Einführung

Die Herstellung von Eisen aus seinem Erz erfolgt durch eine Redoxreaktion in einem Hochofen. Der Ofen ist oben mit dem Eisenerzoxid, meist Hämatit (\(Fe_2O_3\)), aber auch Magnetit (\(Fe_3O_4\)), Kohlenstoff, genannt Koks, und Kalkstein (\(CaCO_3\)) gefüllt. Für die Zwecke dieser Diskussion wird das Eisenerzoxid Hämatit (\(Fe_2O_3\)) dargestellt. Der Name Hämatit stammt übrigens aus dem Griechischen und bedeutet „blutähnlich“, was auf die Farbe einer Form seines Pulvers zurückzuführen ist. Die alten Griechen glaubten, dass sich große Hämatitvorkommen aus Schlachten bildeten, bei denen das Blut in den Boden floss.

Zu Beginn des Prozesses wird am Boden des Ofens ein heißer Luftstrom eingeleitet, der dazu beiträgt, eine große Temperaturschwankung zwischen 2273 K am Boden und 473 K am Kopf zu erzeugen. Die Sauerstoffmenge wird streng kontrolliert, so dass Kohlenmonoxid das Hauptprodukt ist, wie gezeigt:

\

Auch Kohlenstoff und Kohlenmonoxid tragen zur Reduktion des Eisen(III)-Oxids bei, so dass das unreine Metall entsteht, wie gezeigt:

\

\

Einer der interessantesten Teile dieser Redoxreaktion ist, dass der Großteil des gebildeten Kohlendioxids selbst reduziert wird, wenn es mit dem unverbrannten Koks in Kontakt kommt und mehr Reduktionsmittel produziert. Im weiteren Verlauf des Prozesses fließt das geschmolzene Eisen durch den Ofen nach unten und sammelt sich am Boden, wo es durch eine Öffnung an der Seite entnommen wird. Wenn es abkühlt, ist das unreine Eisen spröde und in einigen Fällen aufgrund kleiner Verunreinigungen wie Schwefel und Phosphor weich.

Das unreine Eisen, das vom Boden des Ofens kommt, wird daher weiter gereinigt. Das gebräuchlichste Verfahren ist der einfache Sauerstoffofen. In diesem Ofen wird Sauerstoff in das unreine Eisen eingeblasen. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da der Sauerstoff den Phosphor und Schwefel oxidiert, was sich in den folgenden Redoxreaktionen zeigt:

\

\

Die Oxide entweichen entweder als Gase oder reagieren mit basischen Oxiden, die hinzugefügt oder zur Auskleidung des Ofens verwendet werden. Durch diesen letzten Reinigungsschritt wird ein Großteil der Verunreinigungen entfernt, und das Ergebnis ist gewöhnlicher Kohlenstoffstahl. Eisen wird also durch den Prozess der Oxidation-Reduktion gewonnen.