Hochofen, Roheisen und Stahl
In Duisburg liegt eines der größten Stahlwerke Europas. Täglich laufen dort viele tausend Tonnen flüssiges Eisen aus den Hochöfen. Aber in der Natur kommt Eisen fast nur als Erz vor, also als Eisenoxid im Gestein. Wie wird daraus ein Metall, aus dem man Brücken, Autos und Schienen für die Deutsche Bahn baut?
Vom Erz zum Roheisen: der Hochofen
Eisenerz ist ein Gestein, in dem Eisen mit Sauerstoff verbunden ist, zum Beispiel als Eisen(III)-oxid $\mathrm{Fe_2O_3}$. Um das Metall zu erhalten, muss man dem Eisenoxid den Sauerstoff entziehen. Das nennt man Reduktion. Dafür braucht man einen Stoff, der den Sauerstoff aufnimmt: das Reduktionsmittel.
Im Hochofen wird dafür Koks verwendet. Koks ist fast reiner Kohlenstoff und wird aus Steinkohle hergestellt (im Ruhrgebiet hat das lange Tradition). Von oben gibt man abwechselnd Schichten ein:
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Eisenerz (liefert das Eisen),
-
Koks (Energielieferant und Reduktionsmittel),
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Zuschläge wie Kalk (binden das taube Gestein und bilden flüssige Schlacke).
Von unten wird heiße Luft eingeblasen. Dadurch glüht der Koks bei über $1.500\,^\circ\mathrm{C}$. Unten sammelt sich flüssiges Roheisen, darüber schwimmt die leichtere Schlacke.
Nenne die Ausgangsstoffe, die in den Hochofen gegeben werden (Eisenerz, Koks, Zuschläge).
Nenne die Ausgangsstoffe, die in den Hochofen gegeben werden (Eisenerz, Koks, Zuschläge).
Was im Hochofen chemisch passiert
Der Koks verbrennt mit dem Sauerstoff der heißen Luft:
$\mathrm{C} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2}$
Das Kohlenstoffdioxid reagiert weiter mit glühendem Koks zu Kohlenstoffmonoxid:
$\mathrm{CO_2} + \mathrm{C} \rightarrow 2\,\mathrm{CO}$
Kohlenstoffmonoxid ist das eigentliche Reduktionsmittel. Es nimmt dem Eisenoxid den Sauerstoff weg:
$\mathrm{Fe_2O_3} + 3\,\mathrm{CO} \rightarrow 2\,\mathrm{Fe} + 3\,\mathrm{CO_2}$
Im Hochofen entsteht aus Eisenerz Roheisen. a) Nenne das Gas, das als Reduktionsmittel wirkt. b) Gib an, ob es sich um eine Reduktion oder Oxidation des Eisenoxids…
Im Hochofen entsteht aus Eisenerz Roheisen.
- a) Nenne das Gas, das als Reduktionsmittel wirkt.
- b) Gib an, ob es sich um eine Reduktion oder Oxidation des Eisenoxids handelt.
Im Hochofen reagiert Eisen(III)-oxid mit Kohlenstoffmonoxid: $\text{Fe}2\text{O}3 + 3\,\text{CO} \rightarrow 2\,\text{Fe} + 3\,\text{CO}2$ a) Gib an, welcher Stoff…
Im Hochofen reagiert Eisen(III)-oxid mit Kohlenstoffmonoxid:
$\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\,\text{CO} \rightarrow 2\,\text{Fe} + 3\,\text{CO}_2$
- a) Gib an, welcher Stoff reduziert und welcher oxidiert wird.
- b) Nenne das Reduktionsmittel.
- c) Erkläre, wie das Reduktionsmittel im Hochofen aus Koks entsteht.
Im Hochofen läuft ein mehrstufiger Prozess ab: $\text{C} + \text{O}2 \rightarrow \text{CO}2$; $\text{CO}2 + \text{C} \rightarrow 2\,\text{CO}$;…
Im Hochofen läuft ein mehrstufiger Prozess ab: $\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$; $\text{CO}_2 + \text{C} \rightarrow 2\,\text{CO}$; $\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\,\text{CO} \rightarrow 2\,\text{Fe} + 3\,\text{CO}_2$.
- a) Markiere in jeder Gleichung Oxidation und Reduktion.
- b) Erkläre, warum Koks gleichzeitig Energielieferant und Reduktionsmittel ist.
- c) Bewerte die Umweltauswirkung der Stahlproduktion und nenne eine Möglichkeit, Emissionen zu senken (z. B. Wasserstoff statt Koks).
Vom Roheisen zum Stahl
Das Roheisen aus dem Hochofen enthält etwa $4\,\%$ Kohlenstoff. Dadurch ist es hart, aber spröde: Es lässt sich nicht schmieden oder walzen und bricht bei Schlägen. Für Brücken oder Autokarosserien ist es daher ungeeignet.
Beim Frischen wird in das flüssige Roheisen Sauerstoff geblasen. Der Kohlenstoff verbrennt zu Kohlenstoffdioxid und entweicht als Gas. So sinkt der Kohlenstoffgehalt auf unter $2\,\%$. Es entsteht Stahl.
| Roheisen | Stahl | |
|---|---|---|
| Kohlenstoffgehalt | ca. $4\,\%$ | unter $2\,\%$ |
| Verformbarkeit | spröde | gut verformbar |
| Verwendung | Gussteile (z. B. Kanaldeckel, Bremsscheiben) | Träger, Bleche, Schienen, Werkzeuge |
Der Zusammenhang: Je mehr Kohlenstoff, desto härter und spröder; je weniger Kohlenstoff, desto zäher und besser verformbar.
Gib an, ob die Aussage richtig oder falsch ist: a) Stahl enthält weniger Kohlenstoff als Roheisen. b) Roheisen ist sehr elastisch und leicht verformbar.
Gib an, ob die Aussage richtig oder falsch ist:
- a) Stahl enthält weniger Kohlenstoff als Roheisen.
- b) Roheisen ist sehr elastisch und leicht verformbar.
Ein Hochofen in Duisburg erzeugt täglich $8.000\ \text{t}$ Roheisen. Roheisen enthält etwa $4\ \%$ Kohlenstoff. a) Berechne die Masse Kohlenstoff in einem Tag. b)…
Ein Hochofen in Duisburg erzeugt täglich $8.000\ \text{t}$ Roheisen. Roheisen enthält etwa $4\ \%$ Kohlenstoff.
- a) Berechne die Masse Kohlenstoff in einem Tag.
- b) Erkläre, warum man Roheisen zu Stahl weiterverarbeitet.
- c) Beschreibe, wie beim Frischen der Kohlenstoffgehalt gesenkt wird.
Die Tabelle zeigt Eigenschaften von Roheisen und Stahl: | | Roheisen | Stahl | |---|---|---| | Kohlenstoffgehalt | ca. 4 % | unter 2 % | | Verformbarkeit | spröde | gut…
Die Tabelle zeigt Eigenschaften von Roheisen und Stahl:
| Roheisen | Stahl | |
|---|---|---|
| Kohlenstoffgehalt | ca. 4 % | unter 2 % |
| Verformbarkeit | spröde | gut verformbar |
- a) Nenne, wofür man jeweils eher Roheisen und Stahl verwendet.
- b) Erkläre den Zusammenhang zwischen Kohlenstoffgehalt und Sprödigkeit.
Eisengewinnung berechnen und bewerten
Ein Erz besteht nie nur aus Eisenoxid. Man muss zuerst den Anteil des Oxids bestimmen, dann den Eisenanteil darin.
Umwelt und Recycling
Die Stahlproduktion über den Hochofen setzt viel Kohlenstoffdioxid frei: Koks wird zu $\mathrm{CO_2}$ oxidiert. Das verstärkt den Treibhauseffekt. Mögliche Auswege:
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Wasserstoff statt Koks als Reduktionsmittel: Es entsteht Wasserdampf statt $\mathrm{CO_2}$ (wenn der Wasserstoff mit Ökostrom hergestellt wird).
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Schrottrecycling: Stahlschrott wird im Elektrolichtbogenofen eingeschmolzen. Das spart Erz, Koks und viel Energie.
Grenzen des Recyclings: Es gibt nicht genug Schrott für den gesamten Bedarf, Verunreinigungen (z. B. Kupfer) mindern die Qualität, und der Lichtbogenofen braucht viel Strom.
Ein Erz enthält $80\ \%$ Eisen(III)-oxid ($\text{Fe}2\text{O}3$). Aus $1{,}0\ \text{t}$ Erz soll Eisen gewonnen werden. Eisen macht in $\text{Fe}2\text{O}3$ rund…
Ein Erz enthält $80\ \%$ Eisen(III)-oxid ($\text{Fe}_2\text{O}_3$). Aus $1{,}0\ \text{t}$ Erz soll Eisen gewonnen werden. Eisen macht in $\text{Fe}_2\text{O}_3$ rund $70\ \%$ der Masse aus.
- a) Berechne die Masse $\text{Fe}_2\text{O}_3$ in der Tonne Erz.
- b) Berechne die maximale Masse Eisen.
- c) Nenne zwei Gründe, warum in der Praxis weniger Eisen erhalten wird.
Ein Stahlwerk in NRW will Hochofenroheisen durch Recycling von Stahlschrott im Elektrolichtbogenofen ersetzen. a) Nenne zwei Vorteile des Schrottrecyclings. b) Nenne…
Ein Stahlwerk in NRW will Hochofenroheisen durch Recycling von Stahlschrott im Elektrolichtbogenofen ersetzen.
- a) Nenne zwei Vorteile des Schrottrecyclings.
- b) Nenne einen möglichen Nachteil oder eine Grenze.
- c) Bewerte die Aussage: „Stahl ist ein nachhaltiger Werkstoff.“
Zurück zum Anfang: Aus dem Eisenerz in Duisburg wird Metall, indem Kohlenstoffmonoxid dem Eisenoxid den Sauerstoff entzieht; durch Frischen wird aus dem spröden Roheisen verformbarer Stahl.
Auf einen Blick
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Im Hochofen wird Eisenerz ($\mathrm{Fe_2O_3}$) mit Koks und Zuschlägen zu flüssigem Roheisen und Schlacke.
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Koks liefert Wärme und über $\mathrm{CO}$ das Reduktionsmittel: $\mathrm{Fe_2O_3} + 3\,\mathrm{CO} \rightarrow 2\,\mathrm{Fe} + 3\,\mathrm{CO_2}$. Das Eisenoxid wird reduziert, CO wird oxidiert (Redoxreaktion).
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Roheisen (ca. $4\,\%$ C) ist spröde. Beim Frischen verbrennt Kohlenstoff mit eingeblasenem Sauerstoff; Stahl hat unter $2\,\%$ C und ist verformbar.
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Prozentrechnung: Anteil Oxid im Erz, dann Anteil Eisen im Oxid.
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Die Hochofenroute erzeugt viel $\mathrm{CO_2}$; Wasserstoff und Schrottrecycling können Emissionen senken.