deshalb wird heutzutage mit technisch reinem Sauerstoff gefrischt, wobei auch dabei stets Anteile an Stickstoff aufgenommen werden.

An dieser Stelle bietet die Vollberuhigung mit Aluminium zusätzliche Vorteile. Das zugesetzte Aluminium verbindet sich nämlich mit dem gelösten Stickstoff zu Aluminiumnitrid und macht es dadurch bezüglich einer Alterung unschädlich:

\begin{align}
&FeN  ~&&+~ Al &&\rightarrow~ Fe ~&&+~ AlN \\[5px]
\end{align}

Die Aluminiumnitride fördern darüber hinaus die Keimbildung während des Erstarrens und verzögern das Kornwachstum, sodass sich damit schweißgeeignete Feinkornbaustähle herstellen lassen.

Vollberuhigte Stähle mit Aluminium eigenen sich besonders zum Schweißen (schweißgeeignete Feinkornbaustähle)!

Nachteilig kann sich die Vollberuhigung jedoch auf die Oberflächenqualität auswirken, weshalb in manchen Fällen unberuhigt vergossener Stahl genutzt wird wie bspw. für die Herstellung von Tiefziehblechen (im Kapitel hier mehr dazu). Auch kann die Vollberuhigung beim Blockguss zu verstärkten Innenlunkern führen, die später abgetrennt werden müssen und somit Ausschuss darstellen.

Vakuumbehandlung (Entgasung)

Auf die ähnliche Weise wie Stickstoff, wirken auch andere Gase wie bspw. Wasserstoff im Stahl versprödent (Wasserstoffversprödung genannt). Grundsätzlich sollten die gelösten Gase deshalb aus dem flüssigen Rohstahl weitestgehend entfernt werden.

Um dies technisch zu realisieren macht man sich auch die Eigenschaft zu Nutze, dass die Löslichkeit von Gasen vom äußeren Druck abhängig ist. Dabei gilt: Je niedriger der Umgebungsdruck, desto weniger Gase können in einer Flüssigkeit gelöst werden. Eine Entgasung des flüssigen Rohstahls kann folglich dadurch erreicht werden, dass dieser einem starken Unterdruck („Vakuum“) ausgesetzt werden. Genau dies wird bei einer Vakuumbehandlung gemacht. Die dann zum Teil nicht mehr lösbaren Gase wie Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff steigen in der Schmelze auf und können verschlackt werden.

Mit einer Vakuumbehandlung können unerwünschte Gase aus dem flüssigen Stahl entfernt werden!

Dadurch dass bei einer Vakuumbehandlung auch teilweise Sauerstoff aus der Schmelze ausperlt, erfolgt somit auch eine Desoxidation. Ebenfalls kann durch die Vakuumbehandlung ein starker Entkohlungseffekt erzielt werden, da sich das chemische Gleichgewicht nach Gleichung (\ref{1}) durch den Unterdruck nach rechts verschiebt. Der Kohlenstoff kann folglich nicht mehr im selben Maße in der Schmelze gelöst werden und steigt als Kohlenmonoxid auf. Eine solche Feinentkohlung ist für manche rostfreien Stähle erforderlich, deren Kohlenstoffkonzentrationen teilweise bei nur 0,01 % liegen (z.B. der Stahl X1NiCrMoCu25-20-5).

Umschmelzverfahren

Eine noch größere Reinheit als die Entgasung per Vakuumbehandlung liefert das Elektro-Schlacke-Umschmelz-Verfahren (kurz: ESU-Verfahren). Hierzu wird der Rohstahl zunächst in eine zylindrische Form gegossen und erstarrt. Der erstarrte Stahlzylinder dient anschließend als abschmelzende Elektrode für eine Hochspannungsquelle. Die zweite Elektrode wird durch eine Kokille gebildet, innerhalb deren sich ein Schlackenbad bestehend aus Kalk und Tonerde befindet. Die Schlacke dient gleichzeitig als elektrischer Widerstand.

Die Rohstahl-Elektrode wird nun von oben der Kokillen-Elektrode genähert und ein Lichtbogen gezündet. Der Stahlzylinder fängt aufgrund der hohen Temperaturen an zu schmelzen und tropft auf die flüssige Schlacke. Beim Durchwandern durch die Schlacke werden dem flüssigen Stahl die unerwünschten Eisenbegleiter entfernt. Anschließend erstarrt der gereinigte Stahl in der wassergekühlten Kokille, wobei sich die Schlacke mit der Erstarrungsfront des Stahls nach oben bewegen.

Das Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren kann auch unter Vakuum erfolgen, so dass dabei gleichzeitig eine Entgasungswirkung eintritt. Dieses Kombinationsverfahren wird dann als Vakuumumschmelzverfahren bezeichnet, welches für besonders hochwertige Edelstähle angewendet wird.

Legieren

Eine wichtige Aufgabe der Sekundärmetallurgie ist das Einstellen der Stahlzusammensetzung (Einstellen der Analyse). Dies geschieht durch Zugeben von Legierungselementen wie Titan, Chrom, Nickel, Molybdän, Vanadium, Wolfram, etc. Beim Elektrostahlverfahren werden die hochschmelzenden Legierungselemente eventuell bereits direkt im Lichtbogen- oder Induktionsofen zugegeben.

Nach Analysenkontrollen ist der flüssige Stahl schließlich endgültig bereit um vergossen und zu Halbzeuge oder Gussteile (Stahlguss) verarbeitet zu werden. Dabei wird der flüssige Stahl entweder als Blockguss (diskontinuierlicher Vorgang) oder als Strangguss (kontinuierlicher Vorgang) vergossen. Auf diese Prozessschritte wird im folgenden Abschnitt der Halbzeugherstellung näher eingegangen.

Einleitung

Aufgrund des hohen Kohlenstoffgehaltes sowie den relativ hohen Konzentrationen an Phosphor und Schwefel ist Roheisen im Allgemeinen sehr spröde und eignet sich weder zum Schmieden noch zum Schweißen. Deshalb muss das Roheisen nachbehandelt werden, um hieraus den eigentlichen Stahl mit seinen typischen Schmiede- und Schweißeigenschaften zu erzeugen. Diese Nachbehandlung erfolgt in Stahlwerken, deren Aufgabe im Wesentlichen darin besteht den Kohlenstoff auf das gewünschte Maß von unter 2 % zu reduzieren und die störenden Eisenbegleiter wie Schwefel, Phosphor und Stickstoff (und in gewissem Rahmen auch Silizium und Mangan) weitestgehend zu entfernen.

Im besonderen Maße wirkt dabei der Schwefel nachteilig. Er führt zur Bildung von Eisensulfid, welches in Verbindung mit Sauerstoff ein niedrigschmelzendes Gemenge bildet. Das Eisensulfid lagert sich bei einer späteren Warmumformung im Bereich von 800 °C bis 1000 °C an den Korngrenzen der Austenitkörner ab und führt so zu einer Versprödung des Gefüges. Da die Bruchfläche eines bei diesen Temperaturen gebrochenen Stahls rotglühend ist, bezeichnet man diese Bruchart auch als sogenannten Rotbruch. Ab einer Temperatur von 1200 °C fangen die Eisensulfideinschlüsse sogar an zu schmelzen und führen somit ebenfalls zum Bruch. Dies wird dann als sogenannter Heißbruch bezeichnet.

Um Rot- und Heißbrüche zu vermeiden müssen Stähle deshalb im Allgemeinen schwefelarm sein (Ausnahme: Automatenstähle). Zudem wird meist Mangan hinzulegiert, welches dann den Schwefel in Form von Mangansulfid an sich bindet und somit nicht in der schädlichen Eisensulfidverbindung vorliegt.

In den nachfolgenden Abschnitten wird deshalb auf die Reduktion des Schwefels durch eine gezielte Entschwefelung und auf die Reduktion des Kohlenstoffgehaltes durch Frischen näher eingegangen.

Roheisen ist aufgrund des hohen Kohlenstoff- und Schwefelgehaltes zu spröde, um es als Konstruktionswerkstoff verwenden zu können! Roheisen muss deshalb entschwefelt und entkohlt werden!

Entschwefelung

Die Nachbehandlung des Roheisens zu Stahl geschieht in flüssiger Form. Hierzu wird das im Hüttenwerk erzeugte Roheisen zunächst in großen Mischbehältern (Roheisenmischer genannt) mit einem Fassungsvermögen von bis zu 1800 t gesammelt. Mehrere Roheisenabstiche werden darin gemischt, um Unterschiede in der Zusammensetzung auszugleichen und dem Stahlwerk somit eine gleichbleibende Qualität zu liefern.

Bei manganreichem Roheisen findet bereits ohne weiteres Zutun eine Vorentschwefelung statt, da der Schwefel eine größere Affinität zu Mangan als zu Eisen besitzt. Zusätze aus Ferromangan verstärken diesen Effekt. Bei dieser sogenannten Manganentschwefelung bildet sich aus dem Eisensulfid (\(FeS\)) in der Roheisenschmelze dann Mangansulfid (\(MnS\)):

\begin{align}
\label{manganentschwefelung}
&FeS ~+~ Mn \rightleftharpoons~ Fe ~+~ MnS ~~~~~~ \text{(exotherm)}  \\[5px]
\end{align}

Das im flüssigen Roheisen unlösliche Mangansulfid setzt sich als Schlacke auf der Schmelze ab. Grundsätzlich kann dabei aber nicht der gesamte Schwefel aus der Schmelze entfernt werden, da bei hohen Temperaturen (die ja nötig sind, um das Roheisen flüssig zu halten), das Reaktionsgleichgewicht nach links verschoben wird.

Aus diesem Grund wird dem Roheisen vor dem Transport zum oder im Stahlwerk Kalziumoxid oder Kalziumcarbid zugesetzt und damit entschwefelt (Kalkentschwefelung genannt). Im Wesentlichen reagiert dabei das im flüssigen Roheisen enthaltene Eisensulfid (\(FeS\)) mit dem Calciumoxid (\(CaO\)) bzw. Calciumcarbid (\(CaC_2\)) zu Calciumsulfid (\(CaS\)). Auf dieselbe Weise wirkt auch Magnesiumoxid (\(MgO\)) entschwefelnd. Vor allem hohen Temperaturen begünstigen diese Form der Entschwefelung. Die Reaktionsgleichungen hierfür lauten wie folgt:

\begin{align}
\label{kalkentschwefelung}
&FeS ~+~ CaO  &&\rightleftharpoons~ FeO && +~ CaS \\[5px]
&FeS ~+~ CaC_2 &&\rightleftharpoons~  Fe &&+~ CaS ~+~ 2~C  \\[5px]
&FeS ~+~ MgO  &&\rightleftharpoons~ FeO &&+~ MgS \\[5px]
\end{align}

Das gebildete Calcium- bzw. Magnesiumsulfid wird dann in einer basischen Schlacke gebunden. Grundsätzlich können nur Schlacken aus basischen Verbindungen die sauren Stoffe wie Schwefel (und Phosphor) binden. Je nach Prozessaufwand kann der Schwefelgehalt im Roheisen so auf bis zu 0,001 % verringert werden.

Die Weiterbehandlung des größtenteils entschwefelten Roheisens erfolgt im Stahlwerk selbst. Wenn es sich nicht um ein integriertes Hüttenwerk handelt, muss das Roheisen unter Umständen mehrere Kilometer vom Hüttenwerk in das Stahlwerk transportiert werden. Dies geschieht in der Regel in sogenannten Torpedowagen, welche sich auf Eisenbahnschienen befinden.

Den Namen verdankt dieses Transportmittel seiner länglichen Torpedoform. Das Fassungsvermögen eines solchen Torpedowagens beträgt etwa 300 t. Die feuerfest mit Steinen ausgekleideten Wagen lassen das Roheisen auf dem Weg zum Stahlwerk nur minimal abkühlen (ca. 10 °C pro Stunde). Im Stahlwerk kann der noch flüssige Stahl dann weiterbehandelt werden.

Frischen (Entkohlung)

Ist das flüssige Roheisen nach der Entschwefelung im Stahlwerk angekommen, so erfolgt die Weiterbehandlung zum (Roh-)Stahl. Dabei macht man sich zunächst zu Nutze, dass die noch im unerwünschten Maße enthaltenen Eisenbegleiter wie Phosphor, aber auch die in zu hohen Konzentrationen vorhandenen Elemente wie Kohlenstoff, Silizium und Mangan, eine größere Affinität zum Sauerstoff besitzen als Eisen.

Dies bietet die Möglichkeit die Eisenbegleiter in der Roheisenschmelze relativ einfach unter Zufuhr von Sauerstoff zu verbrennen. Hierdurch oxidieren die Eisenbegleiter und werden in einer schlackenbildenden Schicht gebunden bzw. vergasen. Anders als bei der Roheisenherstellung im Hochofen erfolgt der Verbrennungsvorgang an dieser Stelle eben nicht mit Kohlenstoff, denn dieser soll ja unter anderem aus dem Roheisen teilweise entfernt werden.

Früher wurde der Roheisenschmelze frische Luft zur Oxidation zugeblasen, weshalb ein solcher Oxidationsvorgang ganz allgemein auch als Frischen bezeichnet wird. Im Laufe der Zeit haben sich unterschiedliche Verfahren zum Frischprozess entwickelt, von denen viele heute nicht mehr zeitgemäß sind. Deshalb wird im Folgenden auf das wichtigste Verfahren näher eingegangen, dem Konverterverfahren.

Beim Konverterverfahren wird das Roheisen zunächst in riesige Tiegel mit einem Fassungsvermögen von ca. 300 t gefüllt, sogenannte Konverter („Umwandler“). Durch eine wassergekühlte Kupferlanze wird dann Sauerstoff auf das Roheisenbad geblasen. Deshalb wird diese Art des Konverterverfahrens auch Sauerstoff-Aufblas-Verfahren genannt. Entwickelt wurde dies zuerst in den Stahlwerken Linz und Donawitz, weshalb man dieses Verfahren auch unter dem Namen Linz-Donawitz-Verfahren (kurz: LD-Verfahren) bekannt ist.

Durch den aufgeblasenen Sauerstoff werden der Kohlenstoff und die unerwünschten Eisenbegleiter aus dem Roheisen herausoxidiert. Die Durchmischung der Schmelze erfolgt durch den hohen Blasdruck und die heftige Oxidation, welche das Roheisenbad in Bewegung setzt. Mit Hilfe von Kalkzuschlägen werden die gebildeten Oxide dann in einer basischen Schlacke gebunden oder in den gasförmigen Zustand überführt.

Das Oxidieren der Begleitelemente geschieht über die Bildung von flüssigem Eisenoxid (\(FeO\)), welches durch das Sauerstoffaufblasen (\(O_2\)) auf dem Roheisen (\(Fe\)) entsteht:

\begin{align}
\label{eisenoxidation}
&Fe ~+~ O_2  &&\rightleftharpoons~ FeO ~+~ O \\[5px]
\end{align}

Das oxidierte Eisen reagiert dann mit den Begleitelementen, wobei diese aufgrund der größeren Sauerstoffaffinität selbst oxidiert werden, während das Eisenoxid wieder reduziert wird. Die chemischen Gleichgewichtsreaktionen der wichtigsten Eisenbegleiter lauten:

\begin{align}
\label{konverterverfahren}
&FeO ~&&+~ C  &&\rightleftharpoons~ Fe && +~ CO \\[5px]
5~&FeO &&~+~ 2~P  &&\rightleftharpoons~ 5~Fe && +~ P_2O_5 \\[5px]
&FeO &&~+~ Mn  &&\rightleftharpoons~ Fe && +~ MnO \\[5px]
2~&FeO &&~+~ S  &&\rightleftharpoons~ 2~Fe && +~ SO_2 \\[5px]
\label{konverterverfahren_ende}
2~&FeO &&~+~ Si  &&\rightleftharpoons~ 2~Fe && +~ SiO_2 \\[5px]
\end{align}

Die extrem exotherme Oxidation der Eisenbegleiter gleicht letztlich einem Verbrennungsvorgang. Die Temperatur der Roheisenschmelze steigt dabei von 1250 °C auf über 1600 °C an. Aus diesem Grund wird zur Kühlung ca. 20 % Recycling-Schrott hinzugegeben, um den mit Steinen ausgekleideten Konverter vor zu hohen Temperaturen zu schützen. Auch Eisenerz oder Eisenschwamm (aus dem Direktreduktionsverfahren) kann als Kühlung mitverwendet werden.

Nach einer Aufblaszeit von ca. 20 Minuten ist die dann als Rohstahl bezeichnete Schmelze fertig gefrischt. Für die Weiterbehandlung wird der Rohstahl in Pfannen vergossen. Diese Weiterbehandlung wird auch als Sekundärmetallurgie bezeichnet und wird im nachfolgenden Kapitel behandelt.

Beim Sauerstoff-Aufblas-Verfahren (LD-Verfahren) wird Sauerstoff auf die flüssige Schmelze geblasen und Kohlenstoff sowie andere Eisenbegleiter herausoxidiert! Zur Kühlung wird Schrott hinzu gegeben!

Direktreduktionsverfahren

Neben dem Prozessweg über den Hochofenprozess, existiert über das sogenannte Direktreduktionsverfahren noch ein weitere Möglichkeit um aus Eisenerzen Rohstahl zu gewinnen. Ausgangspunkt der Bestrebungen um eine Alternative zum Hochofenprozess, war der relativ hohe Prozessaufwand. Denke man nur an die aufwendige Kokserzeugung, Heißwind-Erzeugung und die hohen Anforderungen an die Hochofenwerkstoffe aufgrund der enormen Temperaturen und nicht zuletzt an die schädlichen Gichtgase. Vor allem im Zuge des des Klimawandels muss man nach Alternativen suchen, die weniger CO2 verursachen als dies im Moment beim Hochofenprozess der Fall ist.

Aus diesen Gründen wurde das Direktreduktionsverfahren entwickelt, welches in Sachen Produktivität jedoch noch weit hinter dem Hochofenprozess steht.

Herzstück der Direktreduktion ist der Schachtofen, der mit Stückerz und Pellets von oben gefüllt wird. Um den Sauerstoff in den Eisenerzen herauszulösen, wird Kohlenmonoxid- und Wasserstoffgas verwendet. Im Gegensatz zum Hochofenprozess gehen diese Reduktionsgase jedoch nicht aus der Verbrennung von Koks hervor. Stattdessen werden diese Reduktionsmittel mittels Katalyse außerhalb des Schachtofens aus Erdgas erzeugt.

Die Prozessgase Kohlenmonoxid (\(CO\)) und Wasserstoff (\(H_2\)) werden bei Temperaturen von ca. 1000 °C in den Ofen geblasen und durchströmen die Eisenerze. Es findet dabei die Reduktion der Eisenoxide nach folgenden chemischen Gleichungen statt:

\begin{align}
\label{direktreduktionsverfahren}
&Fe_2O_3 ~&&+~ 3 CO  &&\rightarrow~ 2 Fe && +~ 3 CO_2 \\[5px]
&Fe_2O_3 ~&&+~ 3 H_2 &&\rightarrow~ 2 Fe && +~ 3 H_2O \\[5px]
\end{align}

Im Gegensatz zum Hochofen wird beim Direktreduktionsverfahren mit Temperaturen von maximal 1000 °C gearbeitet. Die Eisenerze werden also nicht aufgeschmolzen! Dies trifft auch für die im Erz enthaltene Gangart zu, weshalb die verwendeten Eisenerze von vorne herein relativ gangartarm sein müssen.

Aus den Eisenerzen wird durch die Reduktionsgase lediglich der Sauerstoff herausgelöst. Dies führt dazu, dass die Eisenerze an der Oberfläche rissig werden. Das Aussehen gleicht einem porösen Schwamm, weshalb das desoxidierte und somit stark eisenhaltige Eisenerz auch als Eisenschwamm bezeichnet wird.

Als Eisenschwamm wird stark eisenhaltiges, poröses Erz aus dem Direktreduktionsverfahren bezeichnet!

Um eine zu starke Wiederoxidation des Eisenschwamms an der späteren Luft zu verhindern, muss dieser im unteren Bereich des Schachtofens heruntergekühlt werden. Eine Aufkohlung wie beim Hochofenprozess tritt beim Direktreduktionsverfahren nicht ein, da nicht mit Koks als Reduktionsmittel gearbeitet wird. Somit bleibt der Kohlenstoffgehalt des Eisenschwamms mit rund 2 % relativ niedrig. Es wird im Schachtofen auch nicht mit schlackenbildenden Zuschlägen gearbeitet. Verunreinigungen werden durch das nachträglich stattfindende Elektrostahlverfahren entfernt. Dabei wird der Eisenschwamm zum eigentlichen Rohstahl erschmolzen. Auf dieses Verfahren wird im nächsten Abschnitt näher eingegangen.

Beim Direktreduktionsverfahren werden die Eisenerze durch gasförmige Reduktionsmittel direkt zu Eisenschwamm reduziert!

Elektrostahlverfahren

Beim Elektrostahlverfahren wird der aus dem Direktreduktionsverfahren gewonnene Eisenschwamm für die Rohstahlherstellung genutzt. In der Regel wird dem Prozess auch Recycling-Schrott hinzugegeben und eventuell Roheisen aus dem Hochofenprozess beigemischt. Diese Komponenten werden dann in einem speziellen Ofen gemischt. Während das Roheisen bereits flüssig ist, muss der Eisenschwamm und der beiliegende Schrott eingeschmolzen werden.

Dies geschieht beim Elektrostahlverfahren mithilfe von Elektroden, die im Ofen einen heißen Lichtbogen zünden (Lichtbogen-Verfahren). Durch Drehen des Ofens kann zunächst die anfallende Schlack und durch nochmaliges Wenden in die andere Richtung der Rohstahl abgegossen werden.

Für kleinere Mengen an Stahl kann die notwendige Schmelzwärme auch in speziellen Induktions-Öfen erzeugt werden (Induktions-Verfahren). Durch den relativ hohen Sauerstoffanteil im Eisenschrott (oxidiertes Eisen) erfolgt gleichzeitig eine Oxidation der Roheisenbegleiter, sodass die Schmelze in gewisser Weise gefrischt  wird. Zuschläge binden gleichzeitig die unerwünschten Eisenbegleiter in einer Schlacke.

Die Elektrostahlverfahren zeichnen sich durch extrem hohe Prozesstemperaturen von über 3000 °C aus. Hierdurch lassen sich auch hochschmelzende Legierungselemente im Schrott wie Wolfram, Molybdän und Niob schmelzen. Mit dem Elektrostahlverfahren können somit im Prinzip alle Stahlsorten hergestellt werden, wobei das Elektrostahlverfahren aufgrund der großen Kosten meist den hochlegierten Stählen vorbehalten ist (z.B. Werkzeugstähle).

Nachdem mit Hilfe des Elektrostahlverfahrens aus dem festen Eisenschwamm schließlich Rohstahl erhalten wurde, erfolgt die verfeinerte Nachbehandlung ebenfalls mit sekundärmetallurgischen Methoden.

Verbrennungsvorgang

Das in oxidierter Form gebundene Eisen in den aufbereiteten Erzen muss durch chemische Prozesse herausgelöst werden. Hierfür wird ein Stoff benötigt, der den Sauerstoff stärker an sich bindet als das Eisen selbst. Genau dies kann Kohlenstoff als Reduktionsmittel leisten. Der Kohlenstoff wird dabei in Form von Koks (pyrolysierte Kohle) aus der Kokerei dem Hochofen zugeführt.

Bei ausreichend hohen Temperaturen kann der Kohlenstoff dabei direkt an der Reduktion des Eisens teilnehmen (direkte Reduktion). Bei geringeren Temperaturen erfolgt die Reduktion indirekt mit Hilfe des bei der Verbrennung gebildeten Kohlenstoffmonoxidgases (indirekte Reduktion). In beiden Fällen wird das Eisenoxid zu Eisen reduziert.

Der Einsatz von Kohlenstoff als Reduktionsmittel ist nicht nur der großen Verfügbarkeit geschuldet sondern als gasförmiger Stoff hat Kohlenmonoxid den Vorteil, dass es in die porösen Erze gut eindringen und mit den darin enthaltenen Eisenoxiden reagieren kann. Aus diesem Grund werden die Eisenerze auch in Form von Sinter und Pellets so porös wie möglich aufbereitet.

Kohlenstoff liefert nicht nur die notwendige Wärme zum Schmelzen des Eisenerzes sondern dient in besonderer Weise als Reduktionsmittel, um die Eisenoxide zu Eisen zu reduzieren!

Auf die einzelnen chemischen Vorgänge im Hochofen wird in den folgenden Abschnitten näher eingegangen.

Um die nötige Wärme und das Reduktionsgas Kohlenstoffmonoxid (\(CO\)) zu erzeugen, wird im unteren Teil des Hochofens das Koks unter Zufuhr des eingeblasenen Heißwindes verbrannt. Der im Koks enthaltene Kohlenstoff (\(C\)) reagiert mit dem Luftsauerstoff im Heißwind (\(O_2\)) zunächst nach folgender Reaktionsgleichung zu Kohlendioxid (\(CO_2\)):

\begin{align}
\label{kohlendioxid}
& C + O_2  \rightarrow CO_2 ~~~ \text{(exotherm)} \\[5px]
\end{align}

Die Verbrennung ist sehr stark exotherm, d.h. es wird – wie bei einem Verbrennungsvorgang üblich – Wärme frei. Dies führt zu einem Temperaturanstieg von bis zu 2000 °C. Das entstandene Kohlendioxidgas (\(CO_2\)) reagiert aufgrund der sehr hohen Temperaturen wieder mit dem im Koks enthaltenen Kohlenstoff (\(C\)) und bildet das reduktionsfähige Kohlenmonoxidgas (\(CO\)).

\begin{align}
\label{kohlenmonoxid}
& CO_2 + C  \rightleftharpoons 2~CO ~~~ \text{(endotherm)} \\[5px]
\end{align}

Die Bildung von Kohlenmonoxid erfolgt endotherm, d.h. unter Energieaufnahme, sodass die Temperatur des Gases auf etwa 1700 °C fällt. Ein zu starker Temperaturabfall muss allerdings unbedingt vermieden werden, da die Reaktion von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid nur bei ausreichend hohen Temperaturen abläuft.

Eine zu geringe Temperatur würde wieder die Rückreaktion (angedeutet durch den Doppelpfeil in der Reaktionsgleichung) des reduktionsfähigen Kohlenmonoxidgases zu Kohlendioxid bedeuten. Aber genau dieses Kohlenmonoxid ist für die Reduktion der Eisenoxide notwendig und muss in ausreichendem Maße gebildet werden.

Boudouard-Gleichgewicht

Die Reaktion von Kohlendioxid und Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid sowie deren Rückreaktion ist temperaturabhängig und wird durch das sogenannte Boudouard-Gleichgewicht beschrieben.

Die Situation kann man sich mit dem Verdunsten von Wasser in einem geschlossenen, mit Luft gefüllten Raum veranschaulichen. Die Luft vermag je nach Temperatur eine bestimmte Menge Wasser aufzunehmen. Ist die Luft vollständig mit Wasser gesättigt, so kann diese keine weitere Wassermengen aufnehmen und es verbleibt ein Rest an flüssigem Wasser im Raum. Es wird sich mit der Zeit also ein Gleichgewicht zwischen dem noch flüssigen Wasser und dem in der Luft enthalten Wasser einstellen.

Während durch statistische Schwankungen zwar an einer lokalen Stelle das flüssige Wasser kurzzeitig verdunsten kann („Hinreaktion“), so wird an anderer Stelle allerdings wieder Wasser lokal aus der übersättigten Luft kondensieren („Rückreaktion“). Global betrachtet wird sich jedoch ein Gleichgewicht zwischen diesen Phasen bzw. zwischen der Hin- und Rückreaktion von flüssigem und in Luft gebundenem Wasser einstellen. Man spricht deshalb auch von einem dynamischen Gleichgewicht.

Dieses dynamische Gleichgewicht kann jedoch je nach Temperatur zu Gunsten oder zu Lasten des flüssigen Wassers verschoben werden. Bei hohen Temperaturen kann die Luft mehr Wasser aufnehmen, sodass auch mehr Wasser verdunsten wird und der noch flüssige Anteil sinkt. Das Gleichgewicht verschiebt sich somit in Richtung des Verdunstungsprozess. Wird die Temperatur hingegen gesenkt, so kondensiert ein Teil des in Luft gebundenen Wassers aus und der flüssige Anteil am Boden steigt. Das Gleichgewicht verschiebt sich dann in Richtung des Kondensationsprozesses (dieser Effekt ist auch sehr anschaulich an gekühlten Getränkedosen zu beobachten, an denen das in der Luft enthaltene Wasser kondensiert und sich Wasserperlen bilden).

Auf die analoge Weise existiert auch ein temperaturabhängiges Gleichgewicht zwischen der oben genannten Reaktion von Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoffmonoxid und der entsprechenden Rückreaktion von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid. Die Abbildung oben zeigt das Verhältnis der Gleichgewichtszustände zwischen Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Es wird offensichtlich, dass bei Temperaturen oberhalb 1000 °C das Kohlendioxid fast ausschließlich zu Gunsten des Kohlenmonoxids zerfällt.

Bei hohen Temperaturen reagiert Kohlenstoff mit Kohlenstoffdioxid überwiegend zu (reduktionsfähigem) Kohlenstoffmonoxid. Bei geringen Temperaturen zerfällt das gebildete Kohlenstoffmonoxid überwiegend zu Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoff!

Trocknungszone

Durch die Verbrennung des Kokses bilden sich heiße Gase, die hauptsächlich aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickstoff und (gasförmigem) Wasser bestehen. Diese heißen Gase steigen im Hochofen nach oben und kühlen sich ab. Von maximal 2000 °C auf Höhe der Windformen nimmt die Temperatur bis zur Gicht hin auf rund 200 °C ab. Bei dieser Temperatur wird der eingefüllte Möller und das Koks zunächst getrocknet und vorgewärmt. Diese Zone des Hochofens wird deshalb als Trockungszone bezeichnet.

In der Trockungszone wird der Möller und das Koks vorgewärmt und getrocknet!

Indirekte Reduktionszone

Ein weiteres Absenken der Eisenerze im Hochofen führt in die Temperaturzone von 400 °C bis 800 °C. In diesem Bereich findet die sogenannte indirekte Reduktion der Erze zu Eisen durch das Kohlenmonoxid statt.

Das Kohlenmonoxidgas (\(CO\)) wird durch Aufnahme des im Eisenoxid enthaltenen Sauerstoffs (\(O\)) dabei zu Kohlendioxid (\(CO_2\)) oxidiert. Die indirekte Reduktion kann in mehrere Zwischenreaktionen gegliedert werden, wobei der Eisengehalt in den Erzen stetig zunimmt und letztlich reines Eisen entsteht.

Zunächst wird das schwach eisenhaltige Hämatit (\(Fe_2O_3\)) durch das Kohlenmonoxid (\(CO\)) zu eisenhaltigerem Magnetit (\(Fe_3O_4\)) reduziert. Anschließend folgt die Reduktion des Magnetits zu sogenanntem Wüstit (\(FeO\)), bevor dieser abschließend zu Eisen (\(Fe\)) reduziert wird:

\begin{align}
\label{indirekt}
3~Fe_2O_3 &~+~ CO  &&\rightarrow~ 2~Fe_3O_4 &&+ ~CO_2 ~~~~~~ \text{(Hämatit} \rightarrow \text{Magnetit)} \\[5px]
Fe_3O_4 &~+~ CO  &&\rightarrow~ 3~FeO &&+ ~CO_2 ~~~~~~ \text{(Magnetit} \rightarrow \text{Wüstit)} \\[5px]
FeO &~+~ CO &&\rightarrow~ Fe &&+ ~CO_2 ~~~~~~ \text{(Wüstit} \rightarrow \text{Eisen)} \\[5px]
\end{align}

Lediglich die letzte Reaktion von Wüstit zu Eisen ist exotherm und liefert Wärme. Die freiwerdende Wärme reicht jedoch als Wärmelieferant für ersten beiden endothermen Reaktionen aus. Die Gesamtbilanz bleibt somit exotherm. Dennoch ist die Temperatur in dieser indirekten Reduktionszone mit 400 °C bis maximal 800 °C zu gering, um das reduzierte Eisen zu schmelzen! Die Konsistenz des Eisens ist deshalb nach wie vor fest.

In den ungeschmolzenen Eisenerzen befinden sich immer noch nicht-reduzierte Eisenoxide. Auch eine ungünstige Aufhäufung der Erze kann an den Kontaktstellen eine Gasdurchströmung erschweren und somit nicht-reduziertes Eisenerz zurücklassen. Spätestens wenn jedoch in den tieferen und heißeren Schichten der Schmelzvorgang eintritt, kann eine nahezu vollständige Reduzierung der Eisenerze erfolgen.

In der indirekten Reduktionszone wird das in den Eisenerzen enthaltene Eisenoxid durch Kohlenmonoxidgas reduziert, wobei die Eisenerze selbst nicht aufgeschmolzen werden!

Direkte Reduktionszone

Wandern die noch nicht reduzierten Eisenerze im Hochofen weiter nach unten, dann kann der Kohlenstoff aufgrund der hohen Temperaturen auch direkt die im Erz enthaltenen Eisenoxide reduzieren. Der Kohlenstoff (\(C\)) wird durch die Aufnahme des Sauerstoffs (\(O\)) dabei zu Kohlenstoffmonoxid (\(CO\)) oxidiert. Aufgrund der direkten Reduktion der Eisenoxide durch den Kohlenstoff, spricht man auch von einer direkten Reduktion.

Die Direktreduktion läuft in der Temperaturzone zwischen ca. 800 °C bis etwa 1600 °C ab. Die direkte Reduktion kann wieder in Zwischenschritte unterteilt werden, bei denen der Eisengehalt in den Erzen jeweils zunimmt:

\begin{align}
\label{direkt}
3 Fe_2O_3 &~+~ C  &&\rightarrow~ 2~Fe_3O_4 &&+ ~CO ~~~~~~ \text{(Hämatit} \rightarrow \text{Magnetit)} \\[5px]
Fe_3O_4 &~+~ C  &&\rightarrow~ 3~FeO &&+ ~CO ~~~~~~ \text{(Magnetit} \rightarrow \text{Wüstit)} \\[5px]
FeO &~+~ C &&\rightarrow~ Fe &&+ ~CO ~~~~~~ \text{(Wüstit} \rightarrow \text{Eisen)} \\[5px]
\end{align}

Diese Reaktionen sind allesamt endotherm. Die hierfür benötigte Wärme wird durch die (exotherme) Verbrennung des Kokses bereitgestellt. Auch die in der Gangart enthaltenen Silizium-, Mangan und Phosphorverbindungen (sowie viele weitere Verbindungen) werden in diesem Zusammenhang endotherm reduziert. Die hierfür notwendige Wärme muss zusätzlich durch die Kohlenstoffverbrennung erzeugt werden. Um den Wärmeeinsatz aus energetischen Gründen so gering wie nötig zu halten, sollten den Erzen deshalb so wenig Gangart wie möglich beigemengt sein. Dies macht die bereits erläuterte Erzaufbereitung notwendig.

Die reduzierten Beimengungen im Hochofen reagieren anschließend mit den zugesetzten Zuschlägen im Möller und werden in der hieraus entstehenden Schlacke gebunden.

In der direkten Reduktionszone nimmt der Kohlenstoff direkt an der Reduktion der Eisenoxide teil!

Aufkohlungszone

Der Kohlenstoff reduziert zwar die Eisenoxide und lässt Eisen entstehen, jedoch reichert sich das gebildete Eisen teilweise selbst mit Kohlenstoff an. Dies geschieht entweder durch das Kohlenmonoxidgas oder bei höheren Temperaturen auch direkt durch den Kohlenstoff. Es entsteht dabei die Eisencarbidverbindung \(Fe_3C\), die auch Zementit genannt wird.

Das Anreichern des festen Eisens mit Kohlenstoff in einem Temperaturbereich zwischen 900 °C und 1200 °C wird auch als Aufkohlung bezeichnet. Die entsprechenden chemischen Reaktionen hierfür lauten wie folgt:

\begin{align}
\label{aufkohlen}
3 Fe &~+~ 2 CO  &&\rightarrow~ Fe_3C ~+~CO_2  \\[5px]
3 Fe &~+~ C &&\rightarrow~ Fe_3C  \\[5px]
\end{align}

Durch die Aufnahme des Kohlenstoffs wird der Schmelzpunkt des Eisens von 1536 °C bis auf ca. 1200 °C gesenkt (siehe Eisen-Kohlenstoff-Diagramm).

In der Aufkohlungszone reichert sich das reduzierte Eisen mit Kohlenstoff an und bildet die intermediäre Verbindung Eisencarbid (\(Fe_3C\), Zementit)! Durch die Aufkohlung senkt sich die Schmelztemperatur des Eisens!

Schmelzzone

Aufgrund der Erniedrigung des Schmelzpunktes durch eindiffundierten Kohlenstoff in das reduzierte Eisen fängt dieses in den heißeren Hochofenschichten an zu schmelzen. Nun kommen auch die innenliegenden Erzschichten mit dem Kohlenstoff bzw. dem Kohlenmonoxid in Kontakt und können zu Eisen reduziert und anschließend aufgekohlt werden. Allmählich wird somit das gesamte Eisenerz reduziert, aufgekohlt und geschmolzen. Der aufgenommene Kohlenstoff bleibt dabei in der flüssigen Eisenschmelze gelöst. Dies ist der Grund weshalb Roheisen einen relativ hohen Kohlenstoffanteil aufweist.

In der Schmelzzone beginnt das Eisen zu schmelzen und bildet stark kohlenstoffhaltiges Roheisen!

Abstichzone

Das flüssige Roheisen sammelt sich schließlich zusammen mit der ebenfalls flüssigen Schlacke im Gestell des Hochofens. Aufgrund der höheren Dichte des Roheisens kann das Roheisen am tiefsten Punkt des Hochofens abgestochen werden (Abstich genannt). Es weist mit etwa 4,5 % einen hohen Kohlenstoffgehalt auf. Weitere Begleitelemente sind nachfolgend aufgelistet, wobei die Zusammensetzung je nach Roheisensorte zum Teil erheblich abweicht.

• 4,5 % Kohlenstoff
• 2,5 % Silizium
• 1,5 % Mangan
• 0,5 % Phosphor
• 0,1 % Schwefel

Weitere Elemente wie Titan, Kupfer, etc. sind ebenfalls in geringen Mengen im Roheisen enthalten.

Vor allem der Siliziumgehalt entscheidet bei einer Erstarrung des flüssigen Roheisens darüber, ob sich der gelöste Kohlenstoff dabei in Reinform als Graphit (\(C\)) im Gefüge ausscheidet oder als Eisencarbidverbindung Zementit (\(Fe_3C\)).

Bei hohen Siliziumkonzentrationen wird die Graphitausscheidung bevorzugt. Die Graphitbildung wird auch durch einen relativ niedrigen Mangangehalt und langsamer Abkühlung begünstigt. Bei einem relativ niedrigen Siliziumgehalt wird hingegen die Zementitausscheidung bei einer Erstarrung des Roheisens bevorzugt. Diese wird wiederum durch relativ hohe Mangankonzentrationen und schnellere Abkühlgeschwindigkeiten begünstigt.

Da bei hohen Temperaturen und langen Glühzeiten der gebildete Zementit wieder in seine Bestandteile (Eisen und Kohlenstoff) zerfallen würde, bezeichnet man diese Erstarrungsform im thermodynamischen Sinne auch als metastabile Erstarrung. Im Gegensatz hierzu handelt es sich bei Graphit um eine thermodynamisch stabile Verbindung, die auch bei noch so langen Glühzeiten bestand hat. Deshalb bezeichnet man diese Erstarrungsform auch als stabile Erstarrung.

Durch den Graphit im stabil erstarrten Gefüge erscheint die Bruchfläche des Roheisens matt-grau. Deshalb wird das stabil erstarrte Roheisen auch als graues Roheisen bezeichnet. Die Bruchfläche einer metastabil erstarrten Roheisensorte wirkt hingegen eher weißlich-glänzend und wird deshalb auch weißes Roheisen genannt.

Bei einer stabilen Erstarrung scheidet sich der Kohlenstoff in Reinform als Graphit aus dem Gefüge aus (graues Roheisen)! Bei der metastabilen Erstarrung wird die Eisencarbidverbindung Zementit gebildet (weißes Roheisen)!

Das graue Roheisen („Gußroheisen“) dient als Rohstoff für Gießereien, um hieraus verschiedene Gußeisensorten bzw. Gußeisenwerkstoffe zu produzieren. Es wird meistens in kleinen Barren, den sogenannten Masseln, vergossen und den Gießereien zum Einschmelzen mit anderen Stoffen angeboten (Gattierung). Die Nachfrage an grauem Roheisen macht jedoch nur ein geringer Teil der Gesamtnachfrage aus. Mehr als 90 % des Roheisens wird nämlich als weißes Roheisen („Stahlroheisen“) abgestochen und in flüssiger Form im Stahlwerk durch spezielle Nachbehandlungsverfahren zum eigentlichen Stahl verarbeitet. Auf diese Prozesse wird in den folgenden Abschnitten näher eingegangen.

Möllerung

Nachdem die gemahlenen Erze in Form von Sinter und Pellets aufbereitet wurden (siehe Artikel Förderung und Aufbereitung von Eisenerz), werden diese in den Hüttenwerken in Bunkern gelagert und bei Bedarf zusammen mit Stückerz gemischt. Bevor dieses Gemenge dann zusammen mit Koks als Brennstoff dem Hochofen zugeführt wird, werden zusätzlich noch Zuschläge beigegeben. Das Mischen von aufbereitetem Eisenerz mit Zuschlägen wird auch als Möllerung bezeichnet; das Gemisch selbst wird Möller genannt. Das schichtweise Zuführen von Möller und Koks in den Hochofen wird dann als Beschickung bezeichnet.

Als Möller bezeichnet man das Gemenge aus Eisenerz und Zuschläge, welches schichtweise zusammen mit Koks dem Hochofen zugeführt wird (Beschickung genannt)!

Auch wenn der Eisengehalt in den Erzen durch die Aufbereitung stark erhöht werden konnte, so werden immer noch unerwünschte Begleitelemente beigemengt sein. Aus diesem Grund werden dem Möller Zuschläge wie Kalkstein (\(CaCO_3\)) oder Kalkerde (\(CaO\)) zugegeben. Diese Zuschläge reagieren im Hochofen mit der Gangart und der Koksasche. Es bildet sich ein flüssiges Gemenge, welches die unerwünschten Begleitelemente bindet. Dieses Gemenge wird auch als Schlacke bezeichnet.

Da die flüssige Schlacke eine geringere Dichte als das Eisen hat, schwimmt es auf dem Metallbad und kann dann relativ einfach abgetrennt werden. Zusätzlich verhindert die Schlacke als Passivschicht zur Umgebungsluft eine zu starke Oxidation des geschmolzenen Eisens.

Schlacke bindet die unerwünschten Begleitelemente (Gangart) und schützt das flüssige Eisen vor zu starker Oxidation!

Etwa 20 % der gesamten abgegossenen Masse aus dem Hochofen entfällt alleine auf die Schlacke! Die Schlacke ist allerdings keineswegs ein reines Abfallprodukt sondern dient beispielsweise in erstarrter und granulierter Form (dann als Hüttensand bezeichnet) in der Baubranche als Rohstoff für die Zementherstellung. Die Hochofenschlacke enthält große Mengen an Calziumoxid (\(CaO\)), Siliziumdioxid (\(SiO_2\)), Aluminiumoxid (\(Al_2O_3\), Tonerde) und Magnesiumoxid (\(MgO\)).

Granulierte Schlacke bildet in der Baubranche den Rohstoff für die Zementherstellung!

Kokerei

Der hauptsächlich aus Kohlenstoff bestehende Koks liefert für den Hochofen nicht nur die nötige Wärmeenergie sondern dient in besonderer Weise als Reduktionsmittel, damit das Eisen aus den Erzen herausgelöst werden kann! Auf die chemischen Vorgänge selbst wird im Kapitel Hochofenprozess näher eingegangen. Um eine Tonne Roheisen zu erschmelzen sind in modernen Hochöfen rund 350 kg Koks nötig. Bei einer Tagesproduktion von 10.000 Tonnen kommt man so auf einen Kokseinsatz von 3.500 Tonnen täglich!

Aus diesem Grund wird der benötigte Koks (auch Hüttenkoks genannt) meist direkt im Hüttenwerk erzeugt, in der sogenannten Kokerei. Im Wesentlichen basiert die Kokserzeugung auf dem Erhitzen von Kohle unter Luftabschluss auf Temperaturen von über 1000 °C (Pyrolyse). Der Luftabschluss verhindert ein Verbrennen der Kohle; dies soll ja erst im Hochofen passieren. Durch die hohen Temperaturen werden dann die unerwünschten Verbindungen in der Kohle wie bspw. Schwefel vergast und anschließend entfernt.

Koks ist stark kohlenstoffhaltige Kohle, die durch Pyrolyse in Kokereien hergestellt wird!

Die Verkokung der Kohle dauert bis zu 20 Stunden, wobei die Kohle dabei rund ein Viertel ihrer ursprünglichen Masse verliert. Der Kohlenstoffgehalt des so entstandenen Kokses beträgt ca. 90 %. Aus wirtschaftlichen Gründen kann dabei jedoch nicht der gesamte Schwefel aus der Kohle entfernt werden, sodass im späteren Koks rund 1 % Schwefel enthalten bleibt. Auf diese Weise gelangt im unerwünschten Maße Schwefel in Form von Eisensulfid (\(FeS\)) in das Roheisen. Es muss später für die Stahlerzeugung durch spezielle Nachbehandlungsverfahren entfernt werden.

Winderhitzer

Wie für jede Verbrennung, ist auch für die Verbrennung des Kokses im Hochofen Sauerstoff notwendig. Diese wird in Form von Luft über sogenannte Windformen in den Hochofen eingeblasen. Die Windformen sind an der sogenannten Rast des Hochofens angebracht. Um eine Abkühlung des Hochofengutes durch die eingeblasene Luft zu verringern wird die Luft zuvor auf über 1000 °C aufgeheizt, bevor diese in den Hochofen gelangt. Die eingeblasene Heißluft wird als Heißwind bezeichnet. Die Erzeugung des Heißwindes geschieht in Winderhitzern, die nach ihrem Erfinder auch als Cowper bezeichnet werden. Über eine Heißwind-Ringleitung wird die erhitzte Luft den Windformen zugeführt.

Als Heißwind bezeichnet man die in Winderhitzern erwärmte Luft, die über Windofmen in den Hochofen eingeblasen wird.

Die Winderhitzeranlage besteht im Prinzip aus mehreren gemauerten Türmen. Das innere Mauerwerk dieser Türme wird abwechselnd erhitzt. Dabei kommt unter anderem auch das heiße aber heizwertarme Gichtgas zum Einsatz, welches aus diesem Grund zunächst mit anderen Brenngasen (z.B. Erdgas) gemischt wird. Dieses Gemisch wird dann innerhalb der Türme verbrannt (begasen genannt). Das großflächig ausgelegte Mauerwerk heizt sich dementsprechend stark auf.

Sind die gewünschten Temperaturen von über 1000 °C erreicht, so wird der Verbrennungsvorgang unterbrochen und sauerstoffreiche Umgebungsluft über das aufgeheiztes Mauerwerk geleitet. Die Luft heizt sich hierdurch auf und kann dann als Heißwind dem Hochofen zugeführt werden. Um einen kontinuierlichen Betrieb des Hochofens zu ermöglichen müssen mindestens zwei Winderhitzertürme immer abwechselnd auf „Heizen“ bzw. auf „Blasen“ geschaltet werden.

Hochofenanlage

Das eigentliche Einschmelzen und Herauslösen des Eisens aus den Erzen erfolgt in Hochöfen, die etwa 30 m in die Höhe ragen und einen Gestelldurchmesser von rund 10 m aufweisen. Manche Hochöfen erreichen sogar Höhen von über 70 m und Durchmesser von 15 m. Die bis zu 2000 °C hohen Temperaturen im Hochofen erfordern eine enorm hitzebeständige Auskleidung. Hierfür werden künstlich hergestellte Schamottesteine aus Korund (\(Al_2O_3\)) verwendet, die gleichzeitig eine sehr hohe Kohlenmonoxidbeständigkeit aufweisen müssen.

Im unteren Teil des Hochofens mit den höchsten Temperaturen kommen sogar spezielle Kohlenstoffsteine zum Einsatz. Die Dicke der Ausmauerung beträgt in diesem Bereich teilweise über einen Meter. Zusätzlich wird die Mauerung durch ein Rohrleitungssystem speziell wassergekühlt. Auf diese Weise kann ein Hochofen für bis zu 15 Jahre im Dauerbetrieb laufen bevor dieser gewartet werden muss. Grundsätzlich werden Hochöfen auch nur zu diesen Zeiten abgeschaltet, ansonsten laufen diese rund um die Uhr. Ein Hochofen besteht im Wesentlichen aus den nachfolgend näher erläuterten Komponenten.

Gicht

Der Hochofen wird von oben mittels einer Schleuse abwechselnd mit Möller und Koks beschickt. Dieser Teil des Hochofens wird auch als Gicht bezeichnet. Der Gichtverschluss ist aus zwei getrennten Glocken konstruiert, die sich abwechselnd öffnen. Zunächst liegt das einzufüllende Material auf der obersten Glocke. Während sich diese dann öffnet, fällt das Beschickungsgut auf die untere, noch geschlossen gehaltene Glocke. Erst wenn die oberste Glocke wieder geschlossen hat, wird die darunter befindliche geöffnet und das Material fällt in das Innere des Hochofens. Somit wird verhindert, dass umweltschädliche Abgase (Gichtgase und Gichtstaub) in die Umgebung gelangen.

Die Gichtgase enthalten neben Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und geringe Mengen Wasserstoff auch das sehr giftige Kohlenstoffmonoxid. Die Gichtgase bzw. der Gichtstaub müssen deshalb durch Abzugsrohre nach außen geleitet und speziell gereinigt bzw. aufbereitet werden. Die heißen Gase werden zusätzlich für die Aufwärmung des eingeblasenen Windes verwendet sowie der Kokerei zur Aufbereitung des Koks zugeführt. Aber auch Dampfkraftwerke oder andere großtechnische Anlagen können Abnehmer dieses heißen Gases sein.

Schacht

Im Anschluss an die Gicht befindet sich der sogenannte Schacht, der die Form eines nach unten breiter werdenden Kegelstumpfes aufweist. Diese Form verhindert ein Verstopfen des Schachtes, da durch die nach unten zunehmenden Temperaturen auch eine Ausdehnung des Beschickungsgutes erfolgt.

Im oberen Teil des Schachtes wird der schichtweise aufgetragene Möller vom nach oben aufsteigenden Kohlenmonoxidgas (entstanden durch die Verbrennung des Kokses) durchströmt. Es kommt zu chemischen Reaktionen, die die eisenhaltigen Oxidverbindungen aufbrechen und sich reines Eisen in noch nicht flüssiger Form herauslöst.

Die zwischen dem Möller liegenden Koksschichten dürfen also nicht zerfallen und eine für die Gasdurchströmung undurchlässige Schicht bilden. Die etwa 100 mm großen Koksbrocken aus der Kokerei müssen deshalb sehr druckfest sein.

Kohlensack

Die Kegelform des Schachtes mündet schließlich in einem zylindrischen Ring. Ab dort beginnt das Schmelzen der noch festen Bestandteile und es bildet sich teilweise flüssiges Eisen und Schlacke. Das Absacken des Kokses bzw. des Möllers von der Gicht bis hin zum Beginn des Schmelzbereichs dauert mehrere Stunden. Dieser zylindrische Teil des Hochofens, bis wohin die Kohle absackt, wird auch als Kohlensack bezeichnet.

Rast & Gestell

Da beim Schmelzen das Volumen des Eisens abnimmt, verjüngt sich das Hochofeninnere ab dem Kohlensack wieder. Dieser Hochofenabschnitt wird auch als Rast bezeichnet. Die Rast hat folglich die Form eines umgekehrt stehenden Kegelstumpfes, bevor der Hochofen dann wieder zylindrisch wird. In diesem Ringabschnitt sammelt sich das flüssige Eisen, welches auch als Roheisen bezeichnet wird.

Über dem flüssigen Roheisen befindet sich die Schlacke, die teilweise über wassergekühlte Schlackenformen aus Bronze oder Kupfer abgelassen wird. Dieser unterste Teil des Hochofens wo sich Roheisen und Schlacke sammelt wird auch als Gestell bezeichnet.

Das Roheisen selbst wird in regelmäßigen Abständen aus einem verschlossenen Loch im Gestell abgelassen. Das Aufstechen des Stichlochs zur Entnahme des Roheisens wird Abstechen genannt. Zusammen mit der verbliebenen Schlacke wird das Roheisen dann über ein feuerfestes Rinnensystem im Boden zur Gießhalle geleitet. Die Schlacke wird durch speziell geführte Leitungssysteme (Fuchs genannt) abgetrennt.

Als Abstich bezeichnet man das in regelmäßigen Abständen erfolgende Ablassen des flüssigen Roheisens!

Einleitung

Eisen ist im Maschinenbau eines der wichtigsten Metalle, da dieses auf der Erde in ausreichend großen Mengen vorhanden ist. Die Gewinnung von Eisen kann somit sehr wirtschaftlich erfolgen. Jedoch ist reines Eisen für die Verwendung als Konstruktionswerkstoff nicht geeignet. Es ist in Reinform viel zu weich und besitzt eine zu geringe Festigkeit, um den meisten mechanischen Anforderungen gerecht zu werden. Aus diesem Grund ist man darauf angewiesen Legierungszusätze zu verwenden, um dem Eisen seine Härte bzw. Festigkeit zu geben.

Dabei hat sich gezeigt, dass sich Kohlenstoff als Legierungselement hervorragend eignet. Kohlenstoff wirkt innerhalb bestimmter Grenzen sehr festigkeits- und härtesteigernd und ist im Vergleich zu anderen Legierungselementen sehr preiswert. Eine solche Verbindung von Eisen und Kohlenstoff wird im Allgemeinen als Stahl bezeichnet, wobei der Kohlenstoffgehalt dabei unter 2 % liegt. Die besondere Bedeutung von Stahl im Maschinenbau zeigt bereits die Produktion von rund 4 Millionen Tonnen Stahl täglich!

Stahl ist Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, mit einem Kohlenstoffgehalt von maximal 2 %!

Grundsätzlich können zwei Verfahrenswege unterschieden werden, auf denen der Stahl heutzutage gewonnen wird:

• Hochofenprozess mit anschließendem Konverterverfahren
• Direktreduktionsprozess mit anschließendem Elektrostahlverfahren

Im Gegensatz zum Direktreduktionsverfahren kann der Hochofenprozess im großen Maßstab betrieben werden. Der Hochofenprozess trägt mit einem Anteil von über 80 % zur gesamten Stahlproduktion bei. Deshalb wird im Folgenden hauptsächlich auf den Hochofenprozess näher eingegangen.

Das abgebildete Flussdiagramm zeigt die prinzipiellen Schritte wie aus Eisenerz Halbzeuge aus Stahl entstehen. Die einzelnen Prozessschritte werden in den nachfolgenden Kapiteln näher erläutert.

Die Gewinnung des Stahls erfolgt aus Eisenerzen und wird auch als Erzverhüttung bezeichnet (kurz: Verhüttung). Die Werke zur Roheisenherstellung bzw. Stahlherstellung werden Hütten genannt.

Abbildung: Wichtige Komponenten einer Hütte

Als Eisenhütte bezeichnet man eine großtechnische Anlage zur Erzeugung von Stahl aus Eisenerzen!

Bevor die Eisenerze den Hüttenwerken zugeführt werden können, müssen diese zunächst abgebaut (Erzförderung) und speziell für den Hochofenprozess aufbereitet werden (Erzaufbereitung). Auf diese Prozessschritte wird in den folgenden Abschnitten näher eingegangen.

Eisenerzförderung

Eisen kommt in der Natur nicht als Reinstoff vor sondern tritt in gebundener Form als Eisenverbindung in Gesteinen auf, die bis zu 50 % Eisen enthalten können. Diese eisenhaltigen Gesteine werden auch als Eisenerze bezeichnet. Bei den darin enthaltenen Eisenverbindungen handelt es sich im Wesentlichen um Eisenoxide, aber auch um Eisencarbonate oder Eisensulfide. Zu den wichtigsten Eisenoxiden zählen:

• Magnetit („Magneteisenstein“): \(Fe_3O_4\)
• Hämatit („Roteisenstein“): \(Fe_2O_3\)
• Siderit („Spateisenstein“): \(FeCO_3\)
• Limonit („Brauneisenstein“): \(2Fe_2O_3 \cdot 3H_2O\)

Aus diesen Eisenoxiden wird im späteren Hochofenprozess das eigentliche Eisen herausgelöst und in Verbindung mit Kohlenstoff zur Stahl verarbeitet.

Eisenerze sind Gemische aus eisenhaltigen Verbindungen (meist Eisenoxide) und weiteren, unerwünschten Begleitelementen!

Neben den eigentlichen Eisenverbindungen enthält das Eisenerz allerdings stets verschiedene (unerwünschte) Beimengungen, die auch als Gangart bezeichnet werden. Da die Gangart für die eigentliche Eisengewinnung nicht von Interesse ist, bezeichnet man dieses Gestein auch als taubes Gestein. Bei den Verbindungen im tauben Gestein handelt es sich häufig um Oxide wie beispielsweise:

• Siliziumdioxid
• Manganoxid
• Kalziumoxid
• Magnesiumoxid
• Aluminiumoxid
• Phosphorverbindungen und
• Schwefelverbindungen.

Die in der Gangart enthaltenen Beimengungen sind auch der Grund weshalb der spätere Stahl stets Begleitelemente wie Silizium, Mangan, Phosphor und Schwefel sowie weitere Elemente enthält. Die einzuhaltenden Höchstwerte für diese Begleitelemente sind für die späteren Stähle je nach Stahlsorte vorgeschrieben.

Als taubes Gestein (Gangart) bezeichnet man die unerwünschten Beimengungen im Eisenerz!

Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen ist es sinnvoll die Gangart bereits vor dem eigentlichen Einschmelzen des Eisenerzes auf ein Minimum zu reduzieren. Ansonsten wäre ein unnötig hoher Einsatz an Kohle bzw. Wärmeenergie im späteren Hochofenprozess nötig, wenn zu viel Gangart aufgeschmolzen werden müsste. Somit wird bereits im Vorfeld eine entsprechende Aufbereitung der abgebauten Eisenerze notwendig, bevor diese in den Hochofen gelangen.

Großflächige Bereiche in denen sich über Jahrmillionen Eisenerz gebildet hat (z.B. durch Vulkanismus) und wirtschaftlich gefördert werden kann, werden auch als Eisenerzlagerstätten bezeichnet. Besonders viele Erzlagerstätten finden sich in Ländern wie China, Australien, Brasilien, Indien und Russland wieder. Diese Länder haben einen Anteil von rund 85 % am gesamten weltweiten Fördervolumen.

Als Erzlagerstätten bezeichnet man natürliche Ansammlungen an Eisenerzen, die wirtschaftlich abgebaut werden können!

Das in den Lagerstätten meist durch Sprengung gewonnene Eisenerz ist zunächst sehr grob und unhandlich, was diesem unbehandelten Gestein den Namen Groberz verleiht. Nach der Förderung des Groberzes wird dieses direkt an den Lagerstätten mit Hilfe von Kegelbrechern oder Backenbrechern zu handlicheren Stückgrößen von ca. 15 mm Korngröße gebrochen. Man spricht dann auch von sogenanntem Stückerz. Neben Stückerz kann durch Mahlen auch Feinerz (ca. 1 mm) und Feinsterz (ca. <0,1 mm) erhalten werden.

Je nach Größe der Eisenerze können diese in Stückerz, Feinerz und Feinsterz eingeteilt werden!

Das Stückerz wird dem Hochofenprozess meist direkt zugeführt, denn die spezielle Aufbereitung dieser Erze ist relativ aufwendig und teuer, so dass es sich nur bis zu einem gewissen Grad wirtschaftlich lohnt dieses Erz aufzubereiten. Die Fein- und Feinsterze hingegen werden speziell für den Hochofenprozess aufbereitet. Auf diese Erzaufbereitung wird im nächsten Abschnitt näher eingegangen.

Eisenerzaufbereitung

Nachdem das Eisenerz durch das Brechen und Mahlen bei der Erzförderung vorbereitet wurde, erfolgt die eigentliche Erzaufbereitung. Diese hat zum Ziel die unerwünscht hohen Anteile an Beimengungen auf ein gewünschtes Mindestmaß zu reduzieren, um damit den Eisengehalt zu erhöhen. Dies geschieht durch Verfahren wie Flotation oder Magnetabscheidung. Im Anschluss hieran werden die vermahlenen Erze durch sintern bzw. pelletieren stückig gemacht, um die chemischen Vorgänge im späteren Hochofenprozess zu optimieren.

Als Erzaufbereitung versteht man die gezielte Reduzierung der unerwünschten Begleitelemente im Eisenerz sowie die Optimierung der Erze für den Einsatz im Hochofenprozess!

Grundsätzlich kann bei der Erzaufbereitung die unerwünschte Gangart nie vollständig von den Eisenerzen abgetrennt werden. Es gelangt somit immer ein gewisser Anteil des tauben Gesteins in den Hochofenprozess. Durch schlackenbildende Zuschläge (und weitere spezielle Verfahren) werden diese unerwünschten Begleiter dann im späteren Prozess abgeschieden.

Flotation

Bei der Flotation wird die unterschiedlich starke Benetzbarkeit der Eisenverbindungen im Vergleich zur unerwünschten Gangart genutzt. Während bspw. Wasser relativ gut die unerwünschten Beimengungen benetzt, d.h. an ihnen haftet, so „perlt“ das Wasser an den eisenhaltigen Gesteinspartikeln eher ab. Diesen Effekt kann man schließlich zur Trennung der Gangart von den Eisenverbindungen nutzen.

Bei der Flotation wird die unterschiedliche starke Benetzbarkeit von Stoffen genutzt, um diese zu trennen!

Hierzu werden die gemahlenen Erze in Flotationszellen mit Wasser vermischt (suspendiert). Diese wässrige Suspension wird auch Trübe genannt. Durch Luftzufuhr oder Rührgeräte am Boden werden Gasblasen in der Trübe erzeugt. Aufgrund der eher geringen Wasserbenetzbarkeit des eisenhaltigen Erzstaubs, haften die aufsteigenden Gasblasen relativ gut an ihnen. Die deutlich bessere Benetzbarkeit der Gangart führt hingegen dazu, dass diese vollständig mit Wasser benetzt bleiben und Gasblasen kaum an ihnen haften.

Während die eisenhaltigen Partikel somit mit den anhaftenden Gasblasen nach oben geschwemmt werden, sinkt die Gangart in der Trübe zu Boden. Damit die Gasblasen nach dem Aufsteigen nicht platzen und das aufgeschwemmte Eisenerz wieder zu Boden sinkt, werden der Trübe Schaumstabilisatoren zugesetzt, die eine relativ stabile Schaumschicht an der Oberfläche entstehen lassen. Der aufgeschwemmte, stark eisenhaltige Schaum kann dann abgeschöpft und getrocknet werden. Die in der Trübe verbleibende Gangart wird nach der Flotation abgepumpt und entsorgt.

Magnetabscheidung

Bei einem magnetithaltigen Gestein (z.B. Magnetit) besteht neben der Flotation noch eine weitere Möglichkeit der Trennung von Gangart und restlichem Eisenerz. Wie der Name Magnetit bereits vermuten lässt, handelt es sich bei diesem Eisenerz um ein magnetisches Gestein. Somit kann das gemahlene Erz relativ einfach durch Magnetabscheidern geleitet werden, wo das eisenhaltige Gestein von der restlichen Gangart getrennt wird (Magnetabscheidung).

Bei der Magnetabscheidung der Effekt des Magnetismus genutzt, ferromagnetische Stoffe von nichtmagnetischen Stoffen zu trennen!

Hierzu wird der Erzstaub mit Wasser zu einer schlammartigen Masse gemischt und über eine rotierende Magnetrolle geleitet. Der eisenhaltige Schlamm bleibt dabei an den Rollen haften und wird anschließend abgestreift, gesammelt und getrocknet. Die abgetrennte Gangart fällt über einen separaten Trichter in ein Auffangbehälter und wird entsorgt. Prinzipiell eignet sich dieses Verfahren auch für die beim Erhitzen schwach magnetisch werdenden Eisenerze Siderit und Hämatit.

Sintern und Pelletieren

Die fein vermahlenen Erze können nach der Aufbereitung in Flotationszellen oder Magnetabscheidern nicht direkt dem Hochofen zugeführt werden, da diese aufgrund der enormen Verdichtung durch die Beschickungssäule im Hochofen die Gasdurchströmung behindern würden. Die Fein- und Feinsterze müssen deshalb stückig gemacht werden, damit in der Beschickungssäule genügend Hohlräume für eine gute Gasdurchströmung vorhanden sind. Das Stückigmachen erfolgt durch sintern und pelletieren.

Als Stückigmachen bezeichnet man das Zusammenbacken von Erzstaub zu festen, porösen Stücken, zur Verbesserung der chemischen Reaktionsfähigkeit!

Beim Sintern werden die Feinerze zunächt mit Zuschläge und feinem Koks versetzt. Dieses Gemisch gelangt dann durch einen Trichter auf einen umlaufenden Wanderrost. Zündflammen setzen den beigemischten Koks dann in Brand. Aufgrund der hohen Temperaturen „backen“ die Erze zu einem Sinterkuchen zusammen (sintern genannt). Luftabzüge sorgen für eine Sogwirkung („Kamineffekt“) sodass der Sinterkuchen auch tatsächlich über den gesamten Querschnitt zusammenbackt. Im Anschluss wird der poröse Sinterkuchen durch rotierende Schneiden auf Korngrößen von ca. 15 mm gebrochen. Solche Sinteranalgen stehen meist direkt im Hüttenwerk.

Beim Pelletieren werden die Feinsterze zusammen mit Wasser, Bindemittel und Zuschlagsstoffen in rotierenden Trommeln zu Grünpellets gerollt. Es entstehen Kügelchen mit Korngrößen von ca. 15 mm, die anschließend zu einer porösen Masse gebrannt werden. Pellets werden hauptsächlich von den Erzlieferanten hergestellt und dann an die Hüttenwerke geliefert.

Die wesentlichen Vorteile des Sinterns bzw. des Pelletierens sind die erhöhte Kontrollierbarkeit der Zusammensetzung und die beschleunigte chemische Reaktion im Hochofen aufgrund der Porosität (Gasdurchströmung).