Eisen

Hintergrund

Eisen ist eines der häufigsten Elemente auf der Erde. Fast jede Konstruktion des Menschen enthält mindestens ein wenig Eisen. Es ist auch eines der ältesten Metalle und wurde vor mindestens 3.500 Jahren erstmals zu nützlichen und dekorativen Objekten verarbeitet.

Reines Eisen ist ein weiches, grauweißes Metall. Obwohl Eisen ein häufiges Element ist, wird reines Eisen fast nie in der Natur gefunden. Das einzige reine Eisen, von dem bekannt ist, dass es natürlich existiert, stammt von gefallenen Meteoriten. Das meiste Eisen kommt in Mineralien vor, die durch die Kombination von Eisen mit anderen Elementen gebildet werden. Eisenoxide sind am häufigsten. Die Mineralien in der Nähe der Erdoberfläche mit dem höchsten Eisengehalt werden als Eisenerze bezeichnet und kommerziell abgebaut.

Eisenerz wird durch verschiedene Prozesse in verschiedene Eisenarten umgewandelt. Der allgemeinste Prozess ist der Gebrauch eines Hochofens, Roheisen zu produzieren, das ungefähr 92-94% Eisen und 3-5% Kohlenstoff mit kleineren Mengen anderer Elemente ist. Roheisen hat nur begrenzte Verwendungen, und der größte Teil dieses Eisens gelangt in ein Stahlwerk, wo es in verschiedene Stahllegierungen umgewandelt wird, indem der Kohlenstoffgehalt weiter reduziert und andere Elemente wie Mangan und Nickel hinzugefügt werden, um dem Stahl spezifische Eigenschaften zu verleihen.

Geschichte

Historiker glauben, dass die Ägypter vor etwa fünf- oder sechstausend Jahren die ersten Menschen waren, die mit kleinen Mengen Eisen arbeiteten. Das Metall, das sie verwendeten, wurde anscheinend aus Meteoriten gewonnen. Beweise dafür, was vermutlich das erste Beispiel für Eisenabbau und -schmelzen ist, weisen auf die alte hethitische Kultur in der heutigen Türkei hin. Da Eisen ein weit überlegenes Material für die Herstellung von Waffen und Werkzeugen war als jedes andere bekannte Metall, war seine Herstellung ein streng gehütetes Geheimnis. Die grundlegende Technik war jedoch einfach und die Verwendung von Eisen verbreitete sich allmählich. So nützlich es im Vergleich zu anderen Materialien war, hatte Eisen Nachteile. Die Qualität der daraus hergestellten Werkzeuge war sehr unterschiedlich, abhängig von der Region, aus der das Eisenerz entnommen wurde, und der Methode zur Gewinnung des Eisens. Die chemische Natur der während der Extraktion stattfindenden Veränderungen wurde nicht verstanden; insbesondere die Bedeutung von Kohlenstoff für die Härte des Metalls. Die Praktiken waren in verschiedenen Teilen der Welt sehr unterschiedlich. Es gibt Hinweise, zum Beispiel, dass die Chinesen sehr früh Eisengeräte schmelzen und gießen konnten, und dass die Japaner mit Stahl in kleinen Mengen erstaunliche Ergebnisse erzielten, wie Erbstückschwerter belegen Dating Jahrhunderte zurück. Ähnliche Durchbrüche wurden im Nahen Osten und in Indien erzielt, aber die Prozesse traten nie in den Rest der Welt ein. Jahrhundertelang fehlten den Europäern Methoden, um Eisen überhaupt auf den Schmelzpunkt zu erhitzen. Um Eisen herzustellen, verbrannten sie langsam Eisenerz mit Holz in einem mit Lehm ausgekleideten Ofen. Das Eisen trennte sich vom umgebenden Gestein, schmolz aber nie ganz. Stattdessen bildete es eine krustige Schlacke, die durch Hämmern entfernt wurde. Dieser wiederholte Erhitzungs- und Hämmerungsprozess vermischte Sauerstoff mit dem Eisenoxid, um Eisen zu erzeugen, und entfernte den Kohlenstoff aus dem Metall. Das Ergebnis war fast reines Eisen, leicht mit Hämmern und Zangen geformt, aber zu weich, um eine gute Kante zu nehmen und zu behalten. Da das Metall durch Hämmern geformt oder geschmiedet wurde, wurde es Schmiedeeisen genannt. Werkzeuge und Waffen, die aus dem Osten nach Europa zurückgebracht wurden, bestanden aus einem Eisen, das geschmolzen und in Form gegossen worden war. Mit mehr Kohlenstoff ist Gusseisen härter als Schmiedeeisen und hält eine Schneide. Es ist jedoch auch spröder als Schmiedeeisen. Die europäischen Eisenarbeiter wussten, dass die Ostler besseres Eisen hatten, aber nicht die Prozesse, die mit der Herstellung stärkerer Eisenprodukte verbunden waren. Ganze Nationen haben Anstrengungen unternommen, um den Prozess zu entdecken. Der erste bekannte europäische Durchbruch bei der Herstellung von Gusseisen, der schnell zum ersten praktischen Stahl führte, kam erst 1740. In diesem Jahr meldete Benjamin Huntsman ein Patent für das Schmelzen von Material zur Herstellung von Stahlfedern für die Uhrmacherei an. In den nächsten 20 Jahren oder so, Das Verfahren wurde weiter verbreitet. Huntsman verwendete einen Hochofen, um Schmiedeeisen in einem Tontiegel zu schmelzen. Dann fügte er dem geschmolzenen Metall sorgfältig abgemessene Mengen reiner Holzkohle hinzu. Die resultierende Legierung war sowohl stark als auch flexibel, wenn sie in Federn gegossen wurde. Da Huntsman ursprünglich nur daran interessiert war, bessere Uhren herzustellen, führte sein Tiegelstahl direkt zur Entwicklung von nautischen Chronometern, die wiederum die globale Navigation ermöglichten, indem sie es den Seeleuten ermöglichten, ihre Ost-West-Position genau zu bestimmen. Dass er auch die moderne Metallurgie erfunden hatte, war ein Nebeneffekt, den er offenbar nicht bemerkte.

Rohstoffe

Die Rohstoffe, die zur Herstellung von Roheisen in einem Hochofen verwendet werden, sind Eisenerz, Koks, Sinter und Kalkstein. Eisenerze sind hauptsächlich Eisenoxide und umfassen Magnetit, Hämatit, Limonit und viele andere Gesteine. Der Eisengehalt dieser Erze reicht von 70% bis 20% oder weniger. Koks ist eine Substanz, die durch Erhitzen von Kohle hergestellt wird, bis sie fast zu reinem Kohlenstoff wird. Sinter besteht aus geringerem, feinteiligem Eisenerz, das mit Koks und Kalk geröstet wird, um eine große Menge der Verunreinigungen im Erz zu entfernen. Kalkstein kommt natürlich vor und ist eine Quelle von Calciumcarbonat. Andere Metalle werden manchmal mit Eisen in der Produktion von verschiedenen Formen des Stahls, wie Chrom, Nickel, Mangan, Molybdän und Wolfram gemischt.

Der Erzgewinnungs- und Raffinierungsprozess

Bevor Eisenerz in einem Hochofen verwendet werden kann, muss es aus dem Boden gewonnen und teilweise raffiniert werden, um die meisten Verunreinigungen zu entfernen.

Der Helfer dieses jungen Eisenpuddlers stützte sich auf seine lange Zange und posierte für dieses Foto in den frühen 1860er Jahren, als die Sons of Vulcan eine junge Union waren.

(Aus den Sammlungen von Henry Ford Museum & Greenfield Village.)

Historisch gesehen wurde Eisen im Heißstrahlverfahren oder später im Anthrazitofen hergestellt. So oder so, Die grundlegende Aktivität bei der Eisenherstellung bestand darin, dass ein Arbeiter kleine Mengen Roheisen und Schlacke rührte, bis sich das Eisen von der Schlacke trennte. „Pfützen“ genannt, war dies hochqualifizierte Arbeit, aber auch heiß, anstrengend und gefährlich. Es erforderte viel Erfahrung sowie eine herzhafte Konstitution. Puddlers waren stolz, unabhängig und hochbezahlt. Puddlers gründete 1858 in Pittsburgh die erste Gewerkschaft in der Eisen- und Stahlindustrie, die Sons of Vulcan. 1876 fusionierte diese Gewerkschaft mit drei anderen Arbeitsorganisationen zur Amalgamated Association of Iron and Steel Workers. Dies war die Gewerkschaft, die Andrew Carnegie im Homestead-Streik von 1892 besiegte und die Gewerkschaft bis in die 1930er Jahre in Trümmern und die Industrie im Wesentlichen unorganisiert ließ. Pretzer

Extraktion

• 1 Ein Großteil des Eisenerzes der Welt wird im Tagebau abgebaut, wobei das
  

  Reine Eisen ein weiches, grauweißes Metall ist. Obwohl Eisen ein häufiges Element ist, wird reines Eisen fast nie in der Natur gefunden. Mineralien in der Nähe der Erdoberfläche mit dem höchsten Eisengehalt werden als Eisenerze bezeichnet und kommerziell abgebaut.

  Die Oberfläche des Bodens wird von schweren Maschinen entfernt, oft über eine sehr große Fläche, um das darunter liegende Erz freizulegen. In Fällen, in denen es nicht wirtschaftlich ist, die Oberfläche zu entfernen, werden Schächte in die Erde gegraben, wobei Seitentunnel der Erzschicht folgen.

Raffination

• 2 Das abgebaute Erz wird zerkleinert und sortiert. Die besten Erzsorten enthalten über 60% Eisen. Kleinere Grade werden behandelt oder verfeinert, um verschiedene Schadstoffe zu entfernen, bevor das Erz zum Hochofen versendet wird. Zusammenfassend werden diese Raffinationsmethoden als Aufbereitung bezeichnet und umfassen weiteres Zerkleinern, Waschen mit Wasser, um Sand und Ton wegzuschwimmen, magnetische Trennung, Pelletierung und Sintern. Da immer mehr der weltweit bekannten Versorgung mit hohem Eisengehalt Erz aufgebraucht ist, haben diese Raffinationstechniken immer wichtiger geworden.
• 3 Das raffinierte Erz wird dann auf Züge oder Schiffe verladen und zum Hochofenstandort transportiert.

Der Herstellungsprozess

Laden des Hochofens

• 1 Nach der Verarbeitung wird das Erz mit anderem Erz vermischt und gelangt in den Hochofen. Ein Hochofen ist eine turmförmige Struktur aus Stahl, die mit feuerfesten oder hitzebeständigen Ziegeln ausgekleidet ist. Die Mischung des Rohmaterials oder der Ladung tritt oben in den Hochofen ein. Am Boden des Ofens wird sehr heiße Luft durch Düsen, die Tuye’res genannt werden, eingeblasen oder gestrahlt. Der Koks verbrennt in Gegenwart der heißen Luft. Der Sauerstoff in der Luft reagiert mit dem Kohlenstoff im Koks unter Bildung von Kohlenmonoxid. Das Kohlenmonoxid
  

  reagiert dann mit dem Eisenerz unter Bildung von Kohlendioxid und reinem Eisen.

Trennen des Eisens von der Schlacke

• 2 Das geschmolzene Eisen sinkt auf den Boden des Ofens. Der Kalkstein verbindet sich mit dem Gestein und anderen Verunreinigungen im Erz zu einer Schlacke, die leichter als das Eisen ist und oben schwimmt. Wenn das Volumen der Charge verringert wird, wird kontinuierlich mehr am oberen Rand des Ofens zugegeben. Das Eisen und die Schlacke werden getrennt vom Boden des Ofens abgezogen. Das geschmolzene Eisen kann einem weiteren Legierungsprozess unterzogen oder in Barren gegossen werden, die als Schweine bezeichnet werden. Die Schlacke wird zur Entsorgung abtransportiert.

Behandlung der Gase

• 3 Die bei den chemischen Reaktionen entstehenden heißen Gase werden oben abgezogen und zu einer Gasreinigungsanlage geleitet, wo sie gereinigt oder geschrubbt und in den Ofen zurückgeführt werden; insbesondere das verbleibende Kohlenmonoxid ist für die chemischen Reaktionen im Ofen nützlich.

  Ein Hochofen läuft normalerweise mehrere Jahre lang Tag und Nacht. Schließlich beginnt die Ziegelverkleidung zu bröckeln, und der Ofen wird dann zur Wartung abgeschaltet.

Qualitätskontrolle

Der Hochofenbetrieb ist hoch instrumentiert und wird kontinuierlich überwacht. Zeiten und Temperaturen werden überprüft und aufgezeichnet. Der chemische Gehalt der aus den verschiedenen Minen erhaltenen Eisenerze wird überprüft, und das Erz wird mit anderem Eisenerz gemischt, um die gewünschte Ladung zu erreichen. Aus jedem Guss werden Proben entnommen und auf chemischen Gehalt und mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Härte geprüft.

Nebenprodukte/Abfälle

Es gibt sehr viele mögliche Umweltauswirkungen durch die Eisenindustrie. Der erste und offensichtlichste ist der Prozess des Tagebaus. Riesige Landstriche werden zu nacktem Fels abgestreift. Heute werden erschöpfte Bergbaustandorte häufig als Deponien genutzt, dann bedeckt und landschaftlich gestaltet. Einige dieser Deponien selbst werden zu Umweltproblemen, da in der jüngeren Vergangenheit einige zur Entsorgung hochgiftiger Substanzen verwendet wurden, die in Boden und Wasser ausgelaugt wurden.

Bei der Gewinnung von Eisen aus Erz entstehen große Mengen giftiger und korrosiver Gase. In der Praxis werden diese Gase gewaschen und recycelt. Zwangsläufig entweichen jedoch einige kleine Mengen giftiger Gase in die Atmosphäre.

Ein Nebenprodukt der Eisenreinigung ist Schlacke, die in großen Mengen produziert wird. Dieses Material ist weitgehend inert, muss aber dennoch auf Deponien entsorgt werden.

Die Eisenherstellung verbraucht riesige Mengen Kohle. Die Kohle wird nicht direkt verwendet, sondern zunächst zu Koks reduziert, der aus nahezu reinem Kohlenstoff besteht. Die vielen chemischen Nebenprodukte der Verkokung sind fast alle giftig, aber sie sind auch kommerziell nützlich. Zu diesen Produkten gehört Ammoniak, das in einer Vielzahl von Produkten verwendet wird; phenol, das zur Herstellung von Kunststoffen, Schneidölen und Antiseptika verwendet wird; Kresole, die in Herbizide, Pestizide, Pharmazeutika und Fotochemikalien eingehen; und Toluol, das Bestandteil vieler komplexer chemischer Produkte wie Lösungsmittel und Sprengstoffe ist.

Schrott und Stahl – in Form von alten Autos, Geräten und sogar ganzen Stahlträgergebäuden – sind ebenfalls ein Umweltproblem. Der größte Teil dieses Materials wird jedoch recycelt, da Stahlschrott eine wesentliche Ressource in der Stahlerzeugung ist. Schrott, der nicht recycelt wird, verwandelt sich schließlich in Eisenoxid oder Rost und kehrt zum Boden zurück.

Die Zukunft

Oberflächlich betrachtet erscheint die Zukunft der Eisenproduktion — insbesondere in den Vereinigten Staaten — beunruhigt. Die Reserven an hochwertigem Erz sind in Gebieten, in denen es wirtschaftlich gefördert werden kann, erheblich erschöpft. Viele langjährige Stahlwerke haben geschlossen.

Diese Erscheinungen täuschen jedoch. Neue Erzanreicherungstechniken haben die Verwendung von minderwertigem Erz viel attraktiver gemacht, und es gibt ein riesiges Angebot an diesem Erz. Viele Stahlwerke haben in den letzten Jahrzehnten geschlossen, aber das ist vor allem, weil weniger benötigt werden. Allein die Effizienz von Hochöfen hat sich merklich verbessert. Zu Beginn dieses Jahrhunderts produzierte der größte Hochofen in den Vereinigten Staaten 644 Tonnen Roheisen pro Tag. Es wird angenommen, dass die mögliche Produktion eines einzelnen Ofens bald 4.000 Tonnen pro Tag erreichen wird. Da viele dieser moderneren Anlagen in Übersee gebaut wurden, ist es in einigen Fällen tatsächlich wirtschaftlicher geworden, Stahl über den Ozean zu versenden, als ihn in älteren US-Werken zu produzieren.