Verbrennungsvorgang

Das in oxidierter Form gebundene Eisen in den aufbereiteten Erzen muss durch chemische Prozesse herausgelöst werden. Hierfür wird ein Stoff benötigt, der den Sauerstoff stärker an sich bindet als das Eisen selbst. Genau dies kann der Kohlenstoff aus dem Koks als Reduktionsmittel leisten. Bei ausreichend hohen Temperaturen kann der Kohlenstoff dabei direkt an der Reduktion des Eisens teilnehmen (direkte Reduktion). Bei geringeren Temperaturen erfolgt die Reduktion indirekt mit Hilfe des bei der Verbrennung gebildeten Kohlenstoffmonoxidgases (indirekte Reduktion). In beiden Fällen wird das Eisenoxid zu Eisen reduziert.

Hochofen-Prozess, chemische Vorgänge, Trocknungszone, Vorwärmzone, Indirekte Reduktion, Direkte, Aufkohlung, Schmelze, Schlacke

Abbildung: Zonen im Hochofen

Der Einsatz von Kohlenstoff als Reduktionsmittel ist nicht nur der großen Verfügbarkeit geschuldet sondern als gasförmiger Stoff hat Kohlenmonoxid den Vorteil, dass es in die porösen Erze gut eindringen und mit den darin enthaltenen Eisenoxiden reagieren kann. Aus diesem Grund werden die Eisenerze auch in Form von Sinter und Pellets so porös wie möglich aufbereitet.

  • Kohlenstoff liefert nicht nur die notwendige Wärme zum Schmelzen des Eisenerzes sondern dient in besonderer Weise als Reduktionsmittel, um die Eisenoxid zu Eisen zu reduzieren.

Auf die einzelnen chemischen Vorgänge im Hochofen wird in den folgenden Abschnitten näher eingegangen.

Um die nötige Wärme und das Reduktionsgas Kohlenstoffmonoxid (\(CO\)) zu erzeugen, wird im unteren Teil des Hochofens das Koks unter Zufuhr des eingeblasenen Heißwindes verbrannt. Der im Koks enthaltene Kohlenstoff (\(C\)) reagiert mit dem Luftsauerstoff im Heißwind (O2) zunächst nach folgender Reaktionsgleichung zu Kohlendioxid (\(CO_2\)):

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{kohlendioxid}
& C + O_2  \rightarrow CO_2 ~~~ \text{(exotherm)} \\[5px]
\end{align}

Die Verbrennung ist sehr stark exotherm, d.h. es wird - wie bei einem Verbrennungsvorgang üblich - Wärme frei. Dies führt zu einem Temperaturanstieg von bis zu 2000 °C. Das entstandene Kohlendioxidgas (\(CO_2\)) reagiert aufgrund der sehr hohen Temperaturen wieder mit dem im Koks enthaltenen Kohlenstoff (\(C\)) und bildet das reduktionsfähige Kohlenmonoxidgas (\(CO\)).

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{kohlenmonoxid}
& CO_2 + C  \rightleftharpoons 2~CO ~~~ \text{(endotherm)} \\[5px]
\end{align}

Die Bildung von Kohlenmonoxid erfolgt endotherm, d.h. unter Energieaufnahme, sodass die Temperatur des Gases auf etwa 1700 °C fällt. Ein zu starker Temperaturabfall muss allerdings unbedingt vermieden werden, da die Reaktion von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid nur bei ausreichend hohen Temperaturen abläuft. Eine zu geringe Temperatur würde wieder die Rückreaktion (angedeutet durch den Doppelpfeil in der Reaktionsgleichung) des reduktionsfähigen Kohlenmonoxidgases zu Kohlendioxid bedeuten. Aber genau dieses Kohlenmonoxid ist für die Reduktion der Eisenoxide notwendig und muss in ausreichendem Maße gebildet werden.