Hochofen

Ein Hochofen ist eine Anlage in Schachtofenbauweise, in der Eisen durch Reduktion von Eisenoxid gewonnen wird.

Der Hochofen wird schichtweise mit zwei wesentlichen Rohstoffen von oben beschickt: dem sog. Möller und Hochofenkoks. Als Möller wird dabei das Eisenerz (meist in Form von Naturerzen oder als Abbrände vom Rösten sulfidischer oder carbonatischer Eisenerze) bezeichnet, das mit Zuschlagstoffen (zur Verringerung des Schmelzpunktes der Erze und besserer Verflüssigung des Gemisches) versetzt wird.

Die Rohstoffe werden mit Förderkübeln über Schrägaufzug zur Einfüllöffnung (die Gichtglocke) oben am Hochofen befördert, entleert, und über ein Doppelglockenschleusensystem ins Innere gebracht. Bei modernen Hochöfen werden an dieser Stelle mitterweile Förderbänder eingesetzt.

Am Fuß des Hochofens oxidiert der aus Koks und Sauerstoff aus der Luft gebildete Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid, der dazu notwendige Sauerstoff wird dem Eisenoxid entzogen, das dadurch zu Eisen reduziert wird. Der verflüssigte Hochofeninhalt wird unten am Ofen durch eine Öffnung entnommen; diese Öffnung ist normalerweise mit einer keramischen Masse verschlossen und wird periodisch beim so genannten Abstich angebohrt. Der ausfließende Inhalt wird in der an den Ofen angrenzenden Abstichhalle über ein Rinnensystem im Boden geleitet,und von der aufgrund ihrer geringeren Dichte auf dem Roheisen schwimmende Schlacke getrennt. Die Abscheidevorrichtung wird auch Fuchs genannt, da sie so 'schlau' ist zwischen dem Eisen und der Schlacke zu unterscheiden.

Der Prozess im Hochofen wird mittels unten am Hochofen eingeblasener heißer Luft (dem sog. Wind) in Gang gehalten. Dieser für den Betrieb wichtige Wind wird in Winderhitzern (Cowper) auf Temperatur gebracht. Neben der Funktion der Sauerstoffversorgung sorgt der Wind auch für die Verwirbelung der zugefügten Rohstoffe, die sonst nur am Ofengrund zusammenbacken würden, und nicht mehr zu erhitzen wären. Kommt es einmal zu einer Verbackung, wird mit dem Vorgang des Stauchens (kurze Unterbrechung des Windes) versucht diese wieder aufzulösen. Das Stauchen entspricht dem Schüren eines Ofenfeuers, bei dem der Luftzug durch zuviel Asche auf dem Gitter zu erliegen droht.

Der Hochofen ist ein Gegenstromreaktor: Während das eingefüllte Material von oben nach unten durch den Reaktor läuft, strömen die entstehenden Reaktionsgase (die sog. Gichtgase) von unten nach oben. Sie werden oben an der Gicht entnommen, von Rauchpartikeln gereinigt und weiterer Verwendung in der chemischen Industrie zugeführt bzw. zur Heißlufterzeugung verbrannt.

Die Außenwand des Hochofens wird über eine Wasserkühlung permanent gekühlt. Früher war das Kühlsystem offen ausgeführt, d.h. Wasser wurde kalt in die Ofenwand geleitet, und wurd dann in einem Kühlturm wieder abgekühlt. Das brachte natürlich einen großen Wasser- und Energieverlust mit sich. Die neuen Hochöfen werden mit einem geschlossenem Kühlkreislauf ausgestattet, der auch eine gewisse Energierückgewinnung zulässt.

Der eigentliche Hochofen ist meist 25-30 m hoch, die Gesamtanlage bis zu 60 m.

Mittlere und große Hochöfen erreichen Tagesleistungen von bis zu 12.000 t Roheisen.

Hochöfen werden kontinuierlich betrieben und sind rund 10 Jahre in Betrieb. Nach dem Ende dieser sogenannten Ofenreise muss der eigentliche Hochofen erneuert werden.

Wichtige grundsätzliche chemische Reaktionsgleichungen:

(1) C + O₂ => CO₂ (Energie liefernde Verbrennung des Koks)

(2) CO₂ + C <=> 2 CO (Erzeugung des gasförmigen Reduktionsmittels Kohlenstoffmonooxid)

(3) Fe₂O₃ + 3 CO => 3 CO₂ + 2 Fe (Reduktion des Eisenoxids zu elementarem Eisen)

Reaktion (1) liefert einerseits die Energie für den gesamten Prozess. Da der Sauerstoff in Form eingeblasener, vorgewärmter Luft zugeführt wird, verläuft die Reaktion so heftig, dass Temperaturen bis über 2000°C erreicht werden. Man kann sich diesen Effekt an einem Grillfeuer klar machen, dessen Kohle heftig weiß aufglüht, wenn man mit einem warmen Föhn darauf bläst. Andererseits liefert die Reaktion das Kohlenstoffdioxid CO₂, das für Reaktion (2) benötigt wird.

Reaktion (2) liefert das giftige Kohlenstoffmonooxid CO, das als eigentliches Reduktionsmittel im Hochofen wirkt. Im Gegensatz zum festen Kohlenstoff kann das gasförmige CO alle Oberflächen der Eisenoxide leicht erreichen und dort reagieren. Diese Reaktion ist eine typische Gleichgewichtsreaktion. Bei hohen Temperaturen liegt das Gleichgewicht rechts, bei niedrigen links.

Reaktion (3) zeigt in zusammengefasster Form die Reduktion des typischen Eisen (III)-Oxids (Roteisenstein, Rost). Tatsächlich verläuft sie über mehrere Zwischenstufen, die in unterschiedlichen Zonen des Hochofens ablaufen:

(3a) 3 Fe₂O₃ + CO => 2 Fe₃O₄ + CO₂

Es entsteht der stärker eisenhaltige Magnetit (Magneteisenstein)

(3b) Fe₃O₄ + CO => 3 FeO + CO₂

Es entsteht Eisen (II)- Oxid

(3c) FeO + CO => Fe + CO₂

Es entsteht metallisches Eisen, das sich unten im Hochofen ansammelt

Siehe auch: Kokerei - Lichtbogenofen - Niederschachtofenwerke - Eisenwerk - Verhüttung