Frischen

Ist das flüssige Roheisen nach der Entschwefelung im Stahlwerk angekommen, so erfolgt die Weiterbehandlung zum (Roh-)Stahl. Dabei macht man sich zunächst zu Nutze, dass die noch im unerwünschten Maße enthaltenen Eisenbegleiter wie Phosphor, aber auch die in zu hohen Konzentrationen vorhandenen Elemente wie Kohlenstoff, Silizium und Mangan, eine größere Affinität zum Sauerstoff besitzen als Eisen. Dies bietet die Möglichkeit die Eisenbegleiter in der Roheisenschmelze relativ einfach unter Zufuhr von Sauerstoff zu verbrennen. Hierdurch oxidieren die Eisenbegleiter und werden in einer schlackenbildenden Schicht gebunden bzw. vergasen. Anders als bei der Roheisenherstellung im Hochofen erfolgt der Verbrennungsvorgang an dieser Stelle eben nicht mit Kohlenstoff, denn dieser soll ja unter anderem aus dem Roheisen teilweise entfernt werden.

Früher wurde der Roheisenschmelze frische Luft zur Oxidation zugeblasen, weshalb ein solcher Oxidationsvorgang ganz allgemein auch als Frischen bezeichnet wird. Im Laufe der Zeit haben sich unterschiedliche Verfahren zum Frischprozess entwickelt, von denen viele heute nicht mehr zeitgemäß sind. Deshalb wird im Folgenden auf das wichtigste Verfahren näher eingegangen, dem Konverterverfahren.

Frischen, Konverter-Verfahren, Roheisen-Tiegel, LD-Konverter, Sauerstoff-Aufblas-Verfahren, Linz-Donawitz-Verfahren, Sauerstofflanze, Schrott, Kalk

Abbildung: Sauerstoff-Aufblas-Verfahren

Beim Konverterverfahren wird das Roheisen zunächst in riesige Tiegel mit einem Fassungsvermögen von ca. 300 t gefüllt, sogenannte Konverter ("Umwandler"). Durch eine wassergekühlte Kupferlanze wird dann Sauerstoff auf das Roheisenbad geblasen. Deshalb wird diese Art des Konverterverfahrens auch Sauerstoff-Aufblas-Verfahren genannt. Entwickelt wurde dies zuerst in den Stahlwerken Linz und Donawitz, weshalb man dieses Verfahren auch unter dem Namen Linz-Donawitz-Verfahren (kurz: LD-Verfahren) bekannt ist.

Durch den aufgeblasenen Sauerstoff werden der Kohlenstoff und die unerwünschten Eisenbegleiter aus dem Roheisen herausoxidiert. Die Durchmischung der Schmelze erfolgt durch den hohen Blasdruck und die heftige Oxidation, welche das Roheisenbad in Bewegung setzt. Mit Hilfe von Kalkzuschlägen werden die gebildeten Oxide dann in einer basischen Schlacke gebunden oder in den gasförmigen Zustand überführt. Das Oxidieren der Begleitelemente geschieht über die Bildung von flüssigem Eisenoxid (\(FeO\)), welches durch das Sauerstoffaufblasen (\(O_2\)) auf dem Roheisen (\(Fe\)) entsteht:

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{eisenoxidation}
&Fe ~+~ O_2  &&\rightleftharpoons~ FeO ~+~ O \\[5px]
\end{align}

Das oxidierte Eisen reagiert dann mit den Begleitelementen, wobei diese aufgrund der größeren Sauerstoffaffinität selbst oxidiert werden, während das Eisenoxid wieder reduziert wird. Die chemischen Gleichgewichtsreaktionen der wichtigsten Eisenbegleiter lauten:

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{konverterverfahren}
&FeO ~&&+~ C  &&\rightleftharpoons~ Fe && +~ CO \\[5px]
5~&FeO &&~+~ 2~P  &&\rightleftharpoons~ 5~Fe && +~ P_2O_5 \\[5px]
&FeO &&~+~ Mn  &&\rightleftharpoons~ Fe && +~ MnO \\[5px]
2~&FeO &&~+~ S  &&\rightleftharpoons~ 2~Fe && +~ SO_2 \\[5px]
\label{konverterverfahren_ende}
2~&FeO &&~+~ Si  &&\rightleftharpoons~ 2~Fe && +~ SiO_2 \\[5px]
\end{align}

Die extrem exotherme Oxidation der Eisenbegleiter gleicht letztlich einem Verbrennungsvorgang. Die Temperatur der Roheisenschmelze steigt dabei von 1250 °C auf über 1600 °C an. Aus diesem Grund wird zur Kühlung ca. 20 % Recycling-Schrott hinzugegeben, um den mit Steinen ausgekleideten Konverter vor zu hohen Temperaturen zu schützen. Auch Eisenerz oder Eisenschwamm (aus dem Direktreduktionsverfahren) kann als Kühlung mitverwendet werden. Nach einer Aufblaszeit von ca. 20 Minuten ist die dann als Rohstahl bezeichnete Schmelze fertig gefrischt. Für die Weiterbehandlung wird der Rohstahl in Pfannen vergossen. Diese Weiterbehandlung wird auch als Sekundärmetallurgie bezeichnet und wird im nachfolgenden Kapitel behandelt.

Pfannenmetallurgie, Pfannen-Wagen, Rohstahl, Abstich, Abgießen, Sekundärmetallurgie

Abbildung: Abstechen des Rohstahls in Pfannen