Eisenherstellung

Eisenherstellung – Chemie

Eisen zählt zu den wichtigsten Rohstoffen unserer Zeit. Besonders im Bauwesen und Maschinenbau vertrauen wir heute auf das wichtigste Eisenerzeugnis: den Stahl. Doch wo finden wir Eisen in der Natur und wie wird das Metall gewonnen und weiterverarbeitet?

Wie kommt Eisen in der Natur vor?

Eisen ist ein unedles Metall und kommt daher nur ganz selten in gediegener, also reiner Form vor. Die Bedingungen auf unserer Erde lassen Eisen relativ schnell mit Anionen wie z. B. Sulfidionen $\ce{S^{2-}}$, Oxidionen $\ce{O^{2-}}$ oder Carbonationen $\ce{CO3^{2-}}$ reagieren. Wir finden Eisen also nicht in metallischer Form, sondern gebunden in Eisenverbindungen vor. Enthalten diese Verbindungen abbauwürdige Mengen an Eisen, werden sie auch als Eisenerze bezeichnet. Wichtige Eisenerzminerale sind beispielsweise:

• Hämatit ($\ce{Fe2O3}$)
• Magnetit ($\ce{Fe3O4}$)
• Pyrit ($\ce{FeS2}$)
• Siderit ($\ce{FeCO3}$)

Geschichte der Eisenherstellung

Seine heutige Bedeutung erlangte Eisen vor allem durch die industrielle Revolution. Der Bau von schweren Maschinen, Werkzeugen, Hochhäusern und Brücken trieb die Nachfrage extrem voran. Doch bereits vor etwa 5.000 Jahren wurde Eisen genutzt und die Eisenverhüttung, also die Gewinnung von Eisen, ist ebenfalls seit etwa 3.000 Jahren bekannt. Die ersten Zeugnisse menschlicher Bearbeitung metallischen Eisens stammen allerdings von Eisenmeteoriten – auch „Eisen des Himmels“ genannt. Das in Meteoriten enthaltene Eisen liegt nicht in Erzform, sondern metallisch und relativ rein mit geringen Anteilen anderer Metalle wie z. B. Nickel ($\ce{Ni}$) vor.
Wir benötigen für die Stahlherstellung jedoch sehr große Mengen an Eisen und können nicht darauf vertrauen, Eisenmeteorite in großen Mengen zu finden. Daher ist für die industrielle Verarbeitung von Eisen der Abbau von Eisenerzen entscheidend.

Eisenherstellung – Ablauf

Im Folgenden betrachten wir den Ablauf der Eisenherstellung und insbesondere die Prozesse im Hochofen.

Förderung

Eisenerze werden meist im Tagebau gewonnen. Wir finden sie zum Beispiel in sogenannten BIFs: Banded Iron Formations (Bändereisenerze). Dies sind weit ausgedehnte, sehr alte Formationen aus wechselnden Bändern von eisenreichen und eisenärmeren Sedimentschichten. Bis zu 600 Meter mächtige Formationen gibt es zum Beispiel in Afrika und Australien.

Aufbereitung

Die Eisenerze kommen also in der Natur nicht isoliert vor, sondern immer zusammen mit anderen Gesteinen. Man nennt das umgebende Gestein auch Gangart oder Nebengestein. Dieses Material wird für die Eisenherstellung nicht benötigt und muss vor einer weiteren Verarbeitung abgetrennt werden. Dies geschieht durch Zerkleinerung des abgebauten Materials und Aussortieren der unerwünschten Bestandteile z. B. über Magnetscheider. Die Eisenerzverbindungen werden dabei aufgrund ihrer ferromagnetischen Eigenschaften bei Kontakt mit dem externen Magnetfeld des Magnetscheiders angezogen und so von den nicht magnetischen Anteilen abgetrennt. Im Anschluss werden die feinen Eisenerzbestandteile zu porösen Stückchen verbacken (gesintert) oder zu Pellets gepresst. Dabei werden dem Erz auch verschiedene Zuschlagstoffe zugesetzt, die im Hochofen die Abtrennung des verbleibenden Nebengesteins erleichtern.

Hochofen – chemische Prozesse

Nun folgt der entscheidende Schritt in der Eisenherstellung: die Gewinnung möglichst reinen Eisens. Der Hochofen wird dazu in wechselnden Schichten aus Eisenerz und Koks (kohlenstoffreicher Brennstoff) befüllt. Einfach erklärt reagiert Kohlenstoffmonoxid ($\ce{CO}$) dabei mit dem Sauerstoff ($\ce{O2}$) aus den Eisenverbindungen zu Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$) und es entsteht Eisen ($\ce{Fe}$). Wir beobachten also eine schrittweise Reduktion der Eisenverbindungen (Reduktion von drei- und zweiwertigem Eisen) mithilfe von Kohlenstoffmonoxid zu reinem Eisen von oben nach unten. Folgende Formeln stellen den Prozess zusammengefasst dar:

$\ce{C + O2 -> CO2}$
$\ce{CO2 + C -> 2 CO}$
$\ce{Fe2O3 + 3 CO -> 2 Fe + 3 CO2}$

In Wirklichkeit geschieht dies über mehrere Einzelschritte abhängig von der jeweiligen Temperatur im Hochofen. Diese steigt von oben nach unten an und begünstigt damit die jeweiligen Reaktionen in den Zonen. In der Abbildung siehst du die verschiedenen Zonen mit den dazugehörigen Reaktionen. Die Übergänge sind dabei immer fließend und die Prozesse laufen gleichzeitig ab.

Von oben wird kontinuierlich im Wechsel Eisenerz $(\ce{Fe2O3})$ und Koks in den Ofen eingebracht. Im unteren Teil wird ständig etwa $\pu{1200 °C}$ heiße Luft eingeblasen und verbrennt so den Koks unter Bildung von Kohlenstoffmonoxid:

$\ce{2 C + O2 -> 2 CO}$

Das Kohlenstoffmonoxid $(\ce{CO})$ und weitere Verbrennungsgase steigen im Ofen auf und bewirken ganz oben in der Trocknungszone ein Vorwärmen und Trocknen des frisch eingebrachten Materials.
Ab etwa $\pu{400 °C}$ kommt es in der Reduktionszone dann zur Umwandlung von $\ce{Fe^{III}2O3}$ (Hämatit) zu $\ce{Fe^{II}Fe^{III}2O4}$ (Magnetit). Anschließend wird auch das verbleibende $\ce{Fe^{3+}}$ im Magnetit ($\ce{Fe3O4}$) zu $\ce{Fe^{2+}}$ in Wüstit ($\ce{FeO}$) reduziert. Dabei wird Kohlenstoffdioxid $(\ce{CO2})$ freigesetzt.
Bei etwa $\pu{1.000 °C}$ reagiert Kohlenstoffdioxid mit dem Kohlenstoff aus dem Koks $(\ce{C})$ zu Kohlenstoffmonoxid $(\ce{CO})$. Das so entstandene Kohlenstoffmonoxid steht wiederum für die Reduktion von Wüstit $(\ce{FeO})$ zu elementarem Eisen $(\ce{Fe})$ zur Verfügung. Das Eisen liegt nun als reiner Feststoff mit einem Schmelzpunkt von $\pu{1.538 °C}$ vor.
Durch Aufnahme von Kohlenstoff wird in der Aufkohlungszone Zementit $(\ce{Fe3C})$ gebildet. Der Schmelzpunkt von Zementit liegt mit etwa $\pu{1.200 °C}$ niedriger als jener von reinem Eisen, sodass das Eisen‑Kohlenstoff‑Gemisch hier bereits beginnt, flüssig zu werden. Gleichzeitig schmelzen nun auch durch die beigemischten Zuschlagstoffe die verbleibenden Reste des Nebengesteins. Dies nennt man Schlacke.
Die im Vergleich dazu dichtere Roheisenschmelze sammelt sich am Boden des Hochofens in der Abstichzone und wird alle vier bis sechs Stunden abgelassen. Bis dahin schützt die darüber befindliche Schlacke das flüssige Roheisen vor Oxidation.
Zur Herstellung von einer Tonne Roheisen wird eine halbe Tonne Koks benötigt. Es entstehen $\pu{300 kg}$ Schlacke.

Verarbeitung

Das Roheisen enthält nun zwischen drei und fünf Prozent Kohlenstoff, was es sehr spröde macht und die weitere Verarbeitung erschwert. Die Gießeigenschaften hingegen sind sehr gut, weshalb aus diesem Material gusseiserne Produkte wie z. B. Pfannen gefertigt werden können. Soll das Roheisen jedoch weiterverarbeitet werden, muss der Kohlenstoffgehalt auf unter 2,1 Prozent reduziert werden. Das geschieht im sogenannten Windfrischverfahren, bei welchem Sauerstoff kontrolliert über das flüssige Roheisen geblasen wird. Der so entstandene Stahl kann nun durch Ziehen, Biegen, Pressen und Walzen weiter bearbeitet werden. Die weltweite Produktion von Roheisen liegt knapp unter zwei Milliarden Tonnen pro Jahr. Der größte Produzent ist derzeit China (Stand: 2020).