Einführung - Die Welt der Rohstoffe - page 37

auch hier eine Schlacke erzeugt werden, um unerwünschte Ele-
mente zu entfernen.
Eine alternative Methode der Stahlerzeugung, die vor allem
zur Herstellung von besonders hochwertigen Stählen angewandt
wird, ist die Reduktion in einem Lichtbogen . Zwischen zwei in
geringem Abstand angebrachten Elektroden, an die eine sehr
hohe Spannung angelegt wird, kommt es zu einer Gasentladung,
bei der sich das Gas zwischen den Elektroden bei Temperaturen
von mehreren Tausend Grad zu einem elektrisch leitfähigen
Plasma verwandelt. Die Elektroden sind an einem schwenkbaren
Deckel angebracht. Sie schmelzen das Erz und Schrott im wan-
nenförmigen Ofen auf und reduzieren es. Das Metall und die
Schlacke werden abgestochen. Da kein Koks verwendet wird,
kann gleich eine Legierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt er-
zeugt werden. Andere Metalle, die in kleiner Menge als Stahlver-
edler dienen, können von Anfang zugegeben werden oder später
dazulegiert werden.
Für viele Metalle sind Sulfidminerale das wichtigste Erz.
Sulfiderze können nicht direkt mit Kohlenmonoxid reduziert
werden. Beim Erhitzen entsteht nur eine Sulfidschmelze, die
beim Abkühlen zu einem künstlichen Sulfid erstarrt (»Matte«
oder »Kupferstein« im Fall der Kupferherstellung). Die Erze oder
die Matte müssen in einem Zwischenschritt

geröstet werden:
Beim Erhitzen unter oxidierenden Bedingungen wandeln Sulfide
sich in Oxide um, dabei wird Schwefeldioxid freigesetzt. Dieses
umweltschädliche Gas kann zu Schwefelsäure umgewandelt
werden, die ein wichtiges Nebenprodukt der Kupferproduktion
ist. Oft müssen weitere Schritte durchgeführt werden, um andere
Elemente abzutrennen.
Das im wichtigsten Kupfererz, Chalkopyrit (CuFeS 2 ), enthal-
tene Eisen muss in einem weiteren Zwischenschritt entfernt wer-
den. Dazu erhitzt man das Erz (oder eine Matte, in der bereits ein
Teil des Eisens durch Rösten oxidiert wurde) in einem Konverter
zusammen mit Sand und Kalk auf 1100 °C und führt Sauerstoff
hinzu. Dabei wird Fe 2+ zu Fe 3+ oxidiert, das mit der Silikat-
schmelze (Schlacke) abfließt. Ein Teil des Schwefels wird dabei
zu Schwefeldioxid (SO 2 ) oxidiert. Das Cu 2+ wird hingegen zu
Cu + reduziert und fließt als Kupfersulfidschmelze ab, die zu Cu 2 S
erstarrt (Kupferstein, Matte). Anschließend wird der Kupferstein
geröstet, es entstehen Cu 2 O und SO 2 . Im nächsten Schritt reagiert
in einem Konverter Cu 2 O mit verbliebenem Cu 2 S zu metalli-
schem Kupfer und SO 2 . Dieses »Rohkupfer« kann noch immer
mehrere Prozent Verunreinigungen enthalten. Dann ist es not-
wendig, es nochmals unter Zugabe von Sauerstoff und schla-
ckenbildenden Stoffen wieder zu Cu + zu oxidieren. Dabei ent-
weichen Zink, Antimon und Arsen als gasförmige Oxide, wäh-
rend Eisen, Kobalt, Nickel und andere Elemente mit der Schlacke
abfließen. Das Cu + kann beispielsweise mit Erdgas wieder zu Cu
reduziert werden.
Das auf diesem Weg erzeugte »Garkupfer« enthält noch etwa
0,3 % Verunreinigungen. Durch Elektrolyse (elektrolytische
Raffination bzw. Raffinationselektrolyse) kann es zu sogenann-
tem Kathodenkupfer umgewandelt werden, mit einer Reinheit
von 99,9 %. Dazu wird das Garkupfer zu großen Anoden gegos-
sen, Hunderte davon werden in ein Becken mit Kupfersulfat-
lösung gehängt. An der Kathode (die aus reinem Kupfer besteht)
scheidet sich reines »Kathodenkupfer« ab. Die angelegte

Abb. 1.44 Eisenerz wird in einem Hochofen mit Kohlenmonoxid zu
Eisen reduziert. Der Hochofen ist im Dauerbetrieb, er wird von oben
abwechselnd mit Erz und Koks beschickt, unten werden regelmäßig
das geschmolzene Roheisen und die flüssige Schlacke abgestochen.
Im Inneren sackt das Material in Bereiche mit immer höherer Tempe-
ratur. Die Reduktion der Oxide erfolgt schrittweise, gleichzeitig ent-
steht aus den silikatischen Erzbestandteilen und den Zusatzstoffen
die geschmolzene Schlacke. Die zum Verbrennen des Kokses not-
wendige Luft (der »Wind«) wird im Winderhitzer vorgeheizt, wobei
das aus dem Hochofen entweichende Gichtgas als Brennstoff dient.

unteren Teil des Hochofens und wird regelmäßig abgestochen.
Sie erstarrt zu Kalziumsilikaten und anderen Mineralen.
In der Schmelzzone, im untersten Teil des Ofens, wird festes
Eisen aufgeschmolzen und verbliebenes Eisenoxid reduziert. Die
Eisenschmelze sammelt sich am Boden des Hochofens an und
wird regelmäßig abgestochen. Dabei handelt es sich um Rohei-
sen, das wegen des hohen Kohlenstoffgehalts (3-4 %) spröde und
nicht schmiedbar ist.
Um das Roheisen zu Stahl umzuwandeln, muss der Kohlen-
stoffgehalt in einem weiteren Schritt reduziert werden (»Fri-
schen«). In einem sogenannten Konverter wird Sauerstoff durch

die »Lanze« in das geschmolzene Roheisen eingeblasen (Linz-
Donawitz-Verfahren). Dabei oxidiert der Kohlenstoff zu CO 2 ,
was nebenbei die notwendige Wärme liefert, um das Metall ge-
schmolzen zu halten. Auch Schwefel wird oxidiert und entweicht
als SO 2 . Durch Zugabe von Kalkstein und anderen Stoffen kann