Eisengewinnung und Stahlerzeugung

Transkript

1 Eisengewinnung und Stahlerzeugung Seite 1 FWU Schule und Unterricht min, Farbe Eisengewinnung und Stahlerzeugung In den Kurzfilmen werden die wichtigsten Schritte bei der Eisengewinnung und Stahlerzeugung herausgegriffen: der Hochofenprozess, das Sauerstoffblasverfahren und das Elektrostahlverfahren, sowie Stahllegierungen und Stahlverarbeitung. Dabei werden die chemischen Abläufe genauer angesprochen und mit Hilfe von Trickdarstellungen erläutert. Das Video baut auf den Kenntnissen auf, die der Grundlagenfilm 32/ Moderne Eisen- und Stahlgewinnung vermittelt. Chemie Anorganische Chemie Metalle, Angewandte Chemie Technische Chemie Vorkommen, Gewinnung und Verarbeitung von Stoffen, Chemische Grundlagen technischer Prozesse Adressaten Sekundarbereich I Hauptschule, Realschule, Gymnasium, Integrierte Gesamtschule (ab Schuljahr 8) Sekundarbereich II Weiterbildung Schlagwörter Roheisen, Stahl, Hochofen, Konverter, Stahlerzeugung, Roheisengewinnung, Eisenverarbeitung Lernziele Großtechnische Verfahrensweisen der Eisen- und Stahlherstellung kennen lernen; die grundlegenden chemischen Vorgänge erkennen und formulieren können; das Bouduard- Gleichgewicht als Beispiel eines temperaturabhängigen Gleichgewichts kennen lernen; von den Eigenschaften verschiedener Stahllegierungen und den Möglichkeiten der Stahlverarbeitung Kenntnis erhalten. Kurzbeschreibung Eisen und Stahl haben infolge ihrer vielseitigen Einsatzmöglichkeiten auch heute als moderne Werkstoffe eine enorme Bedeutung. Die Stationen ihrer Herstellung und die Eigenschaften verschiedener Stahllegierungen werden in 4 Kurzfilmen vorgestellt. Die Roheisengewinnung im Hochofen, die Rohstahlerzeugung mittels LD-Verfahren, OBM-Verfahren bzw. Elektrostahlverfahren sowie die Stahlverarbeitung im Stranggießprozess werden gezeigt. Zahlreiche Trickaufnahmen erläutern eingehend die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen. Zu den Filmen Stahl ist auch heute noch einer der wichtigsten Werkstoffe der modernen Wirtschaft. Selbst bei aufwändigsten technischen Konstruktionen, die höchsten Anforderungen genügen müssen, spielen die vielseitigen Stahllegierungen eine entscheidende Rolle. Sie werden in großtechnischen Verfahren aus Eisenverbindungen hergestellt, die in der Natur weit verbreitet sind (Eisen ist mit etwa 4,7 % das vierthäufigste Element der Erdkruste). Dabei ist der Eisengehalt vieler Gesteine so gering (unter 40 %), dass sich der Abbau nicht lohnt. (In Deutschland wird seit 1987 kein Eisenerz mehr abgebaut.) Die wichtigsten Eisenerze sind Eisen-Sauerstoff-Verbindungen (Magneteisenstein, Rot- und Brauneisenstein), Pyrit (FeS 2 ) und Eisenspat (FeCO 3 ). Sie werden vor allem aus Brasilien, Liberia, Australien, Kanada, der

2 Eisengewinnung und Stahlerzeugung Seite 2 GUS und Schweden importiert. Die Begleitstoffe des Eisens im Erz werden als Gangart bezeichnet. Im Hochofen dient Koks als Brennstoff und reduziert die Eisenerze zu Eisen. Beim Frischen wird der hohe Kohlenstoffgehalt des Roheisens (etwa 4%) verringert. Aus dem Rohstahl werden durch geeignete Zusätze Legierungen hergestellt, die verschiedenste Eigenschaften aufweisen. Diese Vorgänge werden in 4 Kurzfilmen erläutert. 1. Hochofenprozess Der schachtförmige (bestehend aus zwei abgestumpften Kegeln, die mit ihren breiten Öffnungen zusammenstoßen), aus feuerfesten Steinen gemauerte und mit Stahlblech verkleidete Hochofen wird über eine Förderanlage abwechselnd mit Koks (Kohlenstoffgehalt 95 %) und Möller (aufbereitetes Eisenerz mit Zuschlägen, wie Kalk oder Feldspat, die je nach Gangart das Entstehen einer möglichst niedrig schmelzenden und dünnflüssigen Schlacke ermöglichen) durch die oberer Öffnung (Gicht) beschickt. Die Stoffbewegung im Hochofen erfolgt nach dem Gegenstromprinzip. Während die durch die Gicht eingefüllten festen und später flüssigen Ausgangsstoffe von oben nach unten sinken und schließlich als Roheisen bzw. Schlacke nach etwa vier bis sechs Stunden abgestochen werden, steigen die heißen Gase durch die Beschickungssäule aus porösem Koks und Möller nach oben, wo sie die eingefüllten Rohstoffe vorwärmen, ehe sie als Gichtgas schon nach wenigen Sekunden den Hochofen verlassen. Dabei finden zahlreiche chemische Reaktionen statt. Zur Verbrennung des Kokses wird Luft in so genannten Winderhitzern auf etwa 1300 C vorgeheizt und einige Meter über dem Boden mit Druck über eine Ringleitung ins Innere des Ofens geblasen. Dies führt zur Entzündung der untersten Koksschicht. Der Sauerstoff des Heißwindes reagiert in einer stark exothermen Reaktion (sie liefert den Hauptteil der Wärme im Hochofen) mit dem Kohlenstoff des Kokses. Das gebildete Kohlenstoffdioxid wird beim Aufstieg durch den glühenden Koks zu Kohlenstoffmonooxid reduziert. Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoff und Kohlenstoffmonooxid stehen miteinander in einem temperaturabhängigen Gleichgewicht (Bouduard-Gleichgewicht): CO 2 + C 2 CO Bei etwa 900 C liegt nahezu ausschließlich Kohlenstoffmonooxid vor, das die Eisenoxide stufenweise reduziert (indirekte Reduktion), wobei es selbst zu Kohlenstoffdioxid oxidiert wird. 3 Fe 2 O 3 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 3 FeO + CO 2 FeO +CO Fe + CO 2 In der darüberliegenden Koksschicht wird das Kohlenstoffdioxid wieder zu Kohlenstoffmonooxid reduziert, welches das Eisenerz der nächsten Möllerschicht reduziert. Diese Vorgänge wiederholen sich, bis bei etwa 700 C das Bouduard-Gleichgewicht auf der Seite von Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoff liegt. Dieser reduziert das Eisenoxid (direkte Reduktion): FeO + C Fe + CO Der Kohlenstoff wird vom Eisen aber auch direkt aufgenommen (Aufkohlung). 3 Fe + C Fe 3 C

3 Eisengewinnung und Stahlerzeugung Seite 3 Die Schmelztemperaturen von Zementit, Fe 3 C, liegt bei C (von reinem Eisen bei 1539 C), so dass das kohlenstoffhaltige Eisen schmilzt, durch den Koks tropft und am Boden des Hochofens abgestochen werden kann. In modernen, bis zu 60 m hohen Hochöfen, können pro Tag etwa 1100 t Roheisen erzeugt werden. Die abgetrennte Schlacke wird je nach Zusammensetzung im Straßenbau oder zur Zementherstellung verwendet. Das Gichtgas, das noch bis zu 30 % brennbares Kohlenstoffmonooxid enthält, verwendet man nach der Reinigung zum Betrieb der Winderhitzer oder als Heizgas. 2. Konvertierung Das aus dem Hochofen stammende Roheisen enthält neben Silicium, Phosphor, Schwefel und Mangan auch etwa 4 % Kohlenstoff. Deshalb ist es spröde und schmilzt beim Erhitzen unvermittelt, so dass es nur vergossen werden kann (Gusseisen). Durch eine allmähliche Verringerung des Kohlenstoffgehaltes (Frischen) wird Roheisen in schmiedbares Eisen (Stahl) überführt. LD (Linz-Donawitz-Verfahren), ein Sauerstoffaufblasverfahren Nahezu 80 % des Rohstahls werden heute in Deutschland nach diesem Verfahren hergestellt. Es wurde in den Vereinigten Österreichischen Stahlwerken Linz-Donawitz entwickelt. An Stelle von Luft wird in diesem Verfahren zum Frischen reiner Sauerstoff verwendet. Durch eine etwa 25 m lange, gekühlte Lanze wird er mit bis zu 1M Pa Druck auf die Roheisenschmelze, die sich in einem schwenkbaren, feuerfesten Stahltiegel (Konverter) mit einem Fassungsvermögen von t befindet, geblasen. Nach wenigen Sekunden kommt es zu heftigen Oxidationsvorgängen. Es verbrennen der Reihe nach: Si + O 2 SiO 2 + E 4 P + 5 O 2 P 4 O 10 + E C + O 2 CO 2 + E 2 Mn + O 2 2 MnO + E Das entstehende Eisenoxid wird von den Begleitelementen wieder reduziert: z.b. 3 Mn + Fe 2 O 3 2 Fe + 3 MnO Unter Aufschäumen der Schlacke gerät das Metallbad in Bewegung, so dass eine gründliche Oxidation der Verunreinigungen gewährleistet ist (Blaszeit etwa 20 Minuten). Das Eisen wird zu Stahl verkocht. Die Temperatur im Reaktionszentrum steigt auf bis zu 3000 C. So kann zusätzlich Schrott verschmolzen werden. OBM (Oxygen-Bodenblasen-Maxhütte)-Verfahren, ein Sauerstoffdurchblasverfahren In der Oberpfalz wurde das LD-Verfahren weiterentwickelt. Über speziell geformte Düsen im Boden des Konverters wird gekühlter Sauerstoff durch die Roheisenschmelze hindurchgeblasen, was zu einer schnelleren und intensiveren Durchmischung führt. Im Mantelrohr befindet sich Erdgas als Kühlgas. Besonders effektiv ist die Kombination von LD- und OBM-Verfahren

4 Eisengewinnung und Stahlerzeugung Seite 4 Dabei lässt sich die Eisenverschlackung gering halten; ferner werden mit hochtechnisierten Messverfahren exakt vorgegebene Stahllegierungen erreicht. 3. Elektrostahlverfahren In den letzten Jahren erlangte das Elektrostahlverfahren wachsende Bedeutung (etwa 20 %). In den Öfen des Lichtbogenverfahrens mit einem Fassungsvermögen von bis zu 400 t wird vor allem Schrott verarbeitet. Mehr als 40 % des Stahls werden aus Schrott erschmolzen; dafür ist etwa 2/3 weniger an Energie erforderlich als bei der Gewinnung von Eisenerz. Der elektrische Lichtbogen entsteht zwischen zwei großen Graphitelektroden (3 m Länge; 0,5 m Durchmesser), die von oben durch den Deckel in den Ofen eingeführt werden, und der Metallfüllung. Dadurch werden die hohen Schmelztemperaturen (bis 3000 C) erzeugt. Der zum Frischen nötige Sauerstoff stammt überwiegend aus dem Eisenoxid des Schrotts. Zuschläge wie Kalk und Fluss-Spat ermöglichen die Schlackenbildung. 4. Legierungsbildung und Weiterverarbeitung Der erschmolzene Stahl wird in eine Gießpfanne abgestochen. Hier werden überschüssiger Sauerstoff, der zu Blasenbildung führt, sowie Wasserstoff (aus feuchten Rohstoffen), der eine Versprödung des Stahls bewirkt, entfernt (Vakuumbehandlung). Gleichzeitig setzen Legierungsstoffe (Stahlveredler), welche der Stahlschmelze zugefügt werden, den Sauerstoffgehalt herab. Zur Herstellung von Spezielstählen werden Ferrolegierungen von Chrom, Mangan, Molybdän, Silicium; Nickel, Vanadium, Wolfram oder Titan zugesetzt. Die Eigenschaften solcher Edel- und Qualitätsstähle und ihre Verwendungsmöglichkeiten werden im Film gezeigt. Die Weiterverarbeitung des Stahls erfolgt heutzutage vorwiegend im Stranggießprozess. Dazu wird der Stahl aus der Gießpfanne in eine wassergekühlte Kokille aus Kupfer gegossen. Sogleich erstarrt die Oberfläche. Der Stahlstrang wird unter Wasserberieselung weitergezogen, bis er gänzlich erstarrt ist. Anschließend wird er mit Schneidbrennern zu Brammen geschnitten und gekühlt, ehe er in Walzwerke transportiert und zu Blechen, Profilen oder Draht verarbeitet wird. Sehr viel Energie lässt sich in integrierten Gieß- Walzwerken einsparen, wo der warme Stahl sofort gewalzt bzw. geformt wird. Kontextmedium 32/ Moderne Eisen- und Stahlgewinnung. 16-mm-Film/VHS, 15 min, f Produktion Target Film & Video Produktion GmbH, München, Uwe von Schumann, Jürgen A. Knoll, im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild und Ernst Klett Verlag, Stuttgart, 1997 Buch und Regie Dr. Manfred Baur Kamera Uwe Neumeister Michael Sigloch Licht Andy Stein Andreas Wagner

5 Eisengewinnung und Stahlerzeugung Seite 5 Ton Heinz A. Staubitz Animation Michael Paul Schnitt Caroline Meier Produktionsleitung Rüdiger Jordan Begleitkarte Monika Nather Bildnachweis Target Film & Video Produktion GmbH, München Redaktion Dr. Roberrt Anzeneder Für Unterstützung danken wir: Preussag Stahl AG, Salzgitter Ruhrkohle Bergbau AG, Kokerei Kaiserstuhl, Dortmund Thyssen Stahl AG, Duisburg 1997 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon: (089) Telefax: (089) info@fwu.de Internet: