Eisen- und Stahlherstellung einfach erklärt: Hochofen

Schau dir einmal ein Auto, ein Fahrrad oder eine riesige Hängebrücke an. Sie alle bestehen aus extrem stabilem Stahl. Aber wusstest du, dass dieses glänzende, harte Metall seinen Ursprung in einem bröckeligen, rostroten Stein hat, der einfach in der Erde liegt?

Wie macht man aus einem Haufen Steine ein Material, das Wolkenkratzer tragen kann? In der Eisen- und Stahlherstellung reisen wir in das Innere eines gigantischen Ofens und lernen, wie Chemiker und Ingenieure mit enormer Hitze und cleveren chemischen Tricks das Eisen aus dem Stein befreien und zu unzerstörbarem Stahl veredeln.

Vorwissen

• Erze: Gesteine aus der Natur, die wertvolle Metallverbindungen (meistens Metalloxide) enthalten. Beispiel: Eisenerz ist ein Gestein, in dem Eisen fest mit Sauerstoff verbunden ist.
• Reduktion: Eine chemische Reaktion, bei der einem Stoff der Sauerstoff entzogen wird. Beispiel: Wenn man Kupferoxid den Sauerstoff wegnimmt, bleibt reines Kupfer übrig.

Aufgabentyp 1: Metallurgische Prozesse analysieren

Um die Eisen- und Stahlherstellung zu verstehen, betrachten wir die zwei wichtigsten industriellen Schritte: die Eisengewinnung und die anschließende Veredelung.

Um an das Eisen heranzukommen, müssen wir es von dem Gestein und dem Sauerstoff trennen, an den es im Eisenerz gebunden ist. Das passiert in einem gigantischen, turmartigen Gebäude: dem Hochofen.

Für den Betrieb eines Hochofens braucht man genau drei wichtige Rohstoffe, die oben in den Ofen gekippt werden:

1. Eisenerz: Der Lieferant für das Eisen.
2. Koks: Das ist eine speziell gebackene Kohle. Sie liefert die enorme Hitze und hilft bei der chemischen Reaktion.
3. Zuschläge: Das sind Hilfsstoffe (wie Kalkstein). Sie wirken wie ein chemischer Besen und schmelzen das nutzlose Gestein des Erzes zu einer flüssigen Masse, der sogenannten Schlacke, zusammen.

Im Inneren des Hochofens ist es über $2000 \text{ }^\circ\text{C}$ heiß. Das Eisen wird dort nicht in einem einzigen Schritt gewonnen, sondern durch eine Abfolge von Reaktionsschritten:

Zuerst verbrennt der Koks und erzeugt dabei ein spezielles Gas (Kohlenstoffmonoxid). Dieses Gas steigt im Ofen nach oben und wirkt wie ein Dieb: Es entreißt dem Eisenerz den Sauerstoff. Diesen Vorgang nennen wir Reduktion. Das nun befreite Eisen schmilzt durch die enorme Hitze und tropft als flüssiges Roheisen auf den Boden des Ofens, wo es abgelassen werden kann.

Das Roheisen, das unten aus dem Hochofen fließt, hat ein großes Problem: Es hat auf seinem Weg nach unten zu viel Kohlenstoff aus dem Koks aufgenommen (etwa $4 \text{ \%}$). Dadurch ist das Roheisen extrem spröde. Wenn man mit einem Hammer darauf schlägt, verbiegt es sich nicht, sondern zersplittert wie Glas. Für den Bau von Autos oder Brücken ist das völlig unbrauchbar!

Deshalb muss das Roheisen zu Stahl veredelt werden. Stahl ist Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von maximal $1{,}5 \text{ \%}$. Durch diesen geringen Anteil wird das Metall plötzlich elastisch, schmiedbar und extrem belastbar.

Um den überschüssigen Kohlenstoff und andere Verunreinigungen zu entfernen, nutzt man in der Industrie hauptsächlich zwei gängige Verfahren:

• Das Sauerstoffaufblasverfahren
• Das Elektrolichtbogenverfahren (hierbei wird oft auch alter Schrott mit extrem heißen elektrischen Blitzen eingeschmolzen und recycelt).

Das chemische Prinzip hinter der Veredelung ist bei beiden Verfahren die Oxidation. Beim Sauerstoffaufblasverfahren wird zum Beispiel reiner Sauerstoff mit hohem Druck auf das flüssige Roheisen geblasen.

Der Sauerstoff reagiert sofort mit dem unerwünschten Kohlenstoff im flüssigen Eisen. Sie verbinden sich zu einem Gas (Kohlenstoffdioxid), das einfach als Bläschen in die Luft entweicht. Die Verunreinigungen werden also buchstäblich herausgebrannt, bis perfekter Stahl übrig bleibt.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du in einer Aufgabe erklären sollst, wie ein bestimmtes Eisenprodukt hergestellt oder verbessert wird, nutze diesen Plan:

1. Schritt 1: Das Material prüfen. Finde heraus, welches Material vorliegt. Ist es Eisenerz (enthält Sauerstoff), Roheisen (enthält zu viel Kohlenstoff, bricht leicht) oder Stahl (max. $1{,}5 \text{ \%}$ Kohlenstoff, biegsam)?
2. Schritt 2: Das chemische Prinzip bestimmen. Überlege, was entfernt werden muss: Muss Sauerstoff entfernt werden? $\to$ Das Prinzip ist die Reduktion. Muss Kohlenstoff entfernt werden? $\to$ Das Prinzip ist die Oxidation.
3. Schritt 3: Den Ort und das Verfahren nennen. Ordne den passenden industriellen Prozess zu: Reduktion findet im Hochofen statt (mit Koks und Zuschlägen). Oxidation findet bei der Stahlherstellung statt (z. B. im Sauerstoffaufblasverfahren).

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Hochofen-Rohstoffe: Eisenerz, Koks und Zuschläge.
• Eisengewinnung: Im Hochofen wird dem Eisenerz in mehreren Schritten der Sauerstoff entzogen (Reduktion). Es entsteht flüssiges Roheisen.
• Roheisen vs. Stahl: Roheisen ist spröde (zu viel Kohlenstoff). Stahl ist biegsam und stabil, weil er maximal $1{,}5 \text{ \%}$ Kohlenstoff enthält.
• Stahlherstellung: Beim Sauerstoffaufblasverfahren oder Elektrolichtbogenverfahren werden Verunreinigungen im Roheisen durch Oxidation (Reaktion mit Sauerstoff) entfernt.