Wie funktioniert der Hochofen?

Einführung

Hochöfen spielen eine wichtige Rolle bei der Stahlerzeugung, da sie Eisenerz durch einen Hochtemperatur-Reduktionsschmelzprozess zu Eisen reduzieren. In diesem Artikel werden wir die Funktionsweise eines Hochofens, seine Bestandteile und Funktionsweise sowie seine Verwendung in anderen Bereichen näher betrachten.

Was ist ein Hochofen?

Hochöfen sind im Grunde hohe, vertikale Schächte, in denen Eisenerz durch Hitze und chemische Reaktionen in geschmolzenes Eisen umgewandelt wird. Im Grunde handelt es sich um einen riesigen Stahlkasten, der unter hohem Druck und hoher Hitze arbeitet und Eisenerz in das Metall umwandelt, das der wichtigste Rohstoff für die Stahlerzeugung ist. Das Wort "Gebläse" bezieht sich auf die Hochdruckluft, die in den Ofen geblasen wird, um den Prozess aufrechtzuerhalten. Der Sauerstoffblasofen (Basic Oxygen Furnace, BOF) wird hauptsächlich bei der Herstellung von Eisen und Stahl eingesetzt, und sein Einsatz hat sich im Laufe der Jahrhunderte weiterentwickelt.

Hauptbestandteile eines Hochofens

Eisenerze

Eisenerz ist das primäre Eiseneinsatzmaterial im Hochofen, das in der Regel aus Oxiden wie Hämatit (Fe2O3) oder Magnetit (Fe3O4) besteht. Diese Erze haben einen hohen Eisengehalt, aber das Metall ist chemisch mit Sauerstoff und anderen Elementen verbunden. Die Umwandlung von Eisenerz in Eisen erfolgt durch chemische Reaktionen.

Koks

Koks ist ein kohlenstoffintensives Material, das durch Erhitzen von Kohle unter Ausschluss von Sauerstoff hergestellt wird.

Kalkstein

Zur Entfernung von Verunreinigungen im Eisenerz, wie z. B. Kieselsäure im Ofen, wird Kalkstein verwendet. Diese Verunreinigungen werden beim Mischen des Kalksteins zu einem Nebenprodukt, der Schlacke aus dem Ofen, verarbeitet.

Die Formulierung im Hochofen zur Eisenerzeugung bedeutet, dass diese Materialien unter definierten Bedingungen in den Ofen eingebracht werden.

Wie funktioniert der Hochofen?

Der Hochofen wird mit Eisenerz, Koks und Kalkstein beschickt und geht in Betrieb. Die Scherben und faserigen Materialien werden abwechselnd schichtweise oben in den Ofen eingeführt. Nun arbeitet der Ofen bei einer sehr hohen Temperatur von etwa 2000°C (3632°F). Heiße Luft wird von unten in den Ofen geblasen, wodurch der Koks entzündet wird und die chemischen Reaktionen in Gang gesetzt werden, die zur Zersetzung des Erzes führen.

Das Material durchläuft mehrere Prozesse vom oberen bis zum unteren Ende des Ofens, wodurch am unteren Ende des Ofens verflüssigtes Eisen entsteht. Es ist hilfreich, jede Phase im Detail zu betrachten: das Erhitzen, die chemischen Reaktionen und die Abtrennung der Verunreinigungen - man kann sehen, wie der Hochofen funktioniert.

Die Rolle der Luft im Feuerraum

Eine Blasdüse am Boden des Ofens bläst Luft in den Ofen ein. Die eingeblasene Luft sorgt für eine frische Sauerstoffzufuhr, damit der Koks weiter brennt, wobei Kohlendioxid und Kohlenmonoxid als Reaktionsprodukte entstehen. Dieses CO ist von entscheidender Bedeutung, denn es ist ein Reduktionsmittel, das mit dem Eisenerz reagiert, um Eisen zu gewinnen.

Die Superhochdruckluft ist notwendig, um die richtige Temperatur im Hochofen aufrechtzuerhalten, die die chemische Reaktion erleichtert. Ohne diesen Luftstrom können die chemischen Reaktionen nicht effizient ablaufen, und der Ofen ist nicht in der Lage, geschmolzenes Eisen zu erzeugen.

Hochofen-Reaktionen

Reduktion von Eisenerzen

Aus dem Koks entsteht Kohlenmonoxid (CO), das mit Eisen(III)-oxid (Fe2O3) nach dem gleichen Prinzip reagiert:

Fe2O3+3CO→ 2Fe+3CO2

Durch diese Reaktion wird der Sauerstoff aus dem Eisenerz verdrängt, und es entsteht reines Eisen (Fe), das zu flüssigem Eisen wird, das sich am Boden des Ofens absetzt.

Bildung von Schlacke

Kalkstein (CaCO3) wird eingebracht, um sich mit den Verunreinigungen im Eisenerz, wie z. B. Kieselsäure (SiO2), zu verbinden und Schlacke zu bilden:

CaCO3→ CaO+3CO2

Das Kalziumoxid (CaO) verbindet sich dann mit Verunreinigungen zu Kalziumsilikat (Schlacke), das an die Spitze des geschmolzenen Eisens aufsteigt.

Diese Reaktionen sind der Grundstein für Hochofenreaktionen die Rohstoffe in verwertbares geschmolzenes Eisen umwandeln.

Das geschmolzene Eisen und die Schlacke

Nach Abschluss der Reaktion sinkt das geschmolzene Eisen auf den Boden des Ofens und die Schlacke schwimmt nach oben. Eisenoxid, das so genannte Rohmaterial, fällt auf den Boden des Ofens, wo es schmilzt, und das geschmolzene Eisen wird durch ein spezielles Ventil abgezogen. Das unreine Material, die so genannte "Schlacke", wird separat aus dem Ofen entnommen.

Anzapfen des geschmolzenen Eisens

Sobald sich genügend geschmolzenes Eisen am Boden des Ofens gebildet hat, wird es durch einen Ausguss in eine Form oder einen Behälter "gestoßen". Dieses Eisen, das so genannte Roheisen, ist das Rohmaterial für die weitere Stahlproduktion. In diesem Stahlerzeugungsofen wird der Kohlenstoffgehalt des Eisens reduziert und es wird zur Stahlerzeugung verwendet. Das in Hochöfen erzeugte Eisen spielt eine Schlüsselrolle.

Was passiert mit der Schlacke?

Die Abfallprodukte des Hochofens werden nicht verschwendet. Sie werden häufig für Bauarbeiten wiederverwendet, kommen in Straßenbelägen vor oder werden sogar zu Zement weiterverarbeitet. Die Schlacke kann in einigen Fällen auch so behandelt werden, dass der Eisengehalt zurückgewonnen werden kann, und ist somit ein wertvolles Nebenprodukt.

Temperatur und Kontrolle

Die Optimierung des Hochofenbetriebs erfordert eine sorgfältige Kontrolle der Temperatur. Wenn sie zu kalt ist, sind die Reaktionen nicht effizient. Ist sie zu hoch, kann der Ofen beschädigt werden. Temperaturregelung Anpassung der Koks- oder Luftstrommenge. Diese Faktoren wurden später in fortschrittliche Hochofensteuerungssysteme integriert, um den reibungslosen Betrieb des Hochofens entsprechend zu steuern und zu kontrollieren.

Die Rolle des Hochofens bei der Stahlerzeugung

Der Hochofen ist ein großer Schmelzofen, der ein wichtiger Bestandteil des Stahlherstellungsprozesses ist. Seine Hauptaufgabe ist die Umwandlung von Eisenerz in Roheisen für Stahlwerk.
Der Prozess besteht darin, dass Eisenerz und Koks von oben in den Hochofen eingefüllt werden und die reduzierenden Gase am Boden nach oben steigen. Schließlich wird das Eisenoxid in Roheisen umgewandelt.
Im Hochofen wird also Roheisen erzeugt, das dann im zweiten Schritt in Stahl umgewandelt wird.

Moderne Verbesserungen

Neuere Technologien haben Hochöfen zu einer energieeffizienten und umweltfreundlichen Option gemacht. Neuere Öfen verfügen über ausgeklügelte Kontrollmechanismen zur Optimierung von Temperatur, Luftstrom und Materialzufuhr. Hochöfen können nicht nur mit alternativen Materialien - zum Beispiel Biomasse - betrieben werden, um den Kohlenstoffausstoß zu verringern. Sie werden auch zunehmend so konzipiert, dass sie zumindest mit alternativen Materialien betrieben werden können, um die Kohlenstoff Emissionen zu reduzieren. So unterstützen wir die Industrie beim Übergang zu nachhaltigen Praktiken.

Schlussfolgerung

Der Hochofen ist ein wesentlicher Bestandteil der Stahlerzeugung und anderer Industrien. Wenn Sie den Hochofenprozess und die darin ablaufenden Vorgänge verstehen, können Sie sich ein Bild von der Komplexität der industriellen Fertigung machen. Die Grundsätze des Hochofenbetriebs haben die Industrie jahrhundertelang angetrieben und spielen auch heute noch eine wichtige Rolle in der modernen Fertigung.