Gewinnung von Metallen - Redoxreaktion F

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1 Gewinnung von Metallen - Redoxreaktion F mit verl in d nen Met Die sich rati stol ter, Sto dun geg Sch ben aus Sie Sch Met wer Hol; Luft te n pen noc war das Wir aus

2 6.1 Reduktion von Metalloxiden Wie kann man aus Metalloxiden das Metall zurückgewinnen? Silberoxid lässt sich durch Erhitzen in Silber und Sauerstoff zerlegen (2' Kap. 5.5). Im Prinzip gelingt das auch mit anderen Metalloxiden, jedoch nur bei sehr hohen Temperaturen. Sie lassen sich im Schulversuch kaum erzeugen. Bei einer anderen Möglichkeit Metalle aus Metalloxiden herzustellen, wird das unterschiedliche Bindungsbestreben der Metalle zu Sauerstoff genutzt. B 1 Eisen reagiert mit Kupferoxid. Nach der Reaktion sind rotes Kupfer und grauschwarzes Eisenoxid erkennbar 1 Mische 1,6 g schwarzes Kupferoxidpulver und 0,8g graues Eisenpulver (Ferrum reductum). Erhitze das Gemisch im Reagenzglas bis zum ersten Aufglühen und entferne das Reagenzglas sofort aus der Brennerflamme (Schutzbrille!). Fertige ein Versuchsprotokoll an. Führe den Versuch zum Vergleich mit einem Gemisch aus schwarzem Eisenoxid- und rotem Kupferpulver durch (Schutzbrille!). E1 2 Man mischt 0,5g Kupferoxidpulver und 0,4g Zinkpulver im trockenen Reagenzglas. Das Gemisch bringt man auf eine Magnesiarinne oder Porzellanscherbe und erhitzt es. (Schutzbrille! Schutzscheibe!) 3 Man vermischt je eine Spatelspitze Kupferoxidund Magnesiumpulver im trockenen Reagenzglas. Man bringt das Gemisch auf eine Magnesiarinne oder Porzellanscherbe und berührt mit der Brennerflamme (Schutzbrille! Schutzhandschuhe!). 1 Ordne die Metalle Magnesium, Eisen und Zink nach wachsender Heftigkeit, mit der sie mit Kupferoxid reagieren. 2 Formuliere für die Reaktionen von Zink mit Kupferoxid und von Magnesium mit Kupferoxid die Reaktionsschemata. Gib jeweils an, welcher Stoff oxidiert und welcher reduziert wird. 3 Ordne die Metalle Eisen, Kupfer, Magnesium, Zink nach ihrer Stärke als Reduktionsmittel. Ein Metall reagiert mit einem Metalloxid. Ein Gemisch aus Eisen und Kupferoxid glüht nach kurzem Erhitzen auf (>V 1, > B 1 links). Eine Glühfront bewegt sich durch das Gemisch hindurch. Nach dem Erkalten erkennt man rote Kupferkügelchen und grauschwarzes Eisenoxid. Das schwarze Kupferoxid reagiert mit dem grauen Eisen zu rotem Kupfer und schwarzem Eisenoxid (>B 1 rechts). Diese Reaktion verläuft exotherm. Das Eisenoxid reagiert dagegen mit dem Kupfer nicht. Eisen wird oxidiert zu Eisenoxid, gleichzeitig wird Kupferoxid reduziert zu Kupfer. Die Zurückführung eines Metalloxides zum Metall nennt man Reduktion (von lat. reducere, zurückführen). Man spricht auch von einer Reduktion, wenn eine Sauerstoffverbindung Sauerstoff abgibt. So ist z. B. die Zerlegung von Silberoxid in Silber und Sauerstoff eine Reduktion. Die Reduktion ist die Umkehrung der Oxidation. Bei der Reaktion zwischen Kupferoxid und Eisen laufen Reduktion und Oxidation gleichzeitig ab. Eine solche Reaktion bezeichnet man als Reduktions-Oxidations- Reaktion, abgekürzt Redoxreaktion. Eine Reaktion, bei der Oxidation und Reduktion gleichzeitig ablaufen, nennt man Redoxreaktion. Oxidation - Kupferoxid + Eisen -+ Kupfer + Eisenoxid Reduktion Stoffe, die wie Kupferoxid andere Stoffe oxidieren, nennt man Oxidationsmittel. Sie selbst werden reduziert. Sauerstoff selbst ist auch ein Oxidationsmittel. Stoffe, die wie Eisen einen anderen Stoff reduzieren, nennt man Reduktionsmittel. Sie selbst werden oxidiert. Je größer das Bindungsbestreben eines Metalles zu Sauerstoff ist, desto stärker wirkt es als Reduktionsmittel. [.1.]

3 Reduktion von Metalloxiden Magnesiumband /Hülse aus / Aluminiumfolie Magnesium- / pulver Tongefäß Sand Thermit- = 1 Sand Filterpapier B2 Verschweißen von Eisenbahnschienen unter Anwendung des Thermitverfahrens B3 Thermitreaktion. Links: Versuchsaufbau. Rechts: Reaktion des Thermitgemisches in einem Spezialtiegel Thermitverfahren. Redoxreaktionen, bei denen starke Reduktionsmittel eingesetzt werden, können teilweise sehr heftig und unter äußerst starker Wärmeentwicklung ablaufen. Ein Gemisch aus rotem Eisenoxidpulver und Aluminiumgrieß dient zum Schweißen von Eisenteilen wie z. B. Schienen (>B2). Es liefert nach Zündung in wenigen Sekunden weißglühendes, flüssiges Eisen. Beim Abkühlen erstarrt es und verbindet dabei die Eisenteile miteinander. Es werden Temperaturen bis zu 2400 C erreicht. Eisenoxid + Aluminium -+ Eisen + Aluminiumoxid 1 exotherm Kohlenstoff reagiert mit Metalloxiden. Bei der Redoxreaktion zwischen einem Metall und einem Metalloxid verbacken die neu gebildeten Stoffe häufig miteinander. Das neue Gemisch muss dann mühsam getrennt werden. Dieser Nachteil entfällt, wenn das Reduktionsmittel zu einem gasförmigen Stoff oxidiert wird. Erhitzt man ein Gemisch aus schwarzem Kupferoxid und Kohlenstoff (>V5), so glüht es auf. Im Kalkwasser perlen Gasblasen hoch, das Kalkwasser trübt sich (>B 4). Nach dem Erkalten erkennt man im Reagenzglas einen rötlichen festen Stoff. Kupferoxid und Kohlenstoff reagieren in einer exothermen Reaktion zu Kupfer und Kohlenstotfdioxid. 4 Man mischt 15 g rotes Eisenoxidpulver, 5 g AIuminiumgrieß und 0,5g Aluminiumpulver und schüttet das Gemisch in eine Hülse aus AIufoI,e, die in einem mit Sand gefüllten Blumentopf steckt (>B 3 links). Auf das Gemisch gibt man etwas Magnesiumpulver und zündet mit einem Magnesiumband. (Schutzbrille! Schutzhandschuhe! Schutzscheibe! Feuerfeste Unterlage, z. B. Sandwanne benutzen!) 5 Gib in ein Reagenzglas ein Gemisch aus 2g Kupferoxidpulver und 0,2 g Holzkohlepulver. Verschließe entsprechend > B 4 mit einem Stopfen, in dem ein gewinkeltes Gasableitungsrohr steckt, das in Kalkwasser eintaucht. Erhitze bis zum Glühen und löse sofort den Stopfen. (Schutzbrille!) B4 Kohlenstoff reduziert Kupferoxid zu Kupfer und wird zu Kohlenstoffdioxid oxidiert Oxidation Kupferoxid + Kohlenstoff - Kupfer + Kohlenstoffdioxid Reduktion Auch aus anderen Metalloxiden lassen sich mit Hilfe von Kohlenstoff als Reduktionsmittel die entsprechenden Metalle gewinnen. Lem

4 6.2 Roheisenherstellung Ab Magneteisenerz (Magnetit) Brauneisenerz (Limonit) IN tu (Hämatit) Spateisenerz (Siderit) Bi Wichtige Eisenerze, die zur Roheisengewinnung im Hochofen verwendet werden 1 Stelle ein feinpulvriges Gemisch aus etwa gleichen Teilen von rotem Eisenoxid und Holzkohle her. Fülle einen langgezogenen Streifen des Gemisches in die Apparatur nach >B4, - Kap Erhitze das Gemisch langsam immer kräftiger (Schutzbrille!) und löse nach dem Erhitzen sofort den Stopfen. Untersuche nach dem Erkalten das Reaktionsprodukt mit dem Magneten. Deute die Beobachtungen. 1 Kennzeichne bei der Reaktion von Eisenoxid mit Kohlenstoffmonooxid zu Eisen und Kohlenstoffdioxid den Oxidations- und den Reduktionsvorgang. 2 Warum befinden sich am oberen Ende des Hochofens zwei Glocken und nicht nur eine? B2 Hochofenanlage in einem Hüttenwerk Eisen ist das wichtigste Gebrauchsmetall. Es kommt in der Natur nicht gediegen, sondern nur in Verbindungen vor. Die Rot- und Braunfärbungen vieler Böden und Gesteine beruhen auf dem Vorhandensein von Eisenverbindungen. Von Eisenerzen spricht man, wenn der Eisenanteil höher als 200/0 ist. Sie werden jedoch erst abgebaut, wenn er 30% überschreitet. Bei Erzen wie Hämatit, Magnetit und Limonit (>B 1) handelt es sich um Eisenoxide. Aus ihnen lässt sich durch Reduktion Eisen gewinnen. Dazu wird Steinkohlenkoks eingesetzt. Das ist fast reiner Kohlenstoff. Zuvor werden jedoch die Erze von störendem Begleitgestein, der Gangart, weitgehend befreit. Sollen Erze wie Pyrit, die aus Eisensulfiden bestehen, eingesetzt werden, so müssen sie vor ihrer Reduktion im Luft- oder Sauerstoffstrom oxidiert (, geröstet) werden. Dabei entstehen Eisenoxid und Schwefeldioxid. Der Hochofen. Durch Erhitzen eines Gemisches aus Eisenoxid- und Kohlepulver (>Vi) lässt sich im Experiment Eisen erzeugen. Um allerdings flüssiges Eisen, das sich zur Weiterverarbeitung eignet, zu erhalten, sind höhere Temperaturen notwendig, die in Hochöfen erreicht werden. Eine Fabrik zur Gewinnung und Verarbeitung von Eisen heißt noch heute Eisenhütte", obwohl sich die mittelalterlichen Holzhütten zu eindrucksvollen Anlagen gewandelt haben. Die Menschen, die dort arbeiten, nennen sich auch heute noch Eisenhüttenleute. Ein Hochofen ist bis zu 50 m hoch. Fülleinrichtungen und Rohrleitungen (>B 2) verleihen ihm eine Gesamthöhe von bis zu ca. 100 m. Seine Wände bestehen aus feuerfesten Auskleidungen, die von einem Stahlmantel umgeben sind. Darin sind Kühlelemente eingelassen, durch die fortwährend Wasser fließt. Der Hochofen wird von oben her abwechselnd mit Koks und Möller, einem Gemisch aus aufbereitetem Erz, anhängendem Gestein und Zuschlägen (Kalk oder Feldspat) beschickt. Sie sind notwendig, um die noch am Erz haftende Gangart in niedrig schmelzende Schlacke zu überführen. Von unten her wird der Hochofen mit erhitzter Luft ( Heißwind") beschickt, die aus einem Winderhitzer kommt und unter Druck durch die Blasformen" in den Hochofen eingeblasen wird. Die unterste Koksschicht reagiert mit dem Sauerstoff der etwa 880 C heißen Luft zu Kohlenstoffdioxid. Da bei dieser Reaktion sehrviel Wärmeenergie frei wird, steigt die Temperatur in diesem Abschnitt des Hochofens auf über 1600 C, in einem kleinen Bereich sogar auf 2000 C. Das Kohlenstoffdioxid reagiert mit der darüber liegenden Koksschicht fast vollständig zu Kohlenstoffmonooxid. Es reduziert das Eisenerz im Hochofen zu Eisen. zerfi

5 Roheisenherstellung Vorgänge in den einzelnen Abschnitten des Hochofens. In der Vorwärmzone werden Koks und Möller auf etwa 400 C vorgewärmt und von anhaftendem und gebundenem Wasser befreit. Glocke zum Beschicken angehoben In der Reduktionszone wird der größte Teil der Eisenerze schrittweise durch Kohlenstoffmonooxid reduziert. Eisenoxid + Kohlenstoffmonooxid Eisen + Kohlenstoffdioxid Das Kohlenstoffdioxid reagiert mit der nächsten Koksschicht wieder zu Kohlenstoffmonooxid. Glocke zum Einfüllen gesenkt Möller Vorwärmzone Kois - Gicht Kohlenstoffdioxid + Kohlenstoff - Kohlenstoff monooxid In der Kohlungszone nimmt das Eisen feinverteilten Kohlenstoff auf. Außerdem gelangen aus der Gangart, dem Zuschlag und dem Koks noch weitere Stoffe (Mangan, Silicium, Phosphor, Schwefel) in das Eisen. Durch die Aufnahme dieser Stoffe sinkt die Schmelztemperatur, die beim reinen Eisen 1535 C beträgt, auf etwa 1100 C bis 1200 C, so dass das Eisen in der Schmelzzone durch den glühenden und verglühenden Koks tropft und sich im Gestell sammelt. Die Schlacke, die sich aus der Gangart und dem Zuschlag bildet, schwimmt auf dem Roheisen. Ihre unterste Schicht schützt das darunter liegende Roheisen vor der Oxidation durch den Heißwind. Das Roheisen und die Schlacke werden von Zeit zu Zeit abgestochen" (abgelassen, >B4). Durch ein Hindernis in der Ablaufrinne (, Fuchs") werden sie voneinander getrennt. Es ähnelt einem Querbalken, der von oben in die Rinne taucht. Die Schlacke, die wegen ihrer geringeren Dichte auf dem Eisen schwimmt, wird zurückgehalten und gelangt seitlich in eine andere Rinne, während das Roheisen unter dem Hindernis hindurchfließt. Energieeinsparung durch Gichtgas. Die Gase, die von dem eingeblasenen Heißwind übrig bleiben und die, die im Hochofen entstehen, verlassen den Hochofen an der Gicht als Gichtgas. Es enthält neben Stickstoff und Kohlenstoffdioxid brennbare Gase (Kohlenstoffmonooxid, Wasserstoff, Methan) zu einem Volumenanteil von etwa 30% und wird zur Produktion von Heißwind eingesetzt. In riesigen Winderhitzern wird Gichtgas verbrannt und heizt dabei das Innere, das aus feuerfesten Gittersteinen besteht, auf 1200 C auf. Wird nun umgekehrt die Frischluft, bevor sie in den Hochofen geblasen wird, durch das heiße Gitterwerk geleitet, nimmt sie Wärme auf und wird zum Heißwind. Durch Verwendung des Abfallproduktes Gichtgas werden große Mengen an Koks eingespart, die sonst nötig wären, um die erforderliche Reaktionstemperatur zu erreichen. Reduktionszone Wasserkühlung Kohlungszone Ringleitung - Schmelzzone Roheisenabstich B3 Schnitt durch einen Hochofen - Schacht - Rast - Gestell B4 Hochofenabstich. Das Roheisen fließt in Rinnen ab

6 6.3 Der Hochofen - ein großtechnischer Betrieb Der Betrieb des Hochofens. Das Prinzip der Eisengewinnung kann man als einen rein chemischen Vorgang verstehen. Die technische Gewinnung von Eisen in einem Hochofen stellt aber aus verschiedenen Gründen eine schwierige Aufgabe für alle Beteiligten dar. Wirtschaftliche Berechnungen lassen größere Anlagen günstiger erscheinen als kleine. Ein moderner Hochofen hat daher ein Arbeitsvolumen von ca m 3. In ihm werden täglich bis zu t Roheisen erzeugt. Um Tag für Tag eine solche Menge an Roheisen zu gewinnen, müssen riesige Mengen an Ausgangsstoffen (Erz, Koks, Zuschläge) herangeschafft und gelagert werden. Weit verzweigte kaufmännische Verbindungen sowie eine umfangreiche Vorratshaltung sichern den täglichen Nachschub. Da die großen Mengen an Ausgangsstoffen auf die Reaktionstemperatur zu erwärmen sind, müssen große Wärmemengen erzeugt und beherrscht werden. Ebenso müssen die Weiterverarbeitung des Roheisens, der Abtransport und die Verwendung von Nebenprodukten (z. B. Schlacke) gesichert sein. Das erfordert ein hohes organisatorisches Geschick. Diese Aufgabe wird dadurch noch schwieriger, dass der Hochofen, wenn er einmal angefahren ist, dauernd in Betrieb gehalten werden muss. Während einer Laufzeit von 8 bis 10 Jahren wird er niemals außer Betrieb genommen. Nebenerzeugnisse. Hauptprodukt des Hochofens ist das Roheisen. Es wird in Stahlwerken weiterverarbeitet. Daneben verlassen noch einige Nebenprodukte wie Schlacke, Gichtgas und Staub den Hochofen. Das Gichtgas dient vor allem der Herstellung von Heißwind ( Kap. 6.2). Es wird aber auch zur Stromerzeugung in der Eisenhütte eingesetzt. Die Schlacke findet eine vielseitige Verwendung in der Bauindustrie und dient z. B. zur Zementherstellung und - mit Teer vermischt - als Straßenbaumaterial. Durch Ausgießen der Schlacke in Blechformen können auch Pflastersteine hergestellt werden. Hochofenschlacke mit einem hohen Kalkanteil ( Hüttenkalk") wird als Düngemittel eingesetzt. Der Staub fällt in großen Mengen bei der Erzaufbereitung, der Reinigung des Gichtgases und der Luft in den Werkshallen an. Er wird in Sinteranlagen bei hoher Temperatur mit Erz und Koksstaub verbacken und dem Hochofen zugeführt. Außerdem erzeugt der Hochofen noch Abgas, das bei der Verbrennung des Gichtgases entsteht und Kohlenstoffdioxid enthält. Das entstehende erwärmte Kühlwasser (>B 1) verlässt die Anlage nicht. Es wird nach Abkühlung erneut dem Hochofen zugeführt. Bi Tägliche Materialbilanz für einen Hochofen :::ui t Roheisen... -'- - Der Wasserverbrauch einer Großstadt von Einwohnern Ein Becken von 200 m Länge, 200 m Breite und 2,4 m Tiefe 92

7 6.4 Zur Geschichte der Metallgewinnung Es ist nicht bekannt, wo die ersten Metalle bearbeitet wurden; die Archäologen streiten auch darüber, ob die Menschen zuerst Gold oder Kupfer oder irgendein anderes Metall benutzten. Es ist jedoch sehr wahrscheinlich, dass zunächst nur in der Natur gediegen vorkommende Metalle wie Gold oder Kupfer bearbeitet wurden. Metall aus Erz. Einen riesigen Fortschritt machten die Menschen, als sie entdeckten, dass man Kupferaus Erzen gewinnen kann. Der älteste bekannte Ort der Kupferverhüttung, der etwa 4100 v.chr. besiedelt wurde, ist im heutigen Iran entdeckt worden. In der Folgezeit wurde das Kupfer in einem geschlossenen Ofen aus Erz und Holz gewonnen. Holz wurde schließlich durch Holzkohle ersetzt. Brennende Holzkohle kann unter Luftzufuhr sehr stark erhitzt werden, so dass die Reduktion des Kupferoxids schnell abläuft und sogar flüssiges Kupfer gewonnen werden kann. Die Öfen wurden deshalb später an Berghängen errichtet, so dass der Hangwind zum Feuer geleitet werden konnte. Die Schmiede lernten auch die Entwicklung von Gussformen und das Gießen von geschmolzenem Kupfer zu Plastiken und zu Werkzeugen und Waffen. Werkzeuge und Waffen verbogen leicht und wurden schnell stumpf. V1i\.t 1 ßi f^ IIIIIIIIIIIIii3111!!- B 1 Metallgewinnung im alten Ägypten B2 Eisengewinnung und -bearbeitung im Mittelalter Bronze und Eisen. Die Nachteile des Kupfers weist die Bronze, eine Legierung des Kupfers mit einem Zinnanteil von 10 bis 15 Prozent, nicht auf. Bronze ist härter als Kupfer. Der Bronzezeit folgte die Eisenzeit. Ihr Beginn liegt im geschichtlichen Dunkel. Die Eisengewinnung wurde wahrscheinlich an mehreren Punkten der Erde, mehr als 1000 Jahre vor der Zeitwende, unabhängig voneinander erfunden. In Mitteleuropa haben erstmals die Kelten im Siegerland um etwa 700 v. Chr. Eisenerze verarbeitet. In niedrigen Öfen erhitzten sie Eisenerze im Holzkohlefeuer unter kräftiger Luftzufuhr. Es bildete sich ein Klumpen aus Eisen und Schlacke. Durch wiederholtes Erhitzen und Schmieden wurde die Schlacke entfernt und das Eisen bearbeitet. Im späten Mittelalter baute man hohe Stücköfen. Ihr Erzeugnis wurde als Eisen,,stück" bezeichnet. Auf dem Holzschnitt (> B 2) aus dem Jahre 1556 benutzen Schmiede die grundlegenden Techniken der Eisengewinnung und -bearbeitung. Im Hintergrund verhüttet ein Arbeiter das Erz in einem Schmelzofen aus Ziegeln. In seiner Nähe verhämmern zwei Männer Roheisenstücke, während der Schmied im Vordergrund mit einem mechanisch betriebenen Hammer ein Stück Metall bearbeitet. Durch Steigerung der Temperatur im Stückofen ließ sich Roheisen in geschmolzener Form gewinnen. Mit zunehmender Größe der Öfen entwickelte sich der Begriff Hochofen. Er wurde anfangs mit Holzkohle, später mit Koks betrieben. Mot

8 6.5 Stahlherstellung Roheisen enthält bis zu 100/0 Beimischungen (Kohlenstoff, Mangan, Phosphor, Silicium, Schwefel). Es ist hart und spröde (B1) und schmilzt beim Erhitzen plötzlich, ohne vorher zu erweichen. Roheisen kann weder geschmiedet noch gewalzt werden. Nur ein kleiner Teil des Roheisens wird deshalb in Gießereien zu Gusseisen verarbeitet. Man stellt daraus vor allem Maschinenfüße und Gehäuse her. Bi Roheisen. Links: Probenahme beim Hochofenabstich Rechts: Bruch des erstarrten spröden Roheisens Roheisen Gusseisen Stahl Vom Roheisen zum Stahl. Entzieht man dem Roheisen alle Beimischungen, erhält man reines Eisen. Es lässt sich als Werkstoff nicht verwenden, da es zu weich ist. Durch unvollständiges Entfernen der Beimischungen erhält man schmiedbaren, beim Erhitzen allmählich erweichenden Stahl. Er hat einen Kohlenstoffanteil von maximal 1,7%. Das geschieht in Stahlwerken. Flüssiges Roheisen wird vom Hochofen in gut isolierten Transportbehältern, Torpedopfannen", angeliefert. Sie überbrücken auch große Entfernungen ohne nennenswerten Wärmeverlust. Zur Erzeugung von Stahl lässt man das Roheisen mit Sauerstoff reagieren. Bei diesem Prozess (, Frischen") werden die unerwünschten Anteile oxidiert. c 0) 4 CO 0) 3 CO CO CO CO 0) 1) C.) 2 Kohlenstoff Silicium Mangan Phosphor B2 Zusammensetzung von Eisenwerkstoffen im Vergleich B3 Sauerstoffaufblasverfahren. Beschickung eines Konverters im Stahlwerk Sauerstoffaufblasverfahren. Das wichtigste Verfahren zur Stahlerzeugung ist das Sauerstoffaufblasverfahren. Es wird in einem schwenkbaren Gefäß, dem Konverter (B3), ausgeführt. Er kann bis zu 400t Roheisen und Schrott aufnehmen. Aus einer Sauerstofflanze wird von oben unter hohem Druck ein Sauerstoffstrahl auf das Metallbad gerichtet. Während der Blaszeit von 10 bis 20 Minuten werden unter kräftiger Durchmischung die uner - wünschten Begleitstoffe oxidiert. Sie haben ein größeres Bindungsbestreben zu Sauerstoff als Eisen und reagieren bevorzugt. Bei diesem Prozess wird der Kohlenstoff zuletzt oxidiert. Deshalb kann durch die Länge der Blaszeit der gewünschte Kohlenstoffgehalt eingestellt werden. Gasförmige Oxide entweichen durch die Konverteröffnung, die anderen bilden mit zugegebenem Kalk eine Schlacke, die auf der Oberfläche schwimmt. Am Ende des Frischvor - ganges wird der Konverter gekippt. Der flüssige Stahl fließt durch ein Abstichloch aus. Die Schlacke wird durch Kippen des Konverters zur anderen Seite ausgegossen. Der gesamte Vorgang dauert 30 bis 40 Minuten. Elektrolichtbogenverfahren. In einem weiteren wichtigen Verfahren werden Elektroschmelzöfen eingesetzt, die bis zu 3001: Eisen (Schrott oder Roheisen), Erz und Zuschläge in einer feuerfest ausgemauerten Wanne aufnehmen können. Die elektrische Energie wird über Kohleelektroden zugeführt (>B 4). Sie erzeugen einen Lichtbogen, der das im Ofen liegende Material zum Schmelzen bringt. Das Eisenoxid, das in Erz und Schrott enthalten ist, oxidiert unerwünschte Beimischungen, vor allem den Kohlenstoff. MA

9 Stahlherstellung Dabei entstehen Kohlenstoffmonooxid und auf dem Metallbad schwimmende Schlacke. Sie wird mit einem Schieber von der Oberfläche abgezogen. Zum Ablassen des Stahls wird der Ofen in Kipplage gebracht. Der gesamte Vorgang dauert ca. 1,5 Stunden. Bei diesem Verfahren kann der Kohlenstoffanteil der Schmelze sehr genau eingestellt werden. Außerdem können Legierungsbestandteile eingesetzt werden, die beim Aufblasverfahren oxidiert würden. Deshalb dient die Stahlherstellung im Lichtbogen zur Gewinnung hochwertiger Spezialstähle. Kohleelektroden Gewölbe Ein Zusatz von Nickel gibt dem Stahl eine erhöhte Zähigkeit, Chromzusatz macht ihn besonders hart. Mit Chrom und Nickel legierte Stähle sind säurebeständig und rostfrei (Edelstahl). Stahlsorten mit Wolfram als Legierungsbestandteil können bis zur Rotglut erhitzt werden, ohne zu erweichen. Sie werden als Material für schnell laufende und sehr heiß werdende Maschinenteile verwendet. Weiterverarbeitung. Flüssiger Stahl kann als Gussstahl in Formen gegossen werden und dient zur Herstellung von z. B. Schiffsschrauben und anderen Maschinenteilen. Der größere Teil des Stahls wird jedoch vergossen und in heißem Zustand weiterverarbeitet. Das wichtigste Verfahren ist das Walzen. Aus noch glühenden Blöcken oder Strängen werden auf vollautomatischen Walzstraßen z. B. Stahlträger (r' B 5) oder auch dünne Bleche hergestellt. Das älteste Bearbeitungsverfahren ist das Schmieden, das durch Pressen erweitert wird. Beim Gesenkschmieden werden die Werkstücke in Hohlformen hineingeschlagen. So ist es möglich kompliziert gebaute Teile, z. B. Kurbelwellen für Kraftfahrzeuge (>B 6), herzustellen. Zur Gießgrube Zur Schlackenhalde B4 Elektroschmelzofen. Ein Lichtbogen erzeugt die zum Schmelzen des Inhaltes notwendige Temperatur 1 Berechne aus den Angaben in > B 2, wie viel Kilogramm Kohlenstoff, Silicium, Mangan und Phosphor in einer Tonne Roheisen bzw. Stahl enthalten sein können. 2 Welche chemischen Reaktionen laufen beim Frischen des Roheisens ab? Erstelle für die in >B2 benannten Stoffe Reaktionsschemata. a3 Schildere den Ablauf der Vorgänge beim Sauerstoffaufblasverfahren. N4 Welches Oxidationsmittel wird beim Elektrolichtbogenverfahren eingesetzt? Erstelle für die in > B 2 benannten Stoffe Reaktionsschemata. B5 Walzen. Herstellung eines Doppel-T-Stahlträgers auf einer Walzstraße B6 Gesenkschmieden. Werdegang einer Kurbelwelle Ii 95

10 6.6 Überprüfung und Vertiefung gelbes Bleioxid Reduktionsvermögen nimmt zu 1 Holzkohlepulver Reduktionsmittel Magnesium Zink Eisen Kupfer Oxidationsmittel Magnesiumoxid Zinkoxid Eisenoxid Kupferoxid Oxidationsvermögen nimmt zu Bi Zu Aufgabe 1 B2 Redoxvermögen einiger Metall-Metalloxid-Paare 1 Erhitzt man einen Tiegel, in dem Holzkohlepulver und gelbes Bleioxid übereinander geschichtet worden sind (>B1), einige Zeit in der nicht leuchtenden Brennerflamme, so bildet sich im Tiegel ein blaugrauer, metallisch glänzender, flüssiger Stoff, der beim Abkühlen erstarrt. a) Um welchen Stoff handelt es sich? b) Formuliere das Reaktionsschema. c) Kennzeichne die Oxidation und Reduktion im Reaktionsschema. 2 Man kann die Metalle und ihre Oxide nach ihrer Fähigkeit andere Stoffe zu reduzieren bzw. zu oxidie- B3 Zu Aufgabe 8 ren (Reduktions- bzw. Oxidationsvermögen) in einer Tabelle wie >B2 anordnen. a) Mit welchen der in >B2 aufgeführten Metalle kann man Eisenoxid reduzieren? b) Wo müsste Silber/Silberoxid in der Tabelle >B2 stehen? 3 Häufig liest man.,, Um Eisen zu gewinnen, muss man es aus Gesteinen herausschmelzen". Nimm zu dieser Aussage Stellung und berichtige sie. 4 Das Roheisen müsste eigentlich Rohstahl heißen. Warum wohl? 5 In einen Hochofen werden zwar Eisenerz und Koks eingefüllt, aber der im Koks enthaltene Kohlenstoff ist nicht das eigentliche Reduktionsmittel für Eisenoxid. Erkläre diesen Zusammenhang. 6 Nenne zwei wichtige Verfahren zur Stahlherstellung und beschreibe ihr Wirkungsprinzip. 7 Früher hatten alle Fahrräder einen Stahlrahmen. Heute haben viele einen Rahmen aus Aluminium. Welche Vorteile hat Aluminium gegenüber Stahl? Nenne weitere Beispiele dafür, dass Aluminium Stahl teilweise abgelöst hat. 8 Hält man ein brennendes Magnesiumband in einen mit Kohlenstoffdioxid gefüllten Standzylinder, so brennt das Magnesiumband weiter. Auf dem Boden und an den Wänden des Gefäßes setzen sich ein weißer und ein schwarzer pulveriger Stoff ab (>B3). a) Welche Stoffe haben sich gebildet? b) Formuliere das Reaktionsschema. c) An welcher Stelle in der Tabelle >B2 kann Kohlenstoff/Kohlenstoffdioxid stehen? Warum setzt man im Hochofen Steinkohlenkoks und nicht Holzkohle ein? Wichtige Begriffe Reduktion Red oxreakti o n Oxidationsmittel Reduktionsmittel Thermitverfahren Chemche Vorgänge im Hochofen Möller Heißwind Gichtgas Eisen Roheisen Stahl Sauerstoff auf blasverfahren Elektrolichtbogenverfahren M e