Direktreduktionsverfahren

Neben dem Prozessweg über den Hochofenprozess, existiert über das sogenannte Direktreduktionsverfahren noch ein weitere Möglichkeit aus Eisenerzen Rohstahl zu gewinnen. Ausgangspunkt der Bestrebungen um eine Alternative zum Hochofenprozess, war der relativ hohe Prozessaufwand. Denke man nur an die aufwendige Erzvorbereitung, Kokserzeugung, Winderzeugung, die hohen Anforderungen an die Hochofenwerkstoffe aufgrund der enormen Prozesstemperaturen im Hochofen und nicht zuletzt an die schädlichen Gichtgase wie Kohlendioxid.

Direktreduktion, Direktreduktionsverfahren, Schachtofen, Eisenschwamm

Abbildung: Direktreduktionsverfahren

Aus diesen Gründen wurde das Direktreduktionsverfahren entwickelt, welches in Sachen Produktivität jedoch noch weit hinter dem Hochofenprozess steht. Herzstück der Direktreduktion ist der Schachtofen, der mit Stückerz und Pellets von oben gefüllt wird. Um den Sauerstoff in den Eisenerzen herauszulösen, wird Kohlenmonoxid- und Wasserstoffgas verwendet. Im Gegensatz zum Hochofenprozess gehen diese Reduktionsgase jedoch nicht aus der Verbrennung von Koks hervor. Stattdessen werden diese Reduktionsmittel mittels Katalyse außerhalb des Schachtofens aus Erdgas erzeugt. Die Prozessgase Kohlenmonoxid (\(CO\)) und Wasserstoff (\(H_2\)) werden bei Temperaturen von ca. 1000 °C in den Ofen geblasen und durchströmen die Eisenerze. Es findet dabei die Reduktion der Eisenoxide nach folgenden chemischen Gleichungen statt:

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{Direktreduktionsverfahren}
&Fe_2O_3 ~&&+~ 3 CO  &&\rightarrow~ 2 Fe && +~ 3 CO_2 \\[5px]
&Fe_2O_3 ~&&+~ 3 H_2 &&\rightarrow~ 2 Fe && +~ 3 H_2O \\[5px]
\end{align}

Im Gegensatz zum Hochofen wird beim Direktreduktionsverfahren mit Temperaturen von maximal 1000 °C gearbeitet. Die Eisenerze werden also nicht aufgeschmolzen! Dies trifft auch für die im Erz enthaltene Gangart zu, weshalb die verwendeten Eisenerze von vorne herein relativ gangartarm sein müssen. Aus den Eisenerzen wird durch die Reduktionsgase lediglich der Sauerstoff herausgelöst. Dies führt dazu, dass die Eisenerze an der Oberfläche rissig werden. Das Aussehen gleicht einem porösen Schwamm, weshalb das desoxidierte und somit stark eisenhaltige Eisenerz auch als Eisenschwamm bezeichnet wird.

Um eine zu starke Wiederoxidation des Eisenschwamms an der späteren Luft zu verhindern, muss dieser im unteren Bereich des Schachtofens heruntergekühlt werden. Eine Aufkohlung wie beim Hochofenprozess tritt beim Direktreduktionsverfahren nicht ein, da nicht mit Koks als Reduktionsmittel gearbeitet wird. Somit bleibt der Kohlenstoffgehalt des Eisenschwamms mit rund 2 % relativ niedrig. Es wird im Schachtofen auch nicht mit schlackenbildenden Zuschlägen gearbeitet. Verunreinigungen werden durch das nachträglich stattfindende Elektrostahlverfahren entfernt. Dabei wird der Eisenschwamm zum Rohstahl erschmolzen.