Funktionsweise der Rennofenverhüttung

 

Bei der Rennofenverhüttung wird Eisenerz mit einem geeigneten Brennmaterial, z.B. Holzkohle oder Schwarztorf, in einem meist aus Lehm gebauten Schachtofen unter Luftzufuhr abgebrannt. Die Luftzufuhr erfolgt dabei im unteren Teil des Ofens z.B. durch Düsen, die ins Ofeninnere ragen. Die Bestückung (Brennstoff und Erz) erfolgt schichtweise von oben. So ergibt sich ein Gegenstromsystem, bei dem die Bestückung im Laufe der Ofenreise nach unten sackt und die Verbrennungsgase, der Bestückungsrichtung entgegen, nach oben wandern. Das hat den Vorteil, dass die heißesten Verbrennungsgase im unteren Teil des Ofens, nur mit Beschickungsgut in Berührung kommen, welches auf dem Weg von der Gicht des Ofens (Ofenmündung) abwärts bereits weitgehend vorgewärmt wurde. Des Weiteren kommt das viel Kohlenmonoxid enthaltene und daher sehr reaktionsfreudige Gas im unteren Bereich des Ofens, dort mit Erz in Berührung, welches auf dem Weg von der Gicht in den unteren Teil des Ofens bereits vorreduziert wurde, wodurch der letzte Reduktionsschritt zu Eisen wesentlich einfacher verläuft. Die Luftzufuhr kann bei diesem Prozess entweder natürlich, durch den bei der Verbrennung entstehenden Kamineffekt, oder künstlich, z.B. durch Blasebälge erfolgen. Die Reduktion erfolgt in erster Linie durch das Gas Kohlenmonoxid (CO), welches bei höheren Temperaturen mit dem Sauerstoff des Eisenoxids (FeO) reagiert und Kohlendioxid (CO2) bildet. Dadurch wird das Eisenoxid zu Eisen reduziert. Sämtliche organische Bestandteile des Erzes verbrennen und die Silikate im Erz sowie Teile der Ofenwand schmelzen und verbinden sich mit Teilen des noch nicht reduzierten Eisenoxides und bilden im Idealfall eine gut dünnflüssige Schlacke. Diese Schlacke sammelt sich im unteren Bereich des Ofens und kann gezielt durch aufstechen des Ofens abgelassen werden. Die Eisenoxide im Erz reduzieren bei den hohen Temperaturen im Ofen zu kleinen Eisenpartikeln, die sich im unteren Teil des Ofend zu einem schwammartigen amorphen Gebilde verbinden (sintern), der sog. Luppe.

Bei der Eisenverhüttung im Rennofen wird direkt schmiedbares Eisen hergestellt. In der modernen Hochofentechnologie entsteht während der Verhüttung ein nicht schmiedbares Roheisen/Gusseisen, welches einen Kohlenstoffgehalt von über 2,06% aufweist und nach der eigentlichen Verhüttung abgekohlt (gefrischt) werden muss, um schmiedbares Eisen daraus zu erhalten. Das Roheisen im Innern des Hochofens wird im Laufe der Verhüttung vollständig flüssig, wohingegen das Eisen im Rennofen nie flüssig wird. Das liegt einerseits an den niedrigeren Temperaturen im Rennofen, andererseits an dem höheren Schmelzpunkt von Eisen/Stahl im Vergleich zu Roheisen/Gusseisen.

Bei der Verhüttung verbrennt der in der Luft enthaltene Sauerstoff mit dem Kohlenstoff des Brennmaterials zunächst zu Kohlendioxid (C + O2 = CO2). Im nächsten Schritt erfolgt die erste Reduktion, bei der das Kohlendioxid mit weiterem Kohlenstoff aus dem erhitzten Brennmaterial reagiert und zu Kohlenmonoxid reduziert wird (CO2 + C = 2CO). Während der Sauerstoffanteil und somit auch der CO2-Anteil in Höhe der Luftzufuhr des Ofens am höchsten sind, nimmt der CO2-Anteil in den nach oben steigenden Verbrennungsgasen durch Reaktion mit dem Kohlenstoff der nach unten sackenden Holzkohle kontinuierlich ab. Nach einer relativ kurzen, von Ofentyp und Luftzufuhr abhängigen Strecke, ist das gesamte primär entstandene CO2 zu CO reduziert. Während bei der ersten Verbrennung ein Verbrennungsgas mit der theoretischen Zusammensetzung  21% CO2 und 79% N entsteht, wandelt sich das Gas im Laufe des Aufstiegs zu 35% Co und 65% N um. Man muss allerdings noch mit einem Wasserstoff (H2) Gehalt von bis zu 3% in den Verbrennungsgasen rechnen, der aus der Restfeuchte des Erzes und des Brennstoffes sowie der Luftfeuchtigkeit resultiert und nach der folgenden Formel weiteres CO beisteuert (H2O + C = H2 + CO). Das CO nimmt bei der Reduktion des Eisenoxides eine besondere Rolle ein.

 

Bei der Reduktion des Eisenerzes lassen sich nun drei Oxidationsvarianten unterscheide:

 

1        – Die Direktreduktion

2        – Die indirekte Reduktion

3        – Die Kohlenmonoixid-Spaltung

 

1 - Die Direktreduktion verläuft nach der Gleichung C + FeO = Fe + CO. Sie verbraucht also festen Kohlenstoff und liefert Eisen und Kohlenmonoxid, reichert also die Verbrennungsgase mit CO an. Diese Reduktion verläuft bei Temperaturen oberhalb von 1000 Grad.

 

2 - Bei der „indirekten“ Reduktion bewirkt das in den Verbrennungsgasen enthaltene CO eine stufenweise Reduktion, bei der das Eisenoxid versch. Reduktionsstufen durchläuft:

 

- 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2

- Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2

- FeO + CO = Fe +Co2

 

Es wird also Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert, welches beim Aufsteigen im Ofen wieder zu Kohlenmonoxid reduziert wird. Der Temperaturbereich der „indirekten“ Reduktion liegt zwischen 400 und 1000 Grad. Auch der Wasserstoff ist an der indirekten Reduktion beteiligt, wenn auch nur in relativ geringem Umfang: Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O

 

3 - Bei der Kohlenmonoxid-Spaltung wird im Temperaturbereich zwischen 300 und 650 Grad Kohlenmonoxid verbraucht und fester Spaltungs-Kohlenstoff sowie Kohlendioxid gebildet. 2Co = C + CO2. Der anfallende Spaltungs-Kohlenstoff kann nun, nach der Gleichen Reaktionsgleichung wie bei der Direktreduktion, unter Bildung von Kohlendioxid Eisenoxid reduzieren, mit dem Unterschied, dass diese Reaktion bei Temperaturen unter 1000 Grad stattfindet. C + FeO = Fe + CO. Des Weiteren kann der gebildete Spaltungs-Kohlenstoff auch wieder in Bindung gehen und dabei erneut Kohlenstoffmonoxid bilden, welches nach dem Prinzip der indirekten Reduktion Eisenoxid reduziert: C + CO2 = 2CO.