Hochofen

Grundprinzip und Bedeutung

Ein Hochofen ist eine großtechnische Anlage, die aus aufbereiteten Eisenerzen, meist Eisenoxiden, in einem kontinuierlichen Reduktions- und Schmelzprozess flüssiges Roheisen erzeugt. Reduktion bedeutet hier, dass den Eisenoxiden Sauerstoff entzogen wird. Ein vollständiges Eisen- oder Hüttenwerk umfasst außerdem Lager-, Transport-, Heiz-, Gasreinigungs- und Abstichanlagen.

Von oben werden abwechselnd Koks und Möller aufgegeben. Möller ist das Gemisch aus Eisenerz und Zuschlagstoffen wie Siliciumdioxid, Calciumoxid und weiteren Stoffen. Der Koks liefert Energie und wirkt als Reduktionsmittel. Die Zuschläge binden unerwünschte Erzbestandteile in der Schlacke und senken die Schmelztemperatur. Von unten eingeblasener Heißwind liefert den Sauerstoff für die Verbrennung.

Roheisen enthält viel Kohlenstoff sowie unerwünschten Phosphor und Schwefel. Vor der Verarbeitung zu Stahl oder verschiedenen Gusseisensorten müssen diese Bestandteile teilweise durch Frischen entfernt werden. Nebenprodukte sind Schlacke und Gichtgas. Schlacke wird unter anderem als Hüttensand für Zement verwendet; Gichtgas beheizt zunächst die Winderhitzer und dient danach weiterhin als Heizgas.

Der Prozess verursacht erhebliche Emissionen: Bei der Erzeugung einer Tonne Stahl entstehen etwa 1,37 Tonnen CO₂, ein großer Teil davon im Hochofen. In Deutschland entspricht dies etwa einem Drittel der Industrieemissionen. Deshalb planen viele große europäische Stahlunternehmen den Ersatz durch emissionsärmere Verfahren wie die Direktreduktion mit Wasserstoff.

Entwicklung der Eisenerzeugung

Frühe Renn- oder Luppenfeuer erzeugten durch Direktreduktion eine feste, schlackenhaltige Luppe, also Eisenschwamm mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. In Rennöfen wurden bei 1000 bis 1200 °C Holzkohle und Erz verarbeitet; nur die Schlacke wurde flüssig. Die Luppe musste anschließend mehrfach erhitzt und ausgeschmiedet werden. Rennwerke blieben bis ins 18. Jahrhundert verbreitet und erzeugten jährlich etwa 60 bis 120 Tonnen Luppe; pro Kilogramm Eisen wurden 2,7 Kilogramm Holzkohle benötigt.

Seit dem frühen 13. Jahrhundert entstanden größere Stücköfen. Wasserradgetriebene Blasebälge ermöglichten Temperaturen bis 1600 °C, sodass ein Teil des Gemenges schmolz. Das kohlenstoffreiche, spröde Roheisen galt zunächst als unbrauchbar. Erst Frischverfahren, die etwa im 14. Jahrhundert aufkamen, ermöglichten seine Entkohlung. Floßöfen gelten als unmittelbare Vorfahren des Hochofens; der älteste bekannte Floßofen im Kerspetal wird auf 1275 datiert. Sicher belegte europäische Hochöfen standen im 13. Jahrhundert auch in Schweden.

Abraham Darby I erzeugte 1709 in Coalbrookdale Roheisen mit Koks. In Deutschland gelang der Betrieb eines Kokshochofens im November 1796 im Königlichen Hüttenwerk Gleiwitz. Eine weitere entscheidende Verbesserung war Heißwind: Röhrenwinderhitzer wurden ab 1828 nach James Beaumont Neilson eingesetzt, Cowper-Winderhitzer ab 1857.

Außerhalb Europas bestanden eigene Verfahren. Der japanische Tatara-Ofen, spätestens seit dem 7. Jahrhundert bekannt, wurde etwa drei Tage lang mit Holzkohle und Eisenerzsand betrieben und lieferte einen ungefähr zwei Tonnen schweren Block aus schmiedbarem Eisen und Stahl. Auch in China, auf den Philippinen und in Afrika wurden unterschiedliche Schacht-, Zug- und Hochöfen verwendet.

Anlage und zentrale Bauteile

Eine Hochofenanlage ist für eine ununterbrochene Ofenreise von gewöhnlich 10 bis 20 Jahren ausgelegt. Der Hochofenkern ist 30 bis 75 m hoch. Seine oberen drei Fünftel bilden den sich nach unten erweiternden Schacht. Darunter folgen der zylindrische Kohlensack, die sich wieder verengende Rast und das zylindrische Gestell. Moderne freistehende Hochöfen besitzen eine selbsttragende Stahlpanzerung und ein äußeres Gerüst für Arbeitsbühnen und Hilfseinrichtungen.

Im Bunker werden Eisenerze, Koks und Zuschläge gelagert und häufig auf Mischbetten vergleichmäßigt. Brech-, Sinter- und Pelletieranlagen sorgen für geeignete Korngrößen: Zu kleine Teilchen behindern die Durchgasung, zu große werden schlecht ausgenutzt. Förderbänder oder Schrägaufzüge bringen Koks und Möller zur Gicht, dem oberen Ofenabschluss.

Der Gichtverschluss erlaubt die Beschickung, ohne das giftige und brennbare Gichtgas zu verlieren. Moderne Anlagen nutzen meist den 1970/1971 von Édouard Legille für Paul Wurth entwickelten glockenlosen Gichtverschluss. Vorratsbehälter, Dichtklappen und eine dreh- und schwenkbare Schurre verteilen das Material präzise auf der Oberfläche.

Eine feuerfeste Ausmauerung schützt den Ofen. Im oberen Schacht widerstehen Schamottesteine vor allem dem Aufprall der Beschickung; in heißeren Bereichen werden hochfeuerfeste Schamotte, Halbgraphit-, Kohlenstoff-, Schmelzspinell- oder Chromkorundsteine eingesetzt. Ein Kühlsystem mit Kühlkästen oder Plattenkühlern schützt Ausmauerung und Stahlpanzerung. Ein Hochofen mit 8 m Gestelldurchmesser setzt mehr als 30.000 m³ Kühlwasser pro Tag um, wobei moderne geschlossene Kreisläufe das aufbereitete Wasser wiederverwenden.

Meist drei, bei großen Öfen vier Cowper-Winderhitzer arbeiten im Wechsel. Gichtgas erhitzt feuerfeste Viellochsteine; anschließend geben diese Wärme an die eingeblasene Luft ab. Der Heißwind erreicht bis zu 1270–1350 °C und strömt über eine Ringleitung durch 10 bis über 40 wassergekühlte Düsen in den Ofen. Zusätzlich können Kohlenstaub oder fein pelletierte Altkunststoffe eingeblasen werden.

Ofendurchgang und chemische Vorgänge

Im Hochofen sinken die wechselnden Schichten aus Möller und Koks ab, während heiße Reaktionsgase aufsteigen. Deshalb heißt die Anlage Gegenstrom- oder Wanderbett-Reaktor. Sinter, Pellets und Stückerz sollen möglichst lange fest und gasdurchlässig bleiben. Die Basizität des Sinters wird beschrieben durch B = (m(CaO) + k · m(MgO)) / m(SiO₂). Die Reduzierbarkeit ist bei B > 1,0 besser und erreicht zwischen 2,0 und 2,5 ihr Maximum. Ab B = 2,6 verschließt eine zunehmende Schmelzphase Poren; bei saurem Sinter mit B < 1,0 kann die Erweichung bereits beginnen, wenn erst etwa 15 % des Erzes reduziert sind.

Die Verbrennung des Kokses erzeugt Wärme und Reduktionsgase: C + O₂ → CO₂ setzt 394,4 kJ/mol frei und erzeugt im Bereich der Winddüsen 1800 bis 2000 °C, bei zusätzlichem Sauerstoff bis 2200 °C. Danach folgen wärmeverbrauchende Reaktionen. Die Boudouard-Reaktion CO₂ + C → 2 CO benötigt mindestens 1000 °C und 172,45 kJ/mol. H₂O + C → H₂ + CO benötigt 131,4 kJ/mol.

Zwischen 400 und 900 °C erfolgt die indirekte Reduktion durch Kohlenmonoxid oder Wasserstoff in drei Stufen: Hämatit (Fe₂O₃) wird zu Magnetit (Fe₃O₄), dieses zu Wüstit (FeO) und schließlich zu metallischem Eisen. Mit Kohlenmonoxid lauten die letzten beiden Reaktionen Fe₃O₄ + CO → 3 FeO + CO₂ und FeO + CO → Fe + CO₂; Wasserstoff bildet entsprechend Wasser. Bei etwa 800 °C ist Wasserstoff besonders wirksam: Bereits 10 % Wasserstoff im Reaktionsgas verdreifachen die Reduktionsgeschwindigkeit.

Zwischen 900 und 1600 °C findet zusätzlich die direkte Reduktion mit Kohlenstoff statt; für die letzte Stufe gilt FeO + C → Fe + CO. Auch Mangan, Silicium und Phosphor werden reduziert. Bei etwa 1100 bis 1200 °C nimmt das Eisen Kohlenstoff auf, unter anderem gemäß 3 Fe + C → Fe₃C. Dadurch sinkt sein Schmelzpunkt von 1538 °C auf etwa 1300 bis 1400 °C; das Eutektikum Ledeburit mit 4,3 Gew.-% C schmilzt bei 1147 °C.

Schwefel stört die Reduktion: Schon 5 bis 50 ppm SO₂ beschleunigen zunächst den Sauerstoffabbau, hemmen ihn aber nach Bildung metallischen Eisens, weil Schwefel dessen Kohlenstoffaufnahme blockiert. Pellets können dadurch faserige Eisenkristalle bilden und auf das Zwei- bis Dreifache ihres ursprünglichen Volumens anschwellen. Deshalb werden sulfidische Erze geröstet und schwefelbindende Zuschläge verwendet.

Betrieb, Abstich und Störungen

Vor dem Produktionsbeginn wird der Hochofen getrocknet und in ungefähr ein bis zwei Wochen angeblasen. Holz und Koks füllen zunächst das Gestell; darüber werden besonders koksreiche Schichten aus Koks und Möller eingefüllt, entzündet und mit Heißwind angefacht. Das zusätzliche Koksangebot erwärmt die kalte Ausmauerung und Beschickung.

Roheisen und Schlacke werden etwa alle zwei bis drei Stunden abgestochen. Ein Druckluftbohrer öffnet den keramischen Verschluss; die Schmelze fließt 15 bis 20 Minuten durch feuerfest ausgekleidete Rinnen. In der 8 bis 14 m langen Hauptrinne trennt sich die leichtere Schlacke vom Roheisen. Ein als Fuchs bezeichneter Siphon leitet beide in getrennte Rinnen. Roheisen gelangt in Pfannen- oder Torpedowaggons, Schlacke in eigene Wagen. Danach verschließt eine Stopfmaschine das Stichloch.

Mess- und Regelsysteme überwachen unter anderem Beschickungsverteilung, Gichtgas, Druck und Temperatur im Ofen, Kühlwasser, Heißwind, Zusatzstoffe sowie Zusammensetzung und Temperatur von Roheisen und Schlacke. Ohne Regelung könnten schwankende Rohstoffe und Reaktionsgeschwindigkeiten schwere Störungen auslösen.

Bei einer hängenden Beschickung staut sich die verdichtete Möllersäule. Die Oberfläche sinkt nicht mehr, Gichtgasdruck und -temperatur fallen, während der Winddruck steigt. Eine starke vorübergehende Drosselung der Windmenge, das Stauchen, kann die Säule zum Nachrutschen bringen. Ansätze sind Anbackungen an den Ofenwänden; sie verengen den Querschnitt, erhöhen Staubaustrag und Störungsgefahr und können meist durch veränderte Schüttung beseitigt werden. Ein Wassereinbruch aus beschädigten Kühlelementen entzieht dem Prozess viel Wärme und zeigt sich durch mehr Wasserstoff im Gichtgas sowie erhöhten Speisewasserverbrauch.

Eine kurze Stillsetzung heißt Dämpfen: Eisenärmerer Möller, mehr Koks, verschlossene Leitungen und eine Abdeckung der Beschickung halten den Ofen warm. Beim endgültigen Ausblasen werden Beschickung und Windzufuhr beendet, explosionsgefährliche Gas-Luft-Gemische durch Wasserdampf, Wasser oder kontrollierten Gasabbrand verhindert und zuletzt die Ofensau abgestochen. Danach werden gewöhnlich die Ausmauerung und beschädigte oder veraltete Bauteile erneuert.

Erzeugnisse, Leistung und Verbrauch

Roheisen ist nach DIN EN 10001 eine Eisenlegierung mit mehr als 2 % Kohlenstoff. Höchstanteile sind Mangan ≤ 30 %, Silicium ≤ 8 %, Phosphor ≤ 3 % und Chrom ≤ 10 %; andere Beimengungen sollen zusammen höchstens 10 % betragen. Etwa 9 von 10 Hochofenwerken erzeugen weißes Roheisen oder Stahlroheisen, dessen Kohlenstoff als Eisen- oder Mangancarbid gebunden ist. Es dient vor allem der Stahlerzeugung. Graues Roheisen enthält als Graphit auskristallisierten Kohlenstoff und ist Ausgangsstoff verschiedener Gusseisensorten.

Hochofenschlacke enthält hauptsächlich 38–41 % CaO, 7–10 % MgO, 34–36 % SiO₂ und 10–12 % Al₂O₃. Bei der Hakenprobe bildet basische Schlacke mit CaO : SiO₂ > 1,0 kurze, zähe Tropfen; saure Schlacke mit CaO : SiO₂ < 1,0 zieht lange Fäden. Sie bindet Gangart, Koksasche und Schwefel und wird später unter anderem zu Hüttensand, Schlackenwolle, Schotter und Zement verarbeitet.

Gichtgas verlässt den Ofen bei 150 bis 200 °C und besteht aus 22–24 % CO₂, 18–21 % CO, 52–59 % N₂ und 1–3 % H₂ sowie Wasserdampf und Methanspuren. Seit den 1990er-Jahren entstehen je Tonne Roheisen etwa 1500 bis 2000 m³ i.N. mit 3150 bis 3570 kJ/m³ Heizwert. Mehrstufige Trocken-, Nass- und Feinreinigung entfernt den Staub, bevor das Gas Winderhitzer und andere Anlagen beheizt.

Die Leistung stieg von etwa 300 bis 400 Tonnen Roheisen täglich bis 1914 auf bis zu 12.000 Tonnen bei großen modernen Hochöfen. Ein großer Ofen mit etwa 15 m Gestelldurchmesser benötigte 2007 pro Tonne Roheisen ungefähr 1600 kg Erz, 330 kg Koks, 146 kg Einblaskohle und 917 m³ Luft. Bei täglich rund 12.000 Tonnen Roheisen entstanden etwa 3300 Tonnen Schlacke und 17 Millionen m³ Gichtgas. Die Weltjahresproduktion von Roheisen wuchs von etwa 189 Millionen Tonnen im Jahr 1950 auf rund 1808 Millionen Tonnen Ende 2018.